基站自適應陣列天線碼資源分配算法的比較研究*

歐紅玉，蔡衛(wèi)紅，孔凡鳳

（湖南郵電職業(yè)技術學院移動通信系，湖南長沙 410015）

基站自適應陣列天線碼資源分配算法的比較研究*

歐紅玉，蔡衛(wèi)紅，孔凡鳳

（湖南郵電職業(yè)技術學院移動通信系，湖南長沙 410015）

采用空間切割方式對移動基站自適應陣列天線進行碼資源分配，可以提高系統(tǒng)功率資源的使用效率，降低空中信號的整體干擾，從而提高系統(tǒng)容量.介紹了移動基站自適應陣列天線區(qū)域覆蓋原理和碼資源常見分配算法：固定碼資源分配算法和群組碼資源分配算法，分析了兩種碼資源分配算法的基本思路和碼分配策略.通過兩種分配算法的通話阻塞率仿真比較分析可知，群組碼資源分配算法所產(chǎn)生的通話阻塞率比固定碼資源分配算法所產(chǎn)生的通話阻塞率要低.

自適應陣列天線；碼資源；分配算法

傳統(tǒng)移動基站天線通常采用全向覆蓋方式，因而移動基站發(fā)射信號的能量只有很小一部分能到達目標用戶，基站發(fā)射信號的大部分能量相對于某用戶來說都浪費了，而且還增加了用戶的干擾，降低了用戶接收信號的質量.隨著移動網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大及移動用戶的增加，移動用戶間的干擾也會增加，S／I（信干比）可能極端劣化，從而導致掉話［1］.

基站自適應陣列天線通常采用4～8個天線單元結構，采用空間分割覆蓋形式，將全向天線覆蓋區(qū)域分割成多個微小區(qū)域，通過不同無線資源分配算法來控制不同信號能量的發(fā)射方向，從而高效集中地發(fā)射給目標用戶，降低了不同用戶間信號的干擾，提高了用戶接收信號的信干比，增加了移動系統(tǒng)容量，同時大大增大基站的覆蓋范圍，因而基站自適應陣列天線可廣泛應用于當前的3G／4G移動系統(tǒng).

1 自適應陣列天線信號微區(qū)域覆蓋

在一個具有多個天線單元的自適應陣列基站天線系統(tǒng)中，每個天線單元只負責本基站一個微小區(qū)域信號的收發(fā)，其所覆蓋的區(qū)域分為非重疊微區(qū)域、重疊微區(qū)域兩類.以下圖1以僅有三個天線單元的自適應陣列天線系統(tǒng)為例來介紹.

在圖1中，基站Ci的三個天線單元分別為Si，1、Si，2、Si，3，三個天線單元Si，1、Si，2、Si，3的信號覆蓋微區(qū)域分別為｛Oi，1，Ni，1，Oi，2｝、｛Oi，2，Ni，2，Oi，3｝、｛Oi，3，Ni，3，Oi，1｝.其中｛Oi，1，Oi，2，Oi，3｝為天線單元信號覆蓋重疊微區(qū)域，而｛Ni，1，Ni，2，Ni，3｝為天線單元信號覆蓋非重疊微區(qū)域.

假設N（X）表示同基站中與區(qū)域X相鄰的非重疊微區(qū)域集合，則圖1中有N（Oi，1）＝｛Ni，1，Ni，3｝、N（Oi，2）＝｛Ni，1， Ni，2｝、N（Oi，3）＝｛Ni，2，Ni，3｝、N（Ni，1∪Oi，1）＝｛Ni，3｝、N（Ni，1∪Oi，2）＝｛Ni，2｝、N（Ni，2∪Oi，2）＝｛Ni，1｝；同時假設O（X）表示同基站中與區(qū)域X相鄰的重疊微區(qū)域集合，則圖1中有O（Ni，1）＝｛Oi，1，Oi，2｝、O（Ni，2）＝｛Oi，2，Oi，3｝、O（Ni，3）＝｛Oi，1，Oi，3｝、O（Ni，1∪Oi，1）＝｛Oi，2｝、O（Oi，1∪Ni，3）＝｛Oi，3｝、O（Oi，3∪Ni，3）＝｛Oi，1｝.再假設Ci，j表示基站Ci中天線單元Si，j的實際覆蓋微區(qū)域，即Ci，j的覆蓋微區(qū)域范圍只可能是基站Ci中天線單元Si，j信號能達到的覆蓋微區(qū)域范圍Ni，j∪O（Ni，j），且假設任何兩個不同天線單元Si，j和Si，k所服務的微區(qū)域范圍Ci，j和Ci，k不會出現(xiàn)交集［2］.

圖1 基站Ci的覆蓋微區(qū)域

由此可推假設一個由m個天線單元Si，1，Si，2，…，Si，m所提供的覆蓋微區(qū)域范圍分別為Ci，1，Ci，2，…，Ci，m的移動基站Ci，則有：Ci，j?Ni，j∪O（Ni，j），且其中任何兩個微區(qū)域范圍Ci，j和Ci，k（1≦j，k≦m），滿足Ci，j∩Ci，k＝φ.

以圖1為例，Ci，1＝｛Ni，1∪Oi，1｝、Ci，2＝｛Ni，2∪Oi，2｝、Ci，3＝｛Ni，3∪Oi，3｝僅為滿足以上假設的很多合理配置中的一種，而Ci，1＝｛Ni，1∪Oi，2｝、Ci，2＝｛Ni，2∪Oi，3｝、Ci，3＝｛Ni，3∪Oi，1｝又是合理配置中的另一種，還有Ci，1＝｛Ni，1｝、Ci，2＝｛Ni，2∪Oi，2∪Oi，3｝、Ci，3＝｛Ni，3∪Oi，1｝，等等.

假設天線單元Si，j的干擾范圍表示為IN（Si，j）＝｛Si，k｝，｛Si，k｝表示Si，j與Si，k同碼資源覆蓋微區(qū)域距離小于Dmin（最小干擾范圍）的同基站覆蓋區(qū)域，所以當Ci，k覆蓋微區(qū)域中已使用某一個碼資源來通話后，其Dmin范圍內的其它區(qū)域Ci，j就不能用此已分配碼資源來建立通信，所以基站Ci所有覆蓋微區(qū)域Ci，k只能分配所有系統(tǒng)碼資源B的部分碼資源B（Si，j），也就是說最小干擾范圍區(qū)域不能配置以相同的碼資源.因此，假如Si，j所分配的碼資源為B（Si，j），則滿足Si，k∈IN（Si，j）條件下的任意B（Si，j）∩B（Si，k）＝φ［3］.

以圖2為例：基站Ci的覆蓋范圍被分割為Ci，1、Ci，2、…、Ci，12等12個覆蓋微區(qū)域，如果Dmin為2個微區(qū)域，則IN（Si，1）＝｛Si，2，Si，3，Si，11，Si，12｝.當Si，1被配置某一碼資源集合B（Si，1）時，Si，2、Si，3、Si，11和Si，12中所配置的碼資源集合B（Si，2）、B（Si，3）、B（Si，11）和B（Si，12）就不能有任何相同的碼資源是相同的.即在IN（Si，1）干擾范圍內的任一覆蓋微區(qū)域Si，j，B（Si，1）∩B（Si，j）為空集合.

圖2 每個天線單元所負責的微區(qū)域

再假設某基站Ci所覆蓋的微區(qū)域Ci，j所需承載的話務量為λ（Ci，j）＝t×a，其中t表示Ci，j中所有移動臺一次通話的平均通話時長，a為在Ci，j微區(qū)域內單位時間移動臺的通話的總次數(shù).如果頻寬B（Si，j）中的碼資源個數(shù)為n，則覆蓋微區(qū)域Ci，j的通話阻塞率可用公式1表示為：

2 自適應陣列天線碼資源分配算法

碼分配策略是指BS如何將基站全部的系統(tǒng)碼分配給每個感測器的方法，其中常見的有固定分配算法及群組分配算法兩種類型.固定分配算法是將全部的系統(tǒng)碼平均分配給每個感測器；群組分配算法是將全部的系統(tǒng)碼依照每個感測器的負載量來分配所需碼的方法.

2.1 固定分配算法

在固定分配算法中，基站Ci被m個感測器切割成Ci，1，Ci，2，…，Ci，m等m個區(qū)域，每一個感測器Si，k被分配全部系統(tǒng)碼資源B的部分碼B（Si，k），碼資源的分配策略如下：

步驟1：將Si，1，Si，2，…，Si，m感測器切割成G1，G2，…，GCS等子集合，在任何一個子集合中任意兩個感測器的實際距離至少為Dmin，相對應地將系統(tǒng)碼資源B切割成B1，B2，…，BCS等CS個相互獨立的子集合.

步驟2：Gk中的感測器，分配碼資源Bk，其中k等于1，…，CS.

以圖3為例，在Dmin為一個區(qū)域的條件下，基站Ci中的12個感測器｛Si，1，Si，2，…，Si，12｝，可被切割成G1＝｛Si，1，Si，3，Si，5，Si，7，Si，9，Si，11｝和G2＝｛Si，2，Si，4，Si，6，Si，8，Si，10，Si，12｝兩個子集合.假設系統(tǒng)碼資源B有10個碼，則系統(tǒng)碼資源B會被切割成B1和B2.其中G1中的每一個感測器分配B1碼資源，會被分配到5個碼，G2中的每一個感測器分配B2碼資源，同樣會被分配到另外5個碼.

圖3 基站的感測器

2.2 群組分配算法

固定分配算法中B1，B2，…，BCS這些碼的總和等于全部系統(tǒng)資源碼B而且B1，B2，…，BCS中碼的個數(shù)也會盡量分配成相同的個數(shù)，Gk中的感測器會被分配到Bk的碼（k＝1，…，CS），所以固定分配算法中每一個感測器會被分配的碼數(shù)是固定的也是平均的.

群組的分配算法中，Bk的分配會依照Gk中感測器的流量而有所不同，其中 Gk中全部區(qū)域承載的通話量為λ（GK），如式（2）所示.

因此每個感測器也會因被歸類在不一樣的Gk中而得到不同數(shù)量的碼，也會產(chǎn)生不同結果的容量，Gk中預期通話阻塞率的估算如式（3）所示.

群組的分配算法會考慮全部類型的分配，再從全部的分配里面找出一組整體的容量最高，即預期通話阻塞率最低的碼組來分配［4］，基站Ci中預期通話阻塞率的估算方式如式（4）所示.

以圖3為例，基站Ci中的12個感測器被切割為G1＝

｛Si，1，Si，3，Si，5，Si，7，Si，9，Si，11｝，G2＝｛Si，2，Si，4，Si，6，Si，8，Si，10，Si，12｝等兩個子集合.全部系統(tǒng)擁有的碼資源B也被切割成B1和B2，假設全部系統(tǒng)擁有的碼資源B有10個碼.每個區(qū)域的通話流量如表1所示.B1和B2分配的方法會產(chǎn)生11組不一樣的配置，如表2所示.其中︱B1︱和︱B2︱為0的狀況不列入考慮，每一組不同的碼配置會得到不一樣的PB（Ci），群組分配算法會挑選一組PB（Ci）為最小值來分配，依照這組配置的方式來分配各感測器的可用碼，在此例中︱B1︱＝7和︱B2︱＝3為最佳配置，所以Ci中的G1感測器組都可得到7個碼，G2感測器組都可得到3個碼.

表1 基站Ci中每一個區(qū)域的話務量

3 碼資源分配算法仿真

3.1 仿真參數(shù)設置

為了比較以上兩種自適應陣列天線碼資源分配算法的覆蓋效果差別，可通過仿真來驗證.其仿真模擬基本參數(shù)設置如下：

（1）蜂窩基站數(shù)量：6×6蜂窩基站，每個蜂窩基站包含9個感測器

（2）系統(tǒng)容量：90個

（3）干擾范圍：2個微小區(qū)域

（4）移動用戶總數(shù)：10000個

（5）每次平均通話時間：3分鐘

（6）每小時平均通話次數(shù)：0.36～2.52次

（7）人口分布情況：重疊區(qū)域人數(shù)占比POA為20%，高負載區(qū)域nhot為5個及8個，高負載區(qū)域人數(shù)Pho為10%及8%.

表2 基站Ci的預估通話阻塞率

圖4、圖5顯示以上兩種不同的碼資源分配算法通話阻塞率對比，在模擬中分布重疊區(qū)域的人數(shù)皆為20%，頻寬數(shù)量都為30個.在324個區(qū)域中，又分成5個及8個高負載區(qū)域的狀況.高負載區(qū)域的人數(shù)分別為1萬人的8%及1萬人的10%兩種分布.其橫座標表示移動用戶每小時平均通話次數(shù)，縱坐標表示通話的阻塞率.圖中Fixed表示固定分配算法，Grouping表示群組分配算法.在群組分配算法中，每個基礎下的感測器會分成3個群組.再依照3個群組的全部負載量來配置90個頻道，而每個感測器所負責的區(qū)域大小相同［5］.

3.2 仿真比較

通過仿真，兩種不同碼資源分配算法模擬通話阻塞率仿真比較情況如圖4、圖5所示.

圖4 nhot＝5時的通話阻塞率

圖5 nhot＝8時的通話阻塞率

4 結論

通過仿真分析，群組碼資源分配算法所產(chǎn)生的通話阻塞率比固定碼資源分配算法所產(chǎn)生的通話阻塞率低.因為固定碼資源分配算法中每一個感測器被分配的碼數(shù)是固定的，也是平均的，不會隨著各區(qū)域的通話量改變而改變；而群組碼資源分配算法會根據(jù)各區(qū)域通話量情況，并考慮全部可能的碼分配，再從全部可能的碼分配里面找出一組整體的容量最高，即預期通話阻塞率最低的一組來分配碼資源.

［1］Rouskas A N，Skoutas D N.Management of channelization codes at the forward link ofWCDMA［J］.IEEE Transactions on Communications Letters，2005，（8）：679－681.

［2］Kim S，Varshney P K.Adaptive fault tolerant bandwidth management framework formultimedia cellular networks［J］.IEEE Proceedings－Communication，2005，（6）：932－938.

［3］許道峰，程健，張才華.智能天線抗干擾技術性能［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術，2011，（2）：11－13，27.

［4］馬玉峰，胡玉蘭.智能天線對CDMA通信系統(tǒng)性能的改善［J］.電子技術，2008，（2）：74－76.

［5］吳清華，肖奇?zhèn)?基于多天線技術的無線信道容量解決方案［J］.艦船科學技術，2010，（4）：73－75.

（責任編校：晴川）

Com parative Study of Code Resource Allocation Algorithm s for Base Station Adaptive Array Antenna

OU Hongyu，CAIWeihong，KONG Fanfeng
（Department of Mobile Communication，Hunan Post and Telecommunication Vocational College，Changsha Hunan 410015，China）

Using spatial cutting to allocate the code resource ofmobile base station adaptive array antenna can improve the system efficiency of power resources，reduce the overall air signal interference，and further expand the system capacity.This paper introduces a mobile base station adaptive array antenna coverage principle and common code resource allocation algorithms，which are fixed code resource allocation algorithm and group code resource allocation algorithm，analyzes the basic ideas of two kinds of code resource allocation algorithms and code allocation strategies.Through the comparative analysis of the callblocking rate simulation for the two allocation algorithms，it is indicated that the call blocking rate generated by group code resource allocation algorithm is lower than that generated by the fixed code resource allocation algorithm.

adaptive array antenna；code resource；allocation algorithm

TP393

A

1008－4681（2014）05－0049－04

2014－05－08

湖南省教育廳科學研究項目（批準號：12C0963）.

歐紅玉（1968－），女，湖南長沙人，湖南郵電職業(yè)技術學院移動通信系講師，碩士.研究方向：移動通信、信息系統(tǒng).