寬帶無(wú)線頻譜分配建模研究

江 莎，江曉華，熊載禹

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065；2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌615000；3.貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司，貴州 遵義563000)

寬帶無(wú)線頻譜分配建模研究

江 莎1，江曉華2，熊載禹3

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065；2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌615000；3.貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司，貴州 遵義563000)

隨著無(wú)線通信的發(fā)展，研究如何提高頻譜利用率的方法是必然趨勢(shì)。本文將具有不同特性的靜態(tài)頻譜，競(jìng)拍頻譜以及動(dòng)態(tài)頻譜進(jìn)行聯(lián)合分配研究。對(duì)頻譜可用性特性指標(biāo)和基于M-LWDF算法的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的分析說(shuō)明。并提出了一種有序匹配算法。該算法通過(guò)頻譜可用性和服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)的有序?qū)?yīng)匹配，實(shí)現(xiàn)多種頻譜資源相結(jié)合環(huán)境下的頻譜分配方案。并通過(guò)與隨機(jī)分配、先靜態(tài)、后動(dòng)態(tài)的分配方案進(jìn)行對(duì)比，用MATLAB仿真工具驗(yàn)證了該算法在平均總速率、平均失敗次數(shù)等方面的優(yōu)越性。

頻譜分配;頻譜可用性;有序匹配算法

前言

日前，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展刺激著人們對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，要求無(wú)線通信技術(shù)提供更多更好的服務(wù)。但傳統(tǒng)頻譜往往采用固定分配方式，因此可供分配的頻譜資源日漸缺乏[1]。故而，出現(xiàn)了許多新型的頻譜分配研究方案以達(dá)到對(duì)頻譜的高效利用[2]。

伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，可供系統(tǒng)分配的頻譜主要分為以下三種：

①靜態(tài)頻譜資源。靜態(tài)頻譜資源指系統(tǒng)中使用的授權(quán)頻譜資源。目前的3G移動(dòng)通信系統(tǒng)、LTE（Long Term Evolution）等都屬于利用靜態(tài)頻譜資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

②競(jìng)拍頻譜資源。該資源在一定時(shí)間內(nèi)出租給公司或得到某段頻譜使用權(quán)的公司根據(jù)自己的業(yè)務(wù)量采取競(jìng)拍的方式短時(shí)出租。根據(jù)最后的使用時(shí)長(zhǎng)結(jié)算相關(guān)費(fèi)用。例如TVWS（TV White Space）TV空白頻段等。

③動(dòng)態(tài)頻譜資源。動(dòng)態(tài)頻譜資源是指利用認(rèn)知無(wú)線電CR（Cognitive Radio）技術(shù)感知其他無(wú)線通信系統(tǒng)的空閑頻譜，利用發(fā)現(xiàn)的“頻譜空洞”完成通信，而這種頻譜空洞被看做是動(dòng)態(tài)頻譜資源。

然而，無(wú)論是基于認(rèn)知無(wú)線電[3]系統(tǒng)里動(dòng)態(tài)感知技術(shù)的頻譜分配還是競(jìng)拍的頻譜分配[4]，亦或是固定頻譜資源的分配，大都停留在單一的頻譜資源分配的基礎(chǔ)上。

為了更好的利用頻譜資源，人們逐漸將目光投向多種頻譜的動(dòng)態(tài)聯(lián)合使用。例如2014年，華為與西歐運(yùn)營(yíng)商對(duì)GSM<E動(dòng)態(tài)頻譜共享方案完成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，并計(jì)劃在年底完成商用網(wǎng)測(cè)試和商用部署[5]。

總的來(lái)說(shuō)研究多種頻譜資源下的頻譜特征評(píng)估和分配方式，可以更好地利用頻譜資源，使得系統(tǒng)的總?cè)萘烤哂凶赃m應(yīng)調(diào)節(jié)能力，從而控制系統(tǒng)成本，降低用戶通信費(fèi)用，增強(qiáng)終端的環(huán)境適應(yīng)性。

面對(duì)以上研究背景本文面向未來(lái)無(wú)線大寬帶業(yè)務(wù)，聯(lián)合考慮三種不同的頻譜資源，從信噪比，帶寬，可用時(shí)長(zhǎng)，價(jià)格因子等因素進(jìn)行頻譜建模并完成頻譜可用性評(píng)估，和具體用戶的需求結(jié)合，設(shè)計(jì)基于頻譜可用性建模的分配方案，并和相關(guān)算法進(jìn)行對(duì)比分析。

1 頻譜特性指標(biāo)及可用性分析

本文在頻譜分配之前考慮3種不同類型的頻譜，對(duì)信噪比，可用時(shí)長(zhǎng)等特征進(jìn)行建模并設(shè)計(jì)相應(yīng)的可用表達(dá)式如下公式：

表達(dá)式中可直觀體現(xiàn)衡量頻譜可用性的思路。相對(duì)而言，信噪比大的，帶寬更寬的，可用時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)的，競(jìng)價(jià)因子小的頻譜具有更高的可用性。

針對(duì)本文研究的三種頻譜資源在各個(gè)特征評(píng)價(jià)指標(biāo)上的含義以及仿真取值作如下說(shuō)明：

本文的競(jìng)拍價(jià)格函數(shù)參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行改進(jìn)。由于在競(jìng)價(jià)系統(tǒng)中存在懲罰性收費(fèi)原則，用戶獲得的頻譜資源增多，其單位頻譜的價(jià)格也會(huì)隨之增高。因此加入非線性遞增后，重新定義頻譜價(jià)格。式中表示單位頻譜的價(jià)格，則表示用戶獲得的頻譜資源，表示頻譜數(shù)量，則競(jìng)拍價(jià)格可以表示為：

2 用戶調(diào)度需求指標(biāo)

該頻譜分配算法中還需利用到用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求分析完成和頻譜的對(duì)應(yīng)分配。

Andrews等提出了改進(jìn)的最大加權(quán)時(shí)延優(yōu)先算法M-LWDF（Modified Largest Wait Delay First）算法[8]。其核心思想在于不同的業(yè)務(wù)請(qǐng)求獲得的無(wú)線資源優(yōu)劣應(yīng)與其對(duì)于的QoS需求成比例。較大的QoS應(yīng)分配予相對(duì)好的無(wú)線資源。綜上用戶的業(yè)務(wù)需求公式如下：

其所用參數(shù)描述如下：

利用該公式可以為用戶請(qǐng)求進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，從指標(biāo)上更加便利的描述了用戶需求。

3 有序匹配算法MAX

基于以上對(duì)頻譜特征及可用性的建模分析，以及用戶業(yè)務(wù)需求的基本描述，為頻譜的聯(lián)合有序匹配的分配算法打下基礎(chǔ)。

在本文中，假定可用頻譜的集合為，共有M個(gè)可用頻譜，相當(dāng)于建立了一個(gè)多種頻譜的聯(lián)合頻譜池，其中包括靜態(tài)、競(jìng)拍以及動(dòng)態(tài)頻譜資源。業(yè)務(wù)需求用戶的集合為，共有N個(gè)用戶。通過(guò)采用本文提出的MAX有序分配方法進(jìn)行頻譜分配其具體的算法步驟為：

①系統(tǒng)初始化包括頻譜池和用戶池

4 仿真分析

本文采用仿真工具M(jìn)ATLAB對(duì)提出的MAX分配方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，在仿真過(guò)程中為了體現(xiàn)其可用性和優(yōu)勢(shì)，將其與隨機(jī)分配方法RAN以及另一種在資源分配時(shí)為服務(wù)質(zhì)量需求靠前的用戶先分配靜態(tài)資源后分配動(dòng)態(tài)資源的分配方法CHU進(jìn)行仿真對(duì)比，仿真結(jié)果包括平均用戶分配失敗次數(shù)和平均每輪總速率。如圖1～圖2所示：

圖1 平均用戶失敗次數(shù)

圖2 平均每輪總速率

可以看到，從失敗次數(shù)來(lái)說(shuō)，有序匹配算法（MAX）相對(duì)隨機(jī)排序分配算法（RAN）和先靜后動(dòng)排序的分配算法（CHU）其失敗的次數(shù)要少，說(shuō)明MAX分配能夠基本滿足用戶需求。此外，分配中也有可能出現(xiàn)甚至失敗次數(shù)大于RAN算法的情況，這是由于CHU算法采用的是一種固定思維，并沒(méi)有將多種因素進(jìn)行考慮，從這一點(diǎn)上也可以說(shuō)明將動(dòng)態(tài)和非動(dòng)態(tài)頻譜結(jié)合起來(lái)考慮的優(yōu)越性。而RAN本身的不確定性注定它的結(jié)果也會(huì)隨機(jī)變化，分配失敗或者結(jié)果的大抖動(dòng)不可避免。從另一方面來(lái)看，較大的信道容量對(duì)應(yīng)著較大的帶寬和信噪比，進(jìn)一步驗(yàn)證了頻譜可用性公式對(duì)應(yīng)的正比例關(guān)系。

由圖2可以看出MAX算法就平均每輪的總速率來(lái)說(shuō)相對(duì)也好。該分配過(guò)程對(duì)信道進(jìn)行了充分利用，使得平均每輪總速率有一定程度的改善。其次，在用戶需求公式里面，由于時(shí)延上限和業(yè)丟包率上限均是固定值，最大的服務(wù)質(zhì)量映射的是最大用戶速率需求，因此按照MAX分配出來(lái)的頻譜總速率會(huì)最大。

總的來(lái)說(shuō)該算法具備分配簡(jiǎn)單、直觀，計(jì)算量較小的實(shí)用性，為未來(lái)解決多種頻譜資源共存的分配環(huán)境提供了解決思路。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出針對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜和非動(dòng)態(tài)頻譜相結(jié)合進(jìn)行的聯(lián)合頻譜分配算法，首先對(duì)頻譜可用性的特征指標(biāo)和業(yè)務(wù)需求用戶的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了分析建模，進(jìn)一步提出的頻譜可用性公式，結(jié)合M-LWDF算法，介紹了對(duì)應(yīng)分配的MAX關(guān)鍵算法，并對(duì)分配算法的步驟進(jìn)行了介紹，最后對(duì)仿真圖形進(jìn)行了相關(guān)分析，驗(yàn)證其可用性和優(yōu)越性。

注釋及參考文獻(xiàn)：

[1]Shanzhi Chen and Jian Zhao．The Requirements,Challenges,and Technologies for 5G of Terrestrial Mobile Telecommunication[J],IEEE Communications Magazine,May 2014:36-43

[2]Alexandru Vulpe,Octavian Fratu,Albena Mihovska,et al,A Multi-Carrier Scheduling Algorithm for LTE-Advanced．NICT [J]．2013,1882-5621/13/

[3]Zhengwei Wu,Peng Cheng,Xinbing Wang,etal．Cooperative Spectrum Allocation for Cognitive Radio Network:An Evolutionary Approach[J]．2013 IEEE ICC,2013(s):1-5

[4]Richard Southwell,Xu Chen,et al．Quality of Service Games for Spectrum Sharing[J],JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS,March,2014,3(32):589-599

[5]C114中國(guó)通信網(wǎng),華為GSM<E動(dòng)態(tài)頻譜共享方案率先在歐洲完成聯(lián)合測(cè)試[EB/OL]．http://www．c114．net/news/ 126/a818064．html

[6]Guangxiang Yuan,Xiang Zhang,Wenbo Wang．Carrier Aggregation for LTE-Advanced Mobile Communication Systems [J]．Communications Magazin,2013:88-93．

[7]鄧薇．認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜空洞與競(jìng)拍資源的聯(lián)合分配技術(shù)研究［D］．沙坪壩:重慶郵電大學(xué)，2013．

[8]鮮永菊．面向服務(wù)質(zhì)量保障的認(rèn)知無(wú)線電核心技術(shù)研究［D］．沙坪壩:重慶大學(xué)，2012．

Study on the Distribution Modeling of the Broadband Wireless Spectrum

JIANG Sha1,JIANG Xiao-hua2,XIONG Zai-yu3
（1.Department of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunication,Chongqing 400065;2.Xichang Satellite Launch Center，Xichang,Sihuan 615000；3.Guizhou Aerospace Tianma Machine-electric S&T Co.Ltd,Zhunyi,Guizhou 563000）

With the rapid wireless communication technology development,research on improving the spectrum utilization is a growing trend.This paper studied spectrum allocation method with the static spectrum,auction spectrum and dynamic spectrum.It explained the spectrum availability of spectrum,which covers signal-to-noise ratio,price and so on.It also analyzed the request of service based on the algorithm of M-LWDF.This paper put an orderly matching algorithm based on supporting the quality of service.It used MATLAB to prove the advantage of the average numbers of failure and the average total rate compared with the RAN and CHU.

spectrum allocation;spectrum availability;orderly matching algorithm

TN925

A

1673-1891（2015）01-0046-03

2014-10-02

江莎（1990-），女，碩士研究生，主要從事通信與網(wǎng)絡(luò)研究。