MF-TDMA體制下載波信道管理

楊 杰

（電子科技大學(xué) 通信抗干擾國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731）

0 引言

多頻時(shí)分多址是一種混合多址方式，它將頻分多址技術(shù)和時(shí)分多址技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合于一體，因此，它被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)和平流層通信系統(tǒng)中。該技術(shù)不僅可提供高效的數(shù)據(jù)流而且同時(shí)保持容量分配的靈活性。平流層通信系統(tǒng)的上行傳輸鏈路采用該技術(shù)是因?yàn)榇罅康倪B接請(qǐng)求共享有限的系統(tǒng)資源特點(diǎn)。在系統(tǒng)中應(yīng)用MF-TDMA作為上行鏈路的多址方式，多載波信道分配用于上行鏈路接入，時(shí)分多址用于每個(gè)載波信道內(nèi)的時(shí)隙分配。因此，每一個(gè)載波信道被分成許多時(shí)隙塊分配給多個(gè)連接。時(shí)隙塊被作為分配給每個(gè)連接的唯一資源，基于每個(gè)通信連接的服務(wù)質(zhì)量（QoS,Quality of Service）要求為每個(gè)連接分配固定數(shù)目的時(shí)隙資源。現(xiàn)考慮兩類 QoS參數(shù)——數(shù)據(jù)速率和最大可容忍誤碼率。整個(gè)通信連接階段，除保證固定數(shù)據(jù)傳輸速率外，系統(tǒng)所容許的最大誤碼率也必須得到保證。因此，MF-TDMA的資源計(jì)算和資源分配是重點(diǎn)。

1 信道結(jié)構(gòu)

已知調(diào)制方式和數(shù)據(jù)傳輸速率后，突發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可通過(guò)系統(tǒng)特別查詢表唯一決定。雖然選擇一種高突發(fā)速率的調(diào)制方式可以節(jié)省時(shí)隙資源分配給連接，但會(huì)造成誤碼率的增加。更高的突發(fā)速率直接導(dǎo)致更大的誤碼率，因此，需要在系統(tǒng)容量和QoS之間權(quán)衡利弊[1]。

在突發(fā)長(zhǎng)度計(jì)算好之后，接著進(jìn)行時(shí)隙資源的分配。若將 MF-TDMA中的載波/時(shí)隙資源占用表看成是一個(gè)二維的矩陣（其中行代表不同頻率的載波，列表示按時(shí)間劃分的時(shí)隙）在平流層通信系統(tǒng)中分配時(shí)隙資源時(shí)，必須滿足以下兩個(gè)約束條件：

①分配給終端的維持已知通信連接的一系列時(shí)隙資源必須在一個(gè)載波頻率上連續(xù)；

②同一終端分配的時(shí)隙資源，在時(shí)間上不能重疊且同一個(gè)時(shí)隙資源不能同時(shí)分配給兩個(gè)連接。

這些約束條件是受平流層通信系統(tǒng)固有硬件發(fā)展和可操作性所限制。約束條件①是為了簡(jiǎn)化時(shí)隙分配問(wèn)題；約束條件②則是受限于終端設(shè)備的多頻調(diào)制器的非線性性，避免生成互調(diào)干擾[2-3]。

2 時(shí)隙的計(jì)算

為了給每一個(gè)連接請(qǐng)求分配合理的時(shí)隙數(shù)，需計(jì)算可允許的最大突發(fā)速率。一旦突發(fā)速率確定下來(lái)，所需的調(diào)制方式可從特定系統(tǒng)查詢表中獲得。假設(shè)系統(tǒng)采用二進(jìn)制差分相移鍵控調(diào)制方式，已知誤碼率 Pb，那么上行鏈路的信噪比可通過(guò)下式計(jì)算得出：

同樣，每比特位的信噪比取決于變化的環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)，如鏈路參數(shù)，由式（2）給出：

其中，Pt為發(fā)射功率分貝數(shù)；Gt為發(fā)射天線增益分貝數(shù)；Lf為自由空間損失分貝數(shù)；Lr為雨水損失分貝數(shù)；Lc為因?yàn)?zāi)難性事件所致?lián)p失分貝數(shù)；Gc為編碼增益分貝數(shù)；Gr為接收天線增益分貝數(shù)；Rb為每秒突發(fā)符號(hào)率；k為波爾茲曼常數(shù)（1.38× 10?23J K ）；T為系統(tǒng)噪聲溫度（假定為一常量1 000 K），公式（1）被稱作上、下行鏈路開銷方程。

3 資源的計(jì)算

資源計(jì)算階段解決為滿足QoS要求的資源數(shù)[4]。由鏈路開銷公式（1）可知，固定時(shí)隙數(shù)、誤碼率和數(shù)據(jù)傳輸速率三者相互制約，可通過(guò)選擇調(diào)制方式來(lái)協(xié)調(diào)。這里提出了一種基于馬爾科夫模型的預(yù)測(cè)方法來(lái)預(yù)測(cè)有效降雨量范圍內(nèi)最壞情況下的誤碼率，然后通過(guò)選擇調(diào)制方式來(lái)匹配所預(yù)測(cè)到的最壞誤碼率。文獻(xiàn)[5]也對(duì)相應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究。

3.1 馬爾科夫模型

馬爾科夫模型由80個(gè)狀態(tài)組成。每一個(gè)狀態(tài)代表有效降雨量（以每小時(shí)毫米降雨量計(jì)算）下的波動(dòng)變化。狀態(tài)0～39表示降雨量為 0～39 mm/hr時(shí)的波動(dòng)增加或常量；狀態(tài)40～79表示降雨量為0～39 mm/hr時(shí)波動(dòng)是否嚴(yán)格減少。這樣就可以計(jì)算出不同狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況下的相對(duì)頻率，而相對(duì)頻率可以用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)移概率。因此，該過(guò)程可以提供一個(gè)對(duì)概率轉(zhuǎn)移矩陣P的評(píng)估，Pij表示從狀態(tài)i到狀態(tài) j的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。

3.2 計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率

假設(shè)已知連接持續(xù)時(shí)間且定位N個(gè)時(shí)間單元（N為整數(shù)）。設(shè)狀態(tài)域?yàn)?，{Pij∶i, j∈?} 為馬爾科夫過(guò)程中所得轉(zhuǎn)移概率。不考慮通常情況下的損耗，假設(shè)連接起始時(shí)間為零，此刻系統(tǒng)狀態(tài)為x0。那么在時(shí)刻n，系統(tǒng)的狀態(tài)隨機(jī)變量為Xn。因此，可以得到 X0=x0，使用降雨量作隨機(jī)變量Rainrate(x)，狀態(tài)量為x，如式（3）：

給出一個(gè)概率門限值 p0，期望找到一個(gè)最小值r使得：

這里使用RN來(lái)表示rainrate(Xn)。如果取任意值r（0～39）計(jì)算式（4）中左邊部分，可以確定滿足不等式的最小r值。顯然，r一定不小于 rainrate(x0)，否則式（4）左邊將為零。因此，只需考慮 r≥rainrate(x0)。對(duì)于每一個(gè)r，定義S(r) ≡ {i ∈?∶rainrate(i)≤r}。

S (r)為降雨量小于或等于r時(shí)的一系列狀態(tài)。不等式左邊部分的概率可通過(guò)以下公式計(jì)算：

3.3 計(jì)算時(shí)隙數(shù)

連接期間的有效降雨量獲得后，滿足一定誤碼率所需的突發(fā)速率可通過(guò)式（1）、式（2）計(jì)算得到。使用計(jì)算所得突發(fā)速率可以找到匹配的調(diào)制方式。此時(shí)，已知調(diào)制方式和數(shù)據(jù)傳輸速率，突發(fā)的大小（時(shí)隙數(shù)量）可通過(guò)查詢系統(tǒng)特定表獲得，即建立通信連接所分配（如果可能）的時(shí)隙資源數(shù)。提供QoS保證的過(guò)程如圖1所示。

4 資源分配

在資源分配階段，資源管理器調(diào)度資源分配算法將時(shí)隙資源分配給升空平臺(tái)通信中心。高效的分配時(shí)隙資源并不是一個(gè)小問(wèn)題，事實(shí)上，是一個(gè) NP難題（NP-Hard, Nondeterministic Polynomial-time Hard）問(wèn)題[6]。

圖1 提供QoS保證流程

4.1 載波信道預(yù)約優(yōu)先算法

載波信道預(yù)約優(yōu)先算法作為MF-TDMA體制下的信道資源分配算法，它將信道分為獨(dú)占信道、共享信道和空載信道。

其中，帶有獨(dú)占信道標(biāo)志的載波信道只能分配給某一個(gè)特定的終端，而共享信道的時(shí)隙資源可以分配給不同的終端，即信道被各個(gè)終端共享。算法的目的就是利用預(yù)約信道的方式，使業(yè)務(wù)量大的終端盡量獨(dú)占信道以保證其QoS的要求。在這一過(guò)程描述中，已經(jīng)默認(rèn) Nt≤Nc情況，其中Nt和Nc分別表示活動(dòng)終端和載波信道數(shù)。顯然，當(dāng) Nt＞Nc時(shí)，不可能為每一個(gè)終端在請(qǐng)求連接時(shí)預(yù)留一個(gè)獨(dú)立信道，導(dǎo)致一些載波信道被強(qiáng)制成為共享信道。這種情況破壞了信道預(yù)約的有效性，應(yīng)盡量降低出現(xiàn)這種可能性的出現(xiàn)。算法流程圖如圖2所示。

圖2 載波信道預(yù)約優(yōu)先算法流程

在圖2中，用流程圖展示了載波信道預(yù)留的優(yōu)先算法步驟。時(shí)隙分配階段，一旦載波信道被選擇，突發(fā)被分配到載波信道內(nèi)最小空時(shí)隙處，但要有足夠的空間。

5 結(jié)語(yǔ)

這里對(duì)MF-TDMA體制下的載波信道管理方法展開了討論。一種新的載波信道分配算法應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，分為兩個(gè)步驟，確定時(shí)隙資源數(shù)和時(shí)隙資源的分配。研究結(jié)果顯示，該算法比首先適應(yīng)算法和最佳適應(yīng)算法[7]在資源利用率和拒絕率方面有更好的表現(xiàn)。由于其高效性、穩(wěn)定性和可實(shí)現(xiàn)性，該算法可應(yīng)用于平流層通信系統(tǒng)中。

[1] 王新, 李寶平.CDMA/SDMA系統(tǒng)性能分析[J].通信技術(shù), 2007,40(11): 54.

[2] GAUDENZI R D.Payload Nonlinerity Impact on the Globalstar Forward Link Multiplex.Part 1: Physical Layer Analysis[J].IEEE Trans., 1999,48(03): 960-976.

[3] GOEBEL D M, LIOU R R, MENNINGER W L, et al.Development of Liner Traveling Wave Tube Amplifiers for Telecommunications Applications[J].IEEE Trans.Electon Devices, 2001,48(01):74-81.

[4] 楊世恩.多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)帶寬分配算法研究[J].通信技術(shù),2011,44(04): 30.

[5] ACAR G, ROSENBERG C.Algorithms to Compute Bandwidth on Demand Requests in a Satellite Access Unit[EB/OL].(1999-10-11)[2011-03-12].http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sat.817/pdf.

[6] GAREY M R, JOHNSON D S.A Guide to the Theory of NPCompleteness[M].New York: Freeman W H ＆ Co.,1979.

[7] JOHNSON D S, DEMERS A, ULLMAN J D, et al.Worst-case Performance Bounds for Simple One-dimentional Packing Algorithms[J].1974 SIAM J.Comput., 1974,3(04):299-325.