蜂窩移動通信系統頻譜資源分配算法的研究

緒論

第三代移動通信(簡稱3G)技術已經進入市場應用和推廣，世界各大研究機構己把重點轉入到第四代移動通信技術的研究上。蜂窩移動通信系統的特點是將較大的區域劃分為若干個較小的小區，在每個小區的全部或是部分共同使用同一頻譜。由于頻譜資源有限，在不同小區，甚至是相鄰小區可能會出現同時使用某一頻譜的情況，使無線信號空間隔離達不到要求，這樣必然會出現共道干擾的情況，影響數據傳輸的質量和通信的效果，情況嚴重時，甚至是無法實現正常的數據傳輸。如何使小區之間干擾在不增加的情況下提高頻譜利用率，是移動通信研究問題的關鍵之一。

OFDMA技術

OFDM(orthogonal frequency division multiple-xing)技術是一種在無線環境下的高速多載波傳輸技術，在頻域內通過將給定信道分成許多正交子信道，每個子信道上使用一個子載波進行信號調制，各子載波并行傳輸。OFDAM技術能有效地抑制無線信道的時間彌散所帶來的符號間干擾(ISI，inter symbol interference)，可靈活地進行頻率選擇，方便地實現頻譜管理，是公認的比較容易實現頻譜資源控制的方法，目前無線通信領域的新興技術幾乎都以OFDM 為核心，OFDM 技術已經成為下一代無線通信技術的主流。

集中式動態資源分配與分布式動態資源分配算法

在移動通信系統中，比較典型的通信頻譜分配算法主要有兩種，一種是集中式動態資源分配，另一種是分布式動態資源分配。

在集中式動態資源分配算法中，頻譜的分配由控制中心來決定，用戶和基站只是參與策略的實施，負責收集信道信息，然后將信息反饋到控制中心。控制中心根據掌握的整個區域的信息情況，按照最佳的分配算法進行頻譜資源的分配，為此，控制中心要付出計算復雜度高、延遲時間長的代價。

在分布式動態資源分配算法中，頻譜分配策略是由用戶或基站決定，他們相互之間可以是獨立的，也可以有一定的合作關系。在此算法中，由于信號攜帶的信息量少，計算復雜度也大大地降低，具有一定的優勢。

在采用OFDMA 技術的現代通信系統中，由于存在頻率選擇性衰落，必須針對每個子載波進行信息交互，因此，完全的集中式算法和分布式動態算法在OFDMA系統中都比較很難實現。究其主要原因，一是傳統算法將事先確定的信噪比（SINR）門限加于接收信號上，但現代寬帶數據通信系統采用的是動態的自適應編碼和調制，發射機和接收機采用的編碼和調制技術也不一定相同，而且SINR的不同，系統的吞吐量也是不同的。其次是傳統算法都是基于平坦衰落的，信道信息只要和一個頻譜相一致就可以，算法比較簡單，而現代寬帶無線通信系統為了對抗頻率選擇性衰落有著更多的選擇，用戶的數據傳輸速率要求也有很大的不同。第三是現代寬帶無線通信系統中信道信息量較高，計算復雜。完全的分布式算法在平衡系統通信狀況方面存在較大困難，而且受信道的影響較大難以實現。

按優先級的多小區間資源分配的算法

為了克服以上兩種通信頻譜分配方式的因維，在以OFDMA技術為物理傳輸層的移動通信系統中，提出一種按優先級的多小區間動態頻譜資源分配的算法，在進行資源分配之前，先計算每個小區在上個時間段的頻譜利用率，根據頻譜利用率的大小不同，確定小區載波分配的優先級，按優先級的不同進行載波再分配，從而達到有效地使用載波，減少小區間的共道干擾問題，提高載波的效率和系統的容量。

·算法描述

為了分析按優先級進行小區間資源分配算法對系統性能影響的方便，假設蜂窩移動通信系統中的每個小區有且只有一個基站，每個基站向其所在小區的用戶傳輸數據時的功率保持不變，在此基礎上，獲得每個小區在此時間段能夠使用的子信道個數，再與每個小區實際占用的子信道個數作比較，獲得在此時間段小區分配子信道的優先級，按照小區的優先級順序為小區分配下一時間段子信道個數，框圖如圖1所示。

·仿真實驗及結果分析

不失一般性，假設一個蜂窩移動通信系統中包含有7個緊密相連的小區，每個小區都是一個半徑相同的正六邊形的區域，正六邊形的半徑為600米。每個小區設立一個基站，基站置于小區的中心處。在每個小區中有10個用戶，隨機分布于小區的各個位置。如圖2所示某一時刻的系統拓撲圖。

假設系統可用的總帶寬為1 MHz，被分成64個子載波。每個子載波的噪聲功率譜密度一樣，都為1．0€?0-9。在這個系統中小尺度衰落采用6徑瑞利衰落信道，時間延遲為[1 2 5 16 23 50]微秒，功率衰落為[-30 -2 -6 -8 -10]dB。用Simulink在MB一OFDM系統平臺上仿真，仿真結果如圖2。

圖3是當小區半徑為600米時，大尺度衰落的參數分別為：K=1.0€?0-5， d0=1000m，€%Z=4時的系統性能圖。其中橫坐標表示的是進行的算法實驗次數， 縱坐標表示每次算法結束后的所獲得的系統的總容量。

圖4是當小區半徑為60米時，大尺度衰落參數分別為：K=1.0€?0-5，d0=lm，€%Z=4時的微蜂窩通信系統的系統性能圖。

由圖3、4可以很容易就看出，論文中提出的以上一時刻小區的資源使用情況為根據，按小區的優先級進行小區間資源分配的算法，比隨機進行的小區間資源分配算法系統性能得到了一定的提高，而比未進行任何資源分配算法的系統性能要大很多。

將圖3和圖4相結合來看，不論是在半徑較大（R=600m）的宏蜂窩通信系統中，還是在半徑較小(R=60m)的微蜂窩通信系統中，將三種算法的系統性能優劣方面進行比較，可以看出：依然是論文中所提出的算法對提高系統性能的貢獻最大。

采用隨機資源分配算法后的系統性能與進行資源分配之前的系統性能之比不到2，采用論文所提資源分配算法后的系統性能與進行資源分配之前的系統性能之比大于5.5。進一步說明采用文中所提的多小區資源分配算法可以在一定程度上提高系統的性能。

結束語

通過針對蜂窩移動通信系統中多小區間資源分配算法進行研究，在物理層采用OFDMA技術的蜂窩移動通信系統中，提出根據控制中心從當前所有基站收集的小區使用頻譜資源的狀況來計算，得到每個小區的頻譜資源分配優先級，以此用作為下一個時間段進行資源分配時的標準，實現自適應多小區資源分配。仿真結果表明，采用按照優先級進行小區間資源分配算法的系統性能顯然要比不采用該算法的系統性能有十分明顯提高。

（作者單位：武漢鐵路職業技術學院）