基于認知無線電的動態信道分配算法

范 敏，宋曉勤

(南京航空航天大學，江蘇南京 210007)

0 引言

TD-SCDMA系統上下行鏈路分別在不同的時隙內進行通信以實現時分雙工。具有靈活高效的無線傳輸能力，使得動態信道分配(Dynamic Channel Allocation，DCA)成為不可或缺的一項重要技術［1］。其目的就是盡可能有效地利用有限的信道資源，以提供盡可能多的接入用戶，并保證接入鏈路質量。

根據功能可把DCA劃分為慢速DCA和快速DCA。慢速DCA是指把整個網絡資源分配給不同的小區，而快速DCA則是把分配給不同小區的資源再分配給小區中的不同用戶［2］。但隨著用戶數的增加，蜂窩小區細分，越區頻繁，對用戶說來，通話中斷率上升比信道阻塞更加嚴重;同時多數算法只著眼于固定頻率，而忽略了其他空余頻帶資源，對極度緊張的頻率資源來說這是相當浪費的，因此這里引入了認知無線電的概念，提出了一種基于可移動邊界算法的有效的頻帶轉移算法。

1 邊界可移動動態信道分配(MB DCA)

MB DCA是一種可靠的，并且很有效的提高頻帶利用率的動態信道分配方案。

它的基本思想為:將下行鏈路4個業務時隙中的2個分配給語音業務，2個分配給數據業務。在業務實施過程中數據業務可借用空閑語音業務信道進行數據傳輸，語音呼叫到來時，可強占被數據業務借用的信道。語音呼叫到達時，如果語音業務時隙中有2個或2個以上的空閑BRU，就可以進行語音通信，否則該語音呼叫就會發生阻塞;在數據業務借用空閑語音業務信道時，將語音業務信道分成較小的分組。如果語音業務時隙內有零散的BRU空閑，則需要進行信道調整，將這些空閑BRU調整到一個時隙內，然后被借用來進行數據傳輸［3］。

2 基于認知無線電的MB DCA算法

上述算法的動態資源分配提高了系統利用率，同時也體現了多數動態信道分配算法的局限性——只著眼于固定頻段。圖2是對Berkeley商業區的0～6 GHz頻譜利用率的實際測試。

圖1 Berkeley地區的頻譜使用率

從圖1可以明顯地看出在3 GHz以下的某些頻段和3～5 GHz之間的大部分頻段的頻譜利用率很低。在此情況下，可以依靠認知無線電技術配合動態信道分配方案達到提升性能的效果。

認知無線電(Congniteve Radio，CR)能夠依靠人工智能的支持，感知無線通信環境，根據一定的學習和決策算法，實時自適應地改變系統工作參數，動態地檢測和有效地利用空閑頻譜。資源分配模塊通過獲得的相關參數，動態調整載波、時隙和碼道，將業務分配到空閑的頻段上去，這樣既提高了提高整個頻帶資源的利用率，又增加了系統業務容量，還減少了系統內系統間干擾［4］。

對于認知無線電采用有中心控制的頻譜分配算法，即“只要頻譜所有者還有子信道供自己使用，認知用戶就可以繼續使用頻譜的該子信道”的原則［5］。采用“干擾溫度”的機制來控制和管理非授權用戶對授權用戶產生的干擾。系統設定一個保證授權用戶正常運行的干擾溫度門限，該門限由授權用戶能夠正常工作的最壞信噪比水平決定［6］。認知無線電在各頻段連續不斷地檢測是否有授權用戶在發射信號，若檢測到授權用戶信號，則認為授權用戶存在，非授權用戶暫時不使用該頻段;反之，非授權用戶可以利用該頻段傳送信息［7］。

在非授權用戶獲得資源后，對“干擾溫度”使用正常、預警和逃離三級分配方案。具體算法如下:

①在用戶數量少、資源充足的情況下正常使用TD-SCDMA規劃的頻譜碼道等資源。

②當有新接入用戶時，靈活采用邊界可移動策略動態接入用戶;同時利用認知無線電技術實時感知空閑頻率資源。

③在MB DCA策略產生一定數量擁塞的情況下，實施頻帶轉移策略。根據認知無線電感知的頻率環境情況，以非授權用戶的身份向授權用戶申請使用該段頻率資源。

④如果申請成功，則將該頻段分配給新增用戶。采用相應的載波、碼道等分配方案，保證通行質量，同時啟用“干擾溫度”測量程序。

⑤當“干擾溫度”處于正常階段時，新用戶可繼續使用資源;當“干擾溫度”到達“預警”階段時，用戶處于保護狀態，RNC進入頻帶轉移策略狀態。如果申請到新的頻帶資源，則重復步驟③，用戶進入逃離階段;若資源申請失敗，則產生擁塞。

算法基本流程如圖2所示。

圖2 算法基本流程圖

該算法改進了MB DCA分配方案，結合認知無線電技術將空閑頻率充分利用起來，事實上是現有資源在頻率上的搬移，使得系統容量在理論上成倍增加。但是在實際處理過程中會遇到諸多麻煩。比如如何實現空閑資源的準確實時的感知;介于可移動邊界分配策略與頻帶轉移策略的分界點在什么情況下有最佳分配效果;干擾溫度的選取等等。這些都將影響到該算法的性能，因此需要在實施過程中加以修正。

3 仿真結果分析

為了比較頻帶轉移策略與普通邊界可移動分配策略的系統性能，對語音業務阻塞率、數據業務掉包率和系統吞吐量進行計算機仿真。

仿真的假設條件如下:

正常情況下最大可用信道資源為24;

①語音業務和數據業務的到達量為隨機產生，且服從Poisson分布(取整);

②在仿真MB DCA階段，如果產生了3個或3個以上的擁塞，則實施頻帶轉移策略;

③對“干擾溫度”的設置:在授權用戶的信噪比(包括非授權用戶在內皆視為授權用戶的噪聲)門限設定為-3 dBm。具體分段設置為:

④對于是否有空閑頻帶資源提供使用:在未知頻率狀態情況下，非授權用戶資源申請是否成功，由隨機產生，同時服從二項分布。

在上述假設條件下，編寫了仿真代碼，經過調試得到一定結果。

仿真結果及對比情況如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 語音呼叫的阻塞率對照

圖4 數據掉包率對照

圖5 平均吞吐量對照

從仿真結果圖可以明顯看到，運用新算法以后，在借用到其他頻段的情況下，語音業務能夠隨時接入，使得呼叫阻塞率有明顯降低。在語音業務量、數據業務量都較小的情況下語音呼叫阻塞率幾乎為0;從數據包掉包率對比圖中可以看出掉包率有所減少，且在低業務量的情況下，效果更明顯;算法改進后大大提高了系統的平均吞吐量:從300提升到520，提高了將近73.3%，為業務拓展提供了廣闊的空間。

4 結束語

經過算法的改進，充分利用了空閑的頻帶資源，有效地降低了語音業務阻塞率和數據掉包率，很大程度上提升了系統的吞吐量。但是在本算法中未能將認知無線電的干擾溫度進行深入的探討，因此有待進一步研究。

［1］李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統標準［M］.北京:人民郵電出版社，2003:33-39.

［2］蔡晶晶.TD-SCDMA無線資源管理動態信道分配算法研究［D］.上海交通學，2006:18-19.

［3］石文孝.基于 TD2SCDMA系統的快速動態信道分配方案［D］.吉林大學，2007:2-3.

［4］周僑.認知無線電網絡中的動態信道分配技術研究［D］.浙江大學，2008:17-20.

［5］CAPAR F，MARTOYO I，WEISS T，et al.ComParison of Band width Utilization for Controlled and Uncontrolled Channel Assignment in a Spectrum Pooling System［J］.VTC2002，IEEE，2002，92(2):271-294.

［6］PENG M，WANG W.A NovelDynamicChannel Allocation Scheme to Support Asymmetrical Services in TDD-CDMA Systems［M］.ICCT 2003，Beijing，China，39:20-25.

［7］HAYKIN A.CognitiveRadio:Brain-EmPowere Wireless Communieations［J］.IEEE Journal，2005，23(5):31-39.