一種基于對等協作的動態頻譜分配算法

張彭園,仝 曉,譚國平

(河海大學，江蘇 南京 211100)

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一種基于對等協作的動態頻譜分配算法

張彭園,仝 曉,譚國平

(河海大學，江蘇 南京 211100)

隨著無線多媒體技術的發展，優質頻譜資源越來越稀缺。針對頻譜稀缺和頻譜共享問題，提出了一種基于對等協作的動態頻譜共享算法。運營商將自己的授權頻譜資源部分或全部放入共享頻譜池，并根據節點感知到的頻譜的使用狀況，平等分配該頻譜池中的所有資源。仿真結果表明，所提的對等協作方案在運營商間沒有信息交互的情況下，網絡性能明顯優于靜態頻譜分配方案，并且非常接近運營商間完全信息交互的頻譜共享方案。

頻譜稀缺；動態頻譜管理；對等協作；頻譜共享

多媒體技術及各種無線通信技術的不斷發展，導致人們對頻譜資源的需求與日俱增。近年來，無線頻譜資源拍賣價格不停上漲，為了獲得更多的頻譜資源，移動網絡運營商需要付出更多的代價，這使得運營商面臨頻譜資源短缺的問題。因此，如何提高頻譜的利用率，解決頻譜稀缺的問題已經越來越受到研究者的關注。

家庭基站(Femtocell)技術有效解決了室內覆蓋問題，提高了頻譜的利用率[1]。據統計，由于多媒體技術的發展和用戶終端的大規模使用，移動數據的80%產生自室內用戶，室內移動通信已經占據了目前無線通信的主導地位[2]。

動態頻譜分配技術有效地提高了無線頻譜的利用率。在固定頻譜分配方式中，政府通過將頻譜資源許可證頒發給運營商的方式來進行管理。這種方式雖然能夠有效地防止不同無線網絡之間的干擾，同時對頻譜進行統一管理，但會導致頻譜利用率低下，因為隨著時間和空間不斷變化，無線系統對頻譜的需求也是不斷變化的。聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)于2002 年驗證了頻譜分配理論和實際通信之間的差異：即使將優質頻譜資源整體分配給運營商，頻譜空洞仍然存在。動態頻譜資源管理技術可以根據不同系統的業務負載，動態調整共享頻譜資源，將時域或頻域上閑置頻譜資源充分利用起來以滿足當前通信業務的需求，同時不斷提高數據傳輸速率和用戶的通信質量，成為目前研究的熱點。文獻[3]研究了集中式頻譜共享技術。每個運營商競價使用頻譜資源，集中服務器根據出標價，最大化其頻譜效益。運營商決定給哪些用戶提供服務，用戶根據業務類型選擇相應的運營商。該策略與頻譜平均策略相比，出價策略可以獲得更高的吞吐量和相應的效益。然而集中式共享技術需要運營商將授權頻譜的管理權交給集中控制器，這與網絡更加扁平化趨勢相反。分級接入頻譜共享方案中[4-6]，運營商的用戶終端在接入異運營商頻譜資源時存在主次之分，這不利于頻譜資源的充分競爭。文獻[7]結合了分布式與分級共享頻譜共享方案，無線網絡服務商共享同一頻譜段，家庭基站接入點(Femtocell Access Point，FAP)根據用戶的服務質量需求與干擾FAP 相互競爭，獲得頻譜使用的優先權，該方案需要運營商無差別地獲得異運營商基站信息，這與運營商的利益沖突。

本文提出了運營商間基于對等協作策略的授權頻譜資源共享方案，并在家庭基站密集部署的情形下進行仿真研究。和以往的研究相比，本方案中的運營商在使用異運營商的授權頻譜時，不需要獲得異運營商的基站信息，且雙方沒有主次之分，平等使用對方授權頻譜資源，既避免了異運營商之間的敏感信息問題，又可以獲得較好的網絡性能。

2 系統模型和問題描述

2.1 系統模型

隨著大規模部署家庭基站，家庭基站間的干擾將大大增強。本文使用的模型是家庭基站密集部署模型[8]。如圖1所示，網絡是由依次相鄰的房間組成的，每個房間內部署有一個處于閉合用戶組(Closed Subscriber Group, CSG)模式的FAP，即只有授權用戶設備(User Equipment,UE)才可以接入相應的房間FAP，且UE是隨機分布在房間內的。這里假設UE 只能接入同一房間內的FAP，如UE1只能接入同一房間內的FAP1；每個FAP可能屬于不同運營商(如FAP1可以屬于運營商A，而FAP2屬于運營商B)，UE隨機分布在房間內部。本文假設FAP均可感知到鄰基站的頻譜使用情況，且只考慮家庭基站的同層干擾問題，不考慮異構網絡場景的跨層干擾問題。

圖1 系統模型

2.2 問題描述

當兩個節點接入網絡時，相鄰網絡節點相互影響，就會形成干擾鄰居關系。在單一運營商場景，網絡節點之間載波選擇算法。在載波選擇的過程中，網絡節點能夠得到無線資源分配表和背景干擾矩陣兩表，根據無線資源分布情況和干擾關系選擇載波[9]。本文主要考慮的是多運營商場景。此場景中，運營商之間分享自己的授權頻譜，將自己的頻譜放入虛擬頻譜池。因為網絡節點共享頻譜池，不同運營商的網絡節點勢必會相互影響。節點的干擾鄰居可能為異運營商的網絡節點，如圖2所示頻譜共享網絡拓撲結構。例如，QA1和QA2為同一運營商內的干擾鄰居，但QB1是QA2的異運營商干擾鄰居，如何協調不同運營商網絡節點的頻譜接入是當前面臨的問題。

圖2 兩運營商場景的節點拓撲結構圖

3 對等協作算法

運營商A的網絡節點在接入運營商B的頻譜資源時，與運營商B網絡節點平等競爭接入。運營商B網絡節點很容易掌握自己的授權頻譜的信道質量情況，因為一些利益關系，運營商B將自己的網絡參數視為敏感信息，不愿與運營商A分享，這就會導致運營商間信息不對稱情況。理論上，用戶終端是可以通過測量得到非注冊運營商網絡節點的頻譜使用情況，這給運營商網絡節點通過感知周圍無線環境，測量其非注冊運營商網絡節點的頻譜占用情況和信道質量提供了可能。本文提出一種對等協作算法，運營商A的網絡節點通過其下行接收機或者注冊UE的測量報告，平等競爭接入運營商B的頻譜資源，算法流程如圖3所示。

圖3 流程圖

算法描述如下：

Step 1，FAP 開機后通過其下行接收機測量其周圍無線環境或通過其注冊UE 上報的測量報告獲得無線資源分布情況和信息通信質量，確定鄰居關系。

Step 2，FAP 根據其測量到的鄰居FAP(包括異運營商FAP)對其的干擾信息和當前無線資源分布情況，使用自主分量載波選擇算法(ACCS)[10]接入頻譜資源(包括異運營商的授權頻譜資源)。

Step 3，FAP通過廣播信道通知同一運營商的基站更新其頻譜資源占用情況。當無線業務變化時，觸發Step 1，繼續接入更多或釋放的頻譜資源。

4 仿真分析

本文使用 MATLAB 仿真平臺，驗證了對等協作算法對網絡中的性能增益。仿真采用文獻[11]提出的FAP 密集部署模型，表1所示為本仿真使用的主要參數。A和B運營商的家庭基站在每個房間的分布概率相同，每個房間只部署一個家庭基站。仿真場景為2×10×2 雙排模型，如圖4所示，房間大小均為10 m×10 m，每個房間隨機放置一個CSG 模式的FAP 且隨機部署5個UE，UE 只能接入同一房間內的FAP，基站開機時選擇載波且每個FAP 開機順序是隨機的，房間中的FAP 屬于哪個運營商時也是隨機的。本文不考慮CC 類型的差異性，FAP的下行接收機在所有載波上均以同樣功率發射。本仿真使用輪詢包調度方式和全緩存業務模型。

表1 主要參數

圖4 仿真場景

仿真中網絡系統頻譜效率參考[12]

式中：S為頻譜效率；SINReff為信干噪比效率；BWeff為系統的等效帶寬；SINRmin為最小吞吐量時的信干噪比；SINRmax為最大吞吐量時信干噪比。仿真參數設置如下：SINReff=2 dB，BWeff=0.56/dB，SINRmax=32 dB，SINRmin=-10 dB。

本文重點分析了4種不同方案的頻譜效率、小區邊緣用戶中斷概率以及SINR的累積分布函數：

方案1，運營商間無頻譜資源共享，無信息交互場景(No Sharing and No Information，NSNI)；

方案2，運營商間共享頻譜資源，無信息交互場景(Sharing and No Information，SNI)；

方案3，運營商間共享頻譜資源，無信息交互，對等協作場景(Proposed)；

方案4，運營商間共享頻譜，完全信息交互，對等協作場景(Sharing and fully Information, SfI)。

圖5和圖6分別為頻譜效率累積分布函數圖和SINR的累積分布函數圖。通過分析可知，本文提出的對等協作算法比NSNI和SNI方案的頻譜效率以及SINR 要好很多，并且非常接近無差別的頻譜共享方案SfI，這說明只要網絡節點的認知能力足夠強，就能夠通過分布式獲得大部分的異運營商基站的無線資源分布情況。

圖5 頻譜效率累積分布圖

圖6 SINR累積分布圖

圖7為當中斷功率為-6 dB時的各場景中斷概率，很明顯本文提出的方案、SNI方案、SfI方案的小區邊緣用戶中斷概率比NSNI小很多，這說明頻譜共享對提升網絡整體性能幫助巨大。與此同時，對等協同方案和SfI方案的中斷概率很接近。

圖7 用戶中斷概率柱狀圖

由上面分析結果可知，頻譜共享方案的性能增益要好于非頻譜共享方案的增益，信息交換場景比不信息交換的場景性能增益高。對等協作算法雖然沒有向異運營商小區更新頻譜占用信息，但是其各方面網絡性能均非常接近運營商間的完全信息交互場景。

5 小結

針對現有的動態頻譜分配方案未能充分考慮授權頻譜接入的公平性問題，提出了對等協作的動態頻譜資源接入方案。該方案中，運營商的網絡節點接入異運營授權頻譜資源時與異運營商的網絡節點有同等的權利，運營商網絡節點使用認知無線電技術，協調因信息不全而導致的干擾問題，提高了頻譜的利用效率，允許不同運營商的網絡節點在干擾允許的情況下共用同一信道。本文對比4 種不同的動態頻譜資源分配方案，驗證了公平競爭的無差別頻譜接入方案優勢。該對等協同策略不僅僅適用于授權頻譜的共享，同樣適用于非授權頻譜的使用。

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責任編輯：許 盈

Dynamic Spectrum Allocation Algorithm Based on Equality and Collaboration

ZHANG Pengyuan, TONG Xiao, TAN Guoping

(HohaiUniversity,Nanjing211100，China)

With the development of wireless multimedia technology, high-quality spectrum resources are increasingly scarce.To solve the spectrum scarcity and sharing problem and improve the spectrum efficiency, a dynamic spectrum sharing scheme is proposed in this thesis, in which a co-primary spectrum algorithm is presented to help operators share their licensed spectrum.The operators share their spectrum resource into a spectrum pool and they are equal to reuse the resource of the spectrum pool, according to the usage of the spectrum which nodes have perceived.The simulation results show that the proposed scheme is better than fixed spectrum management, and the performance is close to the fully information exchanging algorithm when the operators sharing no information exchange.

spectrum scarcity;dynamic spectrum management;co-primary;spectrum sharing

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.07.034

2014-07-23

【本文獻信息】張彭園,仝曉,譚國平.一種基于對等協作的動態頻譜分配算法[J].電視技術,2015，39(7).