基于多小區(qū)OFDMA網(wǎng)絡的動態(tài)頻譜分配算法

李 斌，李大力，郝 濤

（中國人民解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

在未來無線電的頻譜分配和利用的策略中，使頻譜管理更靈活和在頻譜交易中有更大的經(jīng)濟利益將是頻譜管理新的發(fā)展方向。與日俱增的頻譜競爭和高頻譜利用效率的要求催生了這種新的理念。一個主要的觀點是：由頻譜管理政策導致的頻譜短缺比可用頻譜物理上的不足更加嚴重。因此，頻譜利用率低的問題獲得了廣泛的關注，目的在于找到更好的頻譜管理政策和技術(shù)，使得可用頻譜的使用在時間和空間上都能得到優(yōu)化。

在文獻[1-2]中不同的頻譜接入管理模型被定義。簡單來說動態(tài)頻譜接入管理定義了3種模型：1）動態(tài)專用模型：它根據(jù)時間與空間將頻帶分配給專用的服務和運營者。主用戶（也就是持執(zhí)照的用戶）有特定頻帶的使用權(quán)。但在這種模型下，他們允許將自己的頻譜與其他持執(zhí)照者的頻譜進行交易（為相同或不同的服務）。2）分等級接入模型：它將用戶分為主用戶（持執(zhí)照用戶）和二級伺機接入的認知用戶。這種模型的關鍵在于如何讓次用戶在對主用戶不產(chǎn)生干擾的情況下使用主用戶的頻譜。在這種模型下，主用戶不必對他們的頻譜執(zhí)行高級管理，并且它們可能覺察不到二級用戶的存在。在這種情況下，除非是緊急情況，他們可能不愿意無私地開放他們寶貴的頻譜資源給二級市場使用。3）公用模型：它促進了頻譜的開放共享，盡管沒有政府的規(guī)章體制（在某些情況下）。這種模型能達到最大的頻譜接入效率，由于任何頻譜（有執(zhí)照或沒執(zhí)照）在時間和空間上都能被主用戶和次用戶共享，沒有任何規(guī)章制度。這種新的頻譜接入方式可以叫為Private Commons[2-3]。這種模型與分等級接入模型的主要區(qū)別在于，主用戶都熱心于開放他們的頻譜并為次用戶創(chuàng)造頻譜接入機會，因為他們會對每個二級頻譜接入收取費用。

本文以Private Commons模型為基礎，主運營者執(zhí)行動態(tài)頻譜分配（DSA）策略，以使得頻譜效率最大化?；谶@個目的，主運營者試圖用最小的頻譜保證他們用戶的QoS的同時，在大區(qū)域范圍內(nèi)釋放頻譜塊來創(chuàng)造頻譜接入機會。這樣，主用戶和次用戶都有最大的頻譜使用機會，而主運營者可以從二級市場的頻譜交易中獲得額外的經(jīng)濟利益。實現(xiàn)該策略，有以下兩個技術(shù)要求：

1）靈活的無線電接入技術(shù)：它能使鄰近單元的頻譜匯聚成組，OFDMA可作為候選技術(shù)，因為他的載頻（或一組鄰近的載頻叫頻譜塊）能被匯聚，并分配給不同單元，并且傳輸時用不同功率從而產(chǎn)生頻譜間隙（在整個地區(qū)）。

2）DSA技術(shù)：在無線電接口上考慮：①到網(wǎng)絡負載在時間和空間上的變化自動調(diào)整系統(tǒng)頻譜以滿足主用戶的QoS要求；②減少單元間干擾以增加每個頻率資源的容量（通常受限于SIR）；③匯聚和釋放頻譜（在給定區(qū)域內(nèi)）。

據(jù)此，本文提出一個在多單元OFDMA系統(tǒng)中使用認知無線電的新的DSA算法。實際上，這種多址接入技術(shù)在現(xiàn)在新提出的系統(tǒng)（LTE，WiMax）中是主流，同時它也很適合認知無線電的運行[4-5]。文章中提出的算法與傳統(tǒng)的固定頻率復用相比有以下幾個優(yōu)勢：1）改進了頻譜效率；2）保證了用戶的QoS滿意度；3）使伺機頻譜接入得以實現(xiàn)。

1 DSA結(jié)構(gòu)

圖1描述了應用場景。一個主運營者在一個區(qū)域內(nèi)與二級市場共存。由于DSA的實行，主運營者將他的頻譜與二級市場中獲準可以伺機接入被釋放頻譜的用戶共享。圖1中區(qū)分了兩個區(qū)，一個住宅分區(qū)和一個商業(yè)分區(qū)。這些分區(qū)在每天的不同時候通信量是不同的。所以，DSA試圖調(diào)整頻譜以適應變化，從而為二級市場在低負載的區(qū)域創(chuàng)造頻譜機會。

1）OFDMA系統(tǒng)模型 在OFDMA技術(shù)中，無線電資源在時間和頻率上建立了一個時間-頻率柵格，如圖2所示。在頻率上整個可用頻帶被分成一組鄰近的載波或頻譜塊，同時在時間上分成幀，因此這種接入技術(shù)足夠靈活，從而可以用于DSA。

每個頻譜塊（chunks）的SINR（信號與干擾加噪聲比）用下式計算：

其中，μm，n表示分配給第m個用戶的第n個頻譜塊的SINR，i表示正在服務的單元，j表示所有使用第n個頻譜塊的單元中任何對i產(chǎn)生干擾的單元（這些單元的集合表示為φn）。Pi代表頻譜塊的發(fā)射功率（包括發(fā)射機和接收機的天線增益），Gi，m表示受信道增益控制的距離，Si，m表示衰落，Li，m，n表示依賴于第n個頻譜塊的快速頻率選擇衰落，Pnoise表示總的熱噪聲功率。用戶的傳輸比特率因自適應編碼調(diào)制（ACM）方法不同而不同。一般可用下式來計算每個頻譜塊可達到的比特率[6]：

Rm，n是第n個用戶的比特率，W/N是頻譜塊的頻譜帶寬，BER是誤比特率。從式中可以看出，在理想信道中，Rm，n是依賴于頻譜效率 fm，n的，fm，n在這里限制的最大值是 ηmax=4 bit/s/Hz（相應于64QAM，解碼率為2/3）。

2）DSA控制器 DSA控制器坐落于任一個網(wǎng)絡節(jié)點，它可以控制一系列單元。該機制的目的是為了自適應調(diào)整系統(tǒng)頻譜在長期變化的時空中傳輸，同時保證用戶的滿意度來避免單元間干擾。此外，它還會嘗試釋放不需要的頻率資源給認知用戶使用來提高頻譜使用效率。

這里先定義該模塊的輸入、觸發(fā)和輸出。

輸入：來自于每個DSA控制器控制下的每個單元，包括每個單元的用戶數(shù)量，單元的部署，投入到每個頻譜塊的功率，還有一些QoS指標。

觸發(fā)：DSA算法會周期性地被觸發(fā)，或者當不滿意概率PTth上升到一個給定極限的時候。

輸出：DSA控制器的主要輸出是分配給每個單元的頻譜塊，不同的單元根據(jù)他們的傳輸狀態(tài)分配不同數(shù)量的頻譜塊。同時，為了減少單元間干擾并增加未分配的頻譜塊的數(shù)量，計算系統(tǒng)帶寬內(nèi)的頻譜塊。

2 固定頻率復用和干擾管理

在OFDMA接入技術(shù)中，通常用只允許一個RB分配給一個單獨使用者（在一個給定單元和給定時間）的方法來避免單元內(nèi)干擾。另一方面，由于在時間和空間上傳輸?shù)亩鄻有砸约安煌瑔卧g的傳輸計劃缺少協(xié)作，單元間干擾用計劃機制不能輕易地避免。因此，為了減小單元間干擾，分配系統(tǒng)的頻譜帶給不同單元，不同的頻率復用因子（FRF）被提出。這些FRF是離線配置的[7-8]。

最簡單的FRF配置是FRF=1，即所有頻譜塊在任何單元都是可用的，并且都用相同的功率傳輸。在這個配置中，單元邊緣位置的用戶會有更大的干擾，因為所有鄰近的單元都使用相同的頻率。一個減少這些用戶干擾的方法就是增大FRF，應用FRF=M>1，即將總帶寬分為M等份的子頻帶，并分布在一組有M個鄰近單元的區(qū)域，并在系統(tǒng)其他單元也是如此、所有的頻譜塊也用相同功率傳輸，這種配置降低了單元間干擾，但同時也降低了單元的容量。

還有一些其他的方法[8-9]，將一個單元分成2個區(qū)域inner和outer。單元內(nèi)用戶用位于inner區(qū)域還是outer區(qū)域來區(qū)分它們是中心用戶還是邊緣用戶。C個頻譜塊保留給中心子帶，E個頻譜塊給邊緣子帶（C+E=N）。中心頻譜塊傳輸功率為PC，邊緣頻譜塊傳輸功率為PE（PC≤PE）。中心頻譜塊只給中心用戶使用，同時邊緣用戶可優(yōu)先使用邊緣頻譜塊。此外，中心用戶可能在邊緣用戶的傳輸沒有預定時使用邊緣頻譜塊。注意到，當分配給一單元中心用戶的頻譜塊與鄰近單元分配給邊緣用戶的頻譜塊一樣時，會有最差的SIR。但是，在同等條件下，邊緣用戶卻會增加他們的SIR，因為PC≤PE。圖3直觀的表示了這幾種頻率復用方式。

3 動態(tài)頻譜分配算法

下面介紹的算法能根據(jù)時間和空間上的負載變化，動態(tài)地調(diào)整頻譜以更好地適應網(wǎng)絡條件。為避免浪費頻譜資源并產(chǎn)生頻譜池給二級次用戶使用，根據(jù)每個單元的傳輸負載、信道條件和用戶Qos要求，不同的單元將得到不同數(shù)目的頻譜塊。

下面提到算法DSA1和DSA2與FRF1和FRF3（見圖3），有相同的設置（也就是所有頻譜塊有相同的功率，并且對于頻譜和單元內(nèi)的用戶都沒有中心和邊緣之分）。DSA1算法基于每個單元內(nèi)用戶數(shù)量和吞吐量要求來估計每單元需要的頻譜塊數(shù)量。然而DSA1算法認為頻譜塊的容量是固定不變的，并以此來估計頻譜塊數(shù)量需求。如果每個頻譜塊真實的平均容量與最初估計不同時，就不能很好地調(diào)整每個單元的頻譜塊數(shù)量。DSA2算法會自適應調(diào)整參數(shù)以更好地適應真正的平均容量，結(jié)果能更好地調(diào)整單元要求的頻譜塊數(shù)量。

如圖4所示，算法分兩步執(zhí)行，首先，考慮到單元負載和用戶Qos要求，分配給每個單元的頻譜塊數(shù)量被計算出來。然后，一個減少單元間干擾（分配花費）的分配程序被執(zhí)行從而決定分配給每個單元的頻譜塊（具體到哪一個頻譜塊）。任何DSA算法的目的都是建立一個分配狀態(tài)值Ψ={Ψ1，Ψ2，…，ΨK}，Ψj是分配給單元j的頻譜塊的設置。

1）DSA1算法 第一步：計算分配給每個單元的頻譜塊數(shù)量。頻譜塊的數(shù)量是根據(jù)單元負載來調(diào)整的，所以高負載的單元會得到多數(shù)量的頻譜塊。在系統(tǒng)中給定一個最大的可用頻譜塊數(shù)N，那么分配給第j個單元的頻譜塊數(shù)Nj∈{1，2，…，N}由下式給出：

其中 [x]表示大于或等于x的最小的整數(shù)，Uj表示由第j個單元服務的用戶數(shù)（即負載），Tth表示每個用戶要求的最少吞吐量，k是估計的頻譜塊容量，在DSA1算法中是常數(shù)。實際上，k=（W/N）（ηmax/f），k 的單位是 bit/s，W/N 其中是頻譜塊帶寬，ηmax是理論上的最大頻譜效率，f＞1是一個經(jīng)驗極限系數(shù)，由于差的信道條件獲得的平均頻譜效率是低于ηmax的。所以極限系數(shù)降低了ηmax從而獲得了更接近實際頻譜塊容量的值。對于DSA1來說f是固定的，并離線設置，因此，頻譜塊容量根據(jù)f的值可能會被高估或低估。

第二步：分配頻譜塊給每個單元并計算潛在單元干擾。為了減少單元間干擾，頻譜塊的分配要避免鄰近單元使用相同的頻譜塊。同樣，如果一個單元負載過高，它周圍的單元應不使用相同的頻譜塊，因為這個單元很可能會產(chǎn)生干擾。而一個單元是低負載的，那它周圍的單元應避免使用分配給該單元的少量頻譜塊，因為它可能不利于頻率分集并因此讓干擾效應變得更差?？紤]到這幾點，建立一個K×K的對稱矩陣（K是單元的數(shù)量）。A（i，j）是負載和路徑損耗的形式來表示單元i和單元j之間的關系，用下式表示：

Uj表示單元j內(nèi)的用戶數(shù)（單元負載），R是單元半徑，Lij是單元i的中心到單元j的邊緣的最短距離，δ是路徑損耗指數(shù)?？梢钥闯?，當有關單元有相同負載時，取最小值2，因此可以讓有相同負載的單元使用相同的頻譜塊。另外，因為產(chǎn)生干擾的單元遠離正在服務的單元，使得這些單元的花費更少了。因此分配程序用最小花費（單元間干擾最小）分配給定的單元j其所需的頻譜塊。分配第n個頻譜塊給單元j的花費用下式計算表示分配到第 n 個頻譜塊的一系列單元。

2）DSA2算法 與DSA1中f保持恒定不同，在DSA2根據(jù)單元的不滿意度PjTth來調(diào)整單元的fj，這使得每個頻譜塊比DSA1有更好的容量估計，fj可用下式計算：

其中Δf是階躍極限系數(shù)，PjTth是單元j的不滿意概率，Plow和Pup分別是系統(tǒng)設定的單元不滿意概率的兩個極限。

第一步：計算分配給每個單元的頻譜塊數(shù)量。用式（5）更新了 fj之后，用 kj=（W/N）（ηmax/fj）取代 k，然后用 kj代入式（3）計算出分配給單元j的頻譜塊數(shù)量。DSA2傾向于將不滿意概率保持在Plow和Pup之間，如果不滿意概率低于Plow，將會減少給每個單元的頻譜塊，這就改進了頻譜效率，并為二級認知無線電的使用提供資源。

第二步：分配頻譜塊給每個單元并計算潛在單元干擾。DSA2與DSA1執(zhí)行相同的分配程序。

4 仿真結(jié)果分析

仿真場景設定如下：網(wǎng)絡內(nèi)小區(qū)數(shù)K=19，系統(tǒng)中最大頻譜塊數(shù)量為N=12，小區(qū)的半徑為R=500 m，用戶分布在每個小區(qū)內(nèi)，且每個用戶都被限制在本小區(qū)內(nèi)移動。系統(tǒng)的總帶寬W=3.75 MHz，頻譜塊帶寬W/N=375 kHz，路徑損耗指數(shù)δ=3.76，用戶需要的最少吞吐量Tth=128 kbit/s，最大頻譜效率ηmax=4 bit/s/Hz，經(jīng)驗極限系數(shù) f=2.5，Δf=0.05，Plow=0.1%，Pup=5%。仿真在4種負載分布方式上進行，一個單元內(nèi)的負載在時間上和空間上是不斷變換的，仿真中選定4種情況進行仿真，即19個單元中有最高負載的小區(qū)，其負載占所有小區(qū)總負載的百分比分別為5.26%（即19個單元負載都相同）、10%、15%和22%時。

圖5表示的是每個小區(qū)平均被分配的頻譜塊數(shù)量，可以看到 FRF1、FRF3、PR 和 SR 在任何時候分別需要 12、4、6、12個頻譜塊，DSA1算法所需的頻譜快要少于4個，而DSA2算法需要的頻譜塊最少，因為它能更好估計頻譜塊容量，從而調(diào)整自身參數(shù)以適應系統(tǒng)要求。

圖6表示的是小區(qū)的平均不滿意度概率，平均不滿意概率PTth用下式計算：

圖7表示的是平均頻譜效率，平均頻譜效率用下式計算：

從圖可以看出，DSA1、DSA2和 FRF3的頻譜效率都很高，尤其FRF3，一直保持在3.8，但是圖6中，F(xiàn)RF3的用戶不滿意度也是最高的，這是因為FRF3將頻譜分為3等份分別分配給鄰近的3個小區(qū)，這樣雖然提高了頻譜效率，但是也降低了頻譜容量，這就導致了用戶不滿意度的增高，反觀DSA1和DSA2，不僅有較高的頻譜效率，同時還能保持較低的用戶不滿意度，并且從圖5可以看到，它們還能釋放大量的頻譜塊提供給二級市場。

5 結(jié) 論

該文章在傳統(tǒng)頻率復用和Private Commons模型的基礎上，基于多小區(qū)正交頻分多址接入（OFDMA）系統(tǒng)提出了DSA1和DSA2兩種動態(tài)頻譜分配算法。這種算法對基于OFDMA技術(shù)的4G無線網(wǎng)絡的發(fā)展有很大的促進作用，因為：1）在不降低主用戶QoS的情況下主運營者的頻譜效率得到很大改進；2）為二級市場創(chuàng)造了新的頻譜接入機會，而且頻譜持有者和運營者從這種機會中獲得了經(jīng)濟利益作為報酬。因此，這種算法可以作為一種較靈活的方法來解決當前網(wǎng)絡和其頻譜管理規(guī)章制度的不足之處。

由仿真結(jié)果可看出DSA1和DSA2算法在幾種不同負載的情況下展示出了其應對不同通信環(huán)境調(diào)整頻譜分配的能力。對比傳統(tǒng)的頻率復用模式，該算法改善了系統(tǒng)的頻譜效率將近33%，同時，還改善了用戶的不滿意概率。該算法很好地平衡了頻譜效率和不滿意概率。而且它還能在大的區(qū)域范圍內(nèi)釋放頻譜給二級市場的認知用戶使用。DSA1算法比DSA2算法在頻譜塊到小區(qū)的分配上顯示了其更大的自由度和靈活度。然而從仿真結(jié)果也可以看出，DSA2算法比DSA1算法能更加準確地估計頻譜塊的容量，從而能更好的估算分配給每個小區(qū)的頻譜塊數(shù)量，因而DSA2算法在頻譜效率和用戶不滿意度上都要優(yōu)于DSA1算法。

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