MF-TDMA体制下载波信道管理

杨 杰

（电子科技大学 通信抗干扰国家重点实验室，四川 成都 611731）

0 引言

多频时分多址是一种混合多址方式，它将频分多址技术和时分多址技术的优点结合于一体，因此，它被广泛应用于现代卫星系统和平流层通信系统中。该技术不仅可提供高效的数据流而且同时保持容量分配的灵活性。平流层通信系统的上行传输链路采用该技术是因为大量的连接请求共享有限的系统资源特点。在系统中应用MF-TDMA作为上行链路的多址方式，多载波信道分配用于上行链路接入，时分多址用于每个载波信道内的时隙分配。因此，每一个载波信道被分成许多时隙块分配给多个连接。时隙块被作为分配给每个连接的唯一资源，基于每个通信连接的服务质量（QoS,Quality of Service）要求为每个连接分配固定数目的时隙资源。现考虑两类 QoS参数——数据速率和最大可容忍误码率。整个通信连接阶段，除保证固定数据传输速率外，系统所容许的最大误码率也必须得到保证。因此，MF-TDMA的资源计算和资源分配是重点。

1 信道结构

已知调制方式和数据传输速率后，突发数据长度可通过系统特别查询表唯一决定。虽然选择一种高突发速率的调制方式可以节省时隙资源分配给连接，但会造成误码率的增加。更高的突发速率直接导致更大的误码率，因此，需要在系统容量和QoS之间权衡利弊[1]。

在突发长度计算好之后，接着进行时隙资源的分配。若将 MF-TDMA中的载波/时隙资源占用表看成是一个二维的矩阵（其中行代表不同频率的载波，列表示按时间划分的时隙）在平流层通信系统中分配时隙资源时，必须满足以下两个约束条件：

①分配给终端的维持已知通信连接的一系列时隙资源必须在一个载波频率上连续；

②同一终端分配的时隙资源，在时间上不能重叠且同一个时隙资源不能同时分配给两个连接。

这些约束条件是受平流层通信系统固有硬件发展和可操作性所限制。约束条件①是为了简化时隙分配问题；约束条件②则是受限于终端设备的多频调制器的非线性性，避免生成互调干扰[2-3]。

2 时隙的计算

为了给每一个连接请求分配合理的时隙数，需计算可允许的最大突发速率。一旦突发速率确定下来，所需的调制方式可从特定系统查询表中获得。假设系统采用二进制差分相移键控调制方式，已知误码率 Pb，那么上行链路的信噪比可通过下式计算得出：

同样，每比特位的信噪比取决于变化的环境和系统参数，如链路参数，由式（2）给出：

其中，Pt为发射功率分贝数；Gt为发射天线增益分贝数；Lf为自由空间损失分贝数；Lr为雨水损失分贝数；Lc为因灾难性事件所致损失分贝数；Gc为编码增益分贝数；Gr为接收天线增益分贝数；Rb为每秒突发符号率；k为波尔兹曼常数（1.38× 10−23J K ）；T为系统噪声温度（假定为一常量1 000 K），公式（1）被称作上、下行链路开销方程。

3 资源的计算

资源计算阶段解决为满足QoS要求的资源数[4]。由链路开销公式（1）可知，固定时隙数、误码率和数据传输速率三者相互制约，可通过选择调制方式来协调。这里提出了一种基于马尔科夫模型的预测方法来预测有效降雨量范围内最坏情况下的误码率，然后通过选择调制方式来匹配所预测到的最坏误码率。文献[5]也对相应问题进行了研究。

3.1 马尔科夫模型

马尔科夫模型由80个状态组成。每一个状态代表有效降雨量（以每小时毫米降雨量计算）下的波动变化。状态0～39表示降雨量为 0～39 mm/hr时的波动增加或常量；状态40～79表示降雨量为0～39 mm/hr时波动是否严格减少。这样就可以计算出不同状态转移情况下的相对频率，而相对频率可以用来计算转移概率。因此，该过程可以提供一个对概率转移矩阵P的评估，Pij表示从状态i到状态 j的状态转移概率。

3.2 计算状态转移概率

假设已知连接持续时间且定位N个时间单元（N为整数）。设状态域为Ω，{Pij∶i, j∈Ω} 为马尔科夫过程中所得转移概率。不考虑通常情况下的损耗，假设连接起始时间为零，此刻系统状态为x0。那么在时刻n，系统的状态随机变量为Xn。因此，可以得到 X0=x0，使用降雨量作随机变量Rainrate(x)，状态量为x，如式（3）：

给出一个概率门限值 p0，期望找到一个最小值r使得：

这里使用RN来表示rainrate(Xn)。如果取任意值r（0～39）计算式（4）中左边部分，可以确定满足不等式的最小r值。显然，r一定不小于 rainrate(x0)，否则式（4）左边将为零。因此，只需考虑 r≥rainrate(x0)。对于每一个r，定义S(r) ≡ {i ∈Ω∶rainrate(i)≤r}。

S (r)为降雨量小于或等于r时的一系列状态。不等式左边部分的概率可通过以下公式计算：

3.3 计算时隙数

连接期间的有效降雨量获得后，满足一定误码率所需的突发速率可通过式（1）、式（2）计算得到。使用计算所得突发速率可以找到匹配的调制方式。此时，已知调制方式和数据传输速率，突发的大小（时隙数量）可通过查询系统特定表获得，即建立通信连接所分配（如果可能）的时隙资源数。提供QoS保证的过程如图1所示。

4 资源分配

在资源分配阶段，资源管理器调度资源分配算法将时隙资源分配给升空平台通信中心。高效的分配时隙资源并不是一个小问题，事实上，是一个 NP难题（NP-Hard, Nondeterministic Polynomial-time Hard）问题[6]。

图1 提供QoS保证流程

4.1 载波信道预约优先算法

载波信道预约优先算法作为MF-TDMA体制下的信道资源分配算法，它将信道分为独占信道、共享信道和空载信道。

其中，带有独占信道标志的载波信道只能分配给某一个特定的终端，而共享信道的时隙资源可以分配给不同的终端，即信道被各个终端共享。算法的目的就是利用预约信道的方式，使业务量大的终端尽量独占信道以保证其QoS的要求。在这一过程描述中，已经默认 Nt≤Nc情况，其中Nt和Nc分别表示活动终端和载波信道数。显然，当 Nt＞Nc时，不可能为每一个终端在请求连接时预留一个独立信道，导致一些载波信道被强制成为共享信道。这种情况破坏了信道预约的有效性，应尽量降低出现这种可能性的出现。算法流程图如图2所示。

图2 载波信道预约优先算法流程

在图2中，用流程图展示了载波信道预留的优先算法步骤。时隙分配阶段，一旦载波信道被选择，突发被分配到载波信道内最小空时隙处，但要有足够的空间。

5 结语

这里对MF-TDMA体制下的载波信道管理方法展开了讨论。一种新的载波信道分配算法应用于设计中，分为两个步骤，确定时隙资源数和时隙资源的分配。研究结果显示，该算法比首先适应算法和最佳适应算法[7]在资源利用率和拒绝率方面有更好的表现。由于其高效性、稳定性和可实现性，该算法可应用于平流层通信系统中。

[1] 王新, 李宝平.CDMA/SDMA系统性能分析[J].通信技术, 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] 杨世恩.多业务网络动态带宽分配算法研究[J].通信技术,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.