基于认知无线电的动态信道分配算法

范 敏，宋晓勤

(南京航空航天大学，江苏南京 210007)

0 引言

TD-SCDMA系统上下行链路分别在不同的时隙内进行通信以实现时分双工。具有灵活高效的无线传输能力，使得动态信道分配(Dynamic Channel Allocation，DCA)成为不可或缺的一项重要技术［1］。其目的就是尽可能有效地利用有限的信道资源，以提供尽可能多的接入用户，并保证接入链路质量。

根据功能可把DCA划分为慢速DCA和快速DCA。慢速DCA是指把整个网络资源分配给不同的小区，而快速DCA则是把分配给不同小区的资源再分配给小区中的不同用户［2］。但随着用户数的增加，蜂窝小区细分，越区频繁，对用户说来，通话中断率上升比信道阻塞更加严重;同时多数算法只着眼于固定频率，而忽略了其他空余频带资源，对极度紧张的频率资源来说这是相当浪费的，因此这里引入了认知无线电的概念，提出了一种基于可移动边界算法的有效的频带转移算法。

1 边界可移动动态信道分配(MB DCA)

MB DCA是一种可靠的，并且很有效的提高频带利用率的动态信道分配方案。

它的基本思想为:将下行链路4个业务时隙中的2个分配给语音业务，2个分配给数据业务。在业务实施过程中数据业务可借用空闲语音业务信道进行数据传输，语音呼叫到来时，可强占被数据业务借用的信道。语音呼叫到达时，如果语音业务时隙中有2个或2个以上的空闲BRU，就可以进行语音通信，否则该语音呼叫就会发生阻塞;在数据业务借用空闲语音业务信道时，将语音业务信道分成较小的分组。如果语音业务时隙内有零散的BRU空闲，则需要进行信道调整，将这些空闲BRU调整到一个时隙内，然后被借用来进行数据传输［3］。

2 基于认知无线电的MB DCA算法

上述算法的动态资源分配提高了系统利用率，同时也体现了多数动态信道分配算法的局限性——只着眼于固定频段。图2是对Berkeley商业区的0～6 GHz频谱利用率的实际测试。

图1 Berkeley地区的频谱使用率

从图1可以明显地看出在3 GHz以下的某些频段和3～5 GHz之间的大部分频段的频谱利用率很低。在此情况下，可以依靠认知无线电技术配合动态信道分配方案达到提升性能的效果。

认知无线电(Congniteve Radio，CR)能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱。资源分配模块通过获得的相关参数，动态调整载波、时隙和码道，将业务分配到空闲的频段上去，这样既提高了提高整个频带资源的利用率，又增加了系统业务容量，还减少了系统内系统间干扰［4］。

对于认知无线电采用有中心控制的频谱分配算法，即“只要频谱所有者还有子信道供自己使用，认知用户就可以继续使用频谱的该子信道”的原则［5］。采用“干扰温度”的机制来控制和管理非授权用户对授权用户产生的干扰。系统设定一个保证授权用户正常运行的干扰温度门限，该门限由授权用户能够正常工作的最坏信噪比水平决定［6］。认知无线电在各频段连续不断地检测是否有授权用户在发射信号，若检测到授权用户信号，则认为授权用户存在，非授权用户暂时不使用该频段;反之，非授权用户可以利用该频段传送信息［7］。

在非授权用户获得资源后，对“干扰温度”使用正常、预警和逃离三级分配方案。具体算法如下:

①在用户数量少、资源充足的情况下正常使用TD-SCDMA规划的频谱码道等资源。

②当有新接入用户时，灵活采用边界可移动策略动态接入用户;同时利用认知无线电技术实时感知空闲频率资源。

③在MB DCA策略产生一定数量拥塞的情况下，实施频带转移策略。根据认知无线电感知的频率环境情况，以非授权用户的身份向授权用户申请使用该段频率资源。

④如果申请成功，则将该频段分配给新增用户。采用相应的载波、码道等分配方案，保证通行质量，同时启用“干扰温度”测量程序。

⑤当“干扰温度”处于正常阶段时，新用户可继续使用资源;当“干扰温度”到达“预警”阶段时，用户处于保护状态，RNC进入频带转移策略状态。如果申请到新的频带资源，则重复步骤③，用户进入逃离阶段;若资源申请失败，则产生拥塞。

算法基本流程如图2所示。

图2 算法基本流程图

该算法改进了MB DCA分配方案，结合认知无线电技术将空闲频率充分利用起来，事实上是现有资源在频率上的搬移，使得系统容量在理论上成倍增加。但是在实际处理过程中会遇到诸多麻烦。比如如何实现空闲资源的准确实时的感知;介于可移动边界分配策略与频带转移策略的分界点在什么情况下有最佳分配效果;干扰温度的选取等等。这些都将影响到该算法的性能，因此需要在实施过程中加以修正。

3 仿真结果分析

为了比较频带转移策略与普通边界可移动分配策略的系统性能，对语音业务阻塞率、数据业务掉包率和系统吞吐量进行计算机仿真。

仿真的假设条件如下:

正常情况下最大可用信道资源为24;

①语音业务和数据业务的到达量为随机产生，且服从Poisson分布(取整);

②在仿真MB DCA阶段，如果产生了3个或3个以上的拥塞，则实施频带转移策略;

③对“干扰温度”的设置:在授权用户的信噪比(包括非授权用户在内皆视为授权用户的噪声)门限设定为-3 dBm。具体分段设置为:

④对于是否有空闲频带资源提供使用:在未知频率状态情况下，非授权用户资源申请是否成功，由随机产生，同时服从二项分布。

在上述假设条件下，编写了仿真代码，经过调试得到一定结果。

仿真结果及对比情况如图3、图4和图5所示。

图3 语音呼叫的阻塞率对照

图4 数据掉包率对照

图5 平均吞吐量对照

从仿真结果图可以明显看到，运用新算法以后，在借用到其他频段的情况下，语音业务能够随时接入，使得呼叫阻塞率有明显降低。在语音业务量、数据业务量都较小的情况下语音呼叫阻塞率几乎为0;从数据包掉包率对比图中可以看出掉包率有所减少，且在低业务量的情况下，效果更明显;算法改进后大大提高了系统的平均吞吐量:从300提升到520，提高了将近73.3%，为业务拓展提供了广阔的空间。

4 结束语

经过算法的改进，充分利用了空闲的频带资源，有效地降低了语音业务阻塞率和数据掉包率，很大程度上提升了系统的吞吐量。但是在本算法中未能将认知无线电的干扰温度进行深入的探讨，因此有待进一步研究。

［1］李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准［M］.北京:人民邮电出版社，2003:33-39.

［2］蔡晶晶.TD-SCDMA无线资源管理动态信道分配算法研究［D］.上海交通学，2006:18-19.

［3］石文孝.基于 TD2SCDMA系统的快速动态信道分配方案［D］.吉林大学，2007:2-3.

［4］周侨.认知无线电网络中的动态信道分配技术研究［D］.浙江大学，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.