江 莎，江曉華，熊載禹

(1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065；2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌615000；3.貴州航天天馬機電科技有限公司，貴州 遵義563000)

寬帶無線頻譜分配建模研究

江 莎1，江曉華2，熊載禹3

(1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065；2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌615000；3.貴州航天天馬機電科技有限公司，貴州 遵義563000)

隨著無線通信的發(fā)展，研究如何提高頻譜利用率的方法是必然趨勢。本文將具有不同特性的靜態(tài)頻譜，競拍頻譜以及動態(tài)頻譜進行聯(lián)合分配研究。對頻譜可用性特性指標和基于M-LWDF算法的服務質量指標進行了詳細的分析說明。并提出了一種有序匹配算法。該算法通過頻譜可用性和服務質量指標的有序對應匹配，實現(xiàn)多種頻譜資源相結合環(huán)境下的頻譜分配方案。并通過與隨機分配、先靜態(tài)、后動態(tài)的分配方案進行對比，用MATLAB仿真工具驗證了該算法在平均總速率、平均失敗次數(shù)等方面的優(yōu)越性。

頻譜分配;頻譜可用性;有序匹配算法

前言

日前，無線網(wǎng)絡的快速發(fā)展刺激著人們對各種網(wǎng)絡應用需求呈現(xiàn)爆炸式增長，要求無線通信技術提供更多更好的服務。但傳統(tǒng)頻譜往往采用固定分配方式，因此可供分配的頻譜資源日漸缺乏[1]。故而，出現(xiàn)了許多新型的頻譜分配研究方案以達到對頻譜的高效利用[2]。

伴隨著相關技術的發(fā)展，可供系統(tǒng)分配的頻譜主要分為以下三種：

①靜態(tài)頻譜資源。靜態(tài)頻譜資源指系統(tǒng)中使用的授權頻譜資源。目前的3G移動通信系統(tǒng)、LTE（Long Term Evolution）等都屬于利用靜態(tài)頻譜資源進行數(shù)據(jù)傳輸。

②競拍頻譜資源。該資源在一定時間內出租給公司或得到某段頻譜使用權的公司根據(jù)自己的業(yè)務量采取競拍的方式短時出租。根據(jù)最后的使用時長結算相關費用。例如TVWS（TV White Space）TV空白頻段等。

③動態(tài)頻譜資源。動態(tài)頻譜資源是指利用認知無線電CR（Cognitive Radio）技術感知其他無線通信系統(tǒng)的空閑頻譜，利用發(fā)現(xiàn)的“頻譜空洞”完成通信，而這種頻譜空洞被看做是動態(tài)頻譜資源。

然而，無論是基于認知無線電[3]系統(tǒng)里動態(tài)感知技術的頻譜分配還是競拍的頻譜分配[4]，亦或是固定頻譜資源的分配，大都停留在單一的頻譜資源分配的基礎上。

為了更好的利用頻譜資源，人們逐漸將目光投向多種頻譜的動態(tài)聯(lián)合使用。例如2014年，華為與西歐運營商對GSM<E動態(tài)頻譜共享方案完成實驗室測試，并計劃在年底完成商用網(wǎng)測試和商用部署[5]。

總的來說研究多種頻譜資源下的頻譜特征評估和分配方式，可以更好地利用頻譜資源，使得系統(tǒng)的總容量具有自適應調節(jié)能力，從而控制系統(tǒng)成本，降低用戶通信費用，增強終端的環(huán)境適應性。

面對以上研究背景本文面向未來無線大寬帶業(yè)務，聯(lián)合考慮三種不同的頻譜資源，從信噪比，帶寬，可用時長，價格因子等因素進行頻譜建模并完成頻譜可用性評估，和具體用戶的需求結合，設計基于頻譜可用性建模的分配方案，并和相關算法進行對比分析。

1 頻譜特性指標及可用性分析

本文在頻譜分配之前考慮3種不同類型的頻譜，對信噪比，可用時長等特征進行建模并設計相應的可用表達式如下公式：

表達式中可直觀體現(xiàn)衡量頻譜可用性的思路。相對而言，信噪比大的，帶寬更寬的，可用時長長的，競價因子小的頻譜具有更高的可用性。

針對本文研究的三種頻譜資源在各個特征評價指標上的含義以及仿真取值作如下說明：

本文的競拍價格函數(shù)參照文獻[7]進行改進。由于在競價系統(tǒng)中存在懲罰性收費原則，用戶獲得的頻譜資源增多，其單位頻譜的價格也會隨之增高。因此加入非線性遞增后，重新定義頻譜價格。式中表示單位頻譜的價格，則表示用戶獲得的頻譜資源，表示頻譜數(shù)量，則競拍價格可以表示為：

2 用戶調度需求指標

該頻譜分配算法中還需利用到用戶的業(yè)務請求分析完成和頻譜的對應分配。

Andrews等提出了改進的最大加權時延優(yōu)先算法M-LWDF（Modified Largest Wait Delay First）算法[8]。其核心思想在于不同的業(yè)務請求獲得的無線資源優(yōu)劣應與其對于的QoS需求成比例。較大的QoS應分配予相對好的無線資源。綜上用戶的業(yè)務需求公式如下：

其所用參數(shù)描述如下：

利用該公式可以為用戶請求進行優(yōu)先級排序，從指標上更加便利的描述了用戶需求。

3 有序匹配算法MAX

基于以上對頻譜特征及可用性的建模分析，以及用戶業(yè)務需求的基本描述，為頻譜的聯(lián)合有序匹配的分配算法打下基礎。

在本文中，假定可用頻譜的集合為，共有M個可用頻譜，相當于建立了一個多種頻譜的聯(lián)合頻譜池，其中包括靜態(tài)、競拍以及動態(tài)頻譜資源。業(yè)務需求用戶的集合為，共有N個用戶。通過采用本文提出的MAX有序分配方法進行頻譜分配其具體的算法步驟為：

①系統(tǒng)初始化包括頻譜池和用戶池

4 仿真分析

本文采用仿真工具MATLAB對提出的MAX分配方法進行了仿真驗證，在仿真過程中為了體現(xiàn)其可用性和優(yōu)勢，將其與隨機分配方法RAN以及另一種在資源分配時為服務質量需求靠前的用戶先分配靜態(tài)資源后分配動態(tài)資源的分配方法CHU進行仿真對比，仿真結果包括平均用戶分配失敗次數(shù)和平均每輪總速率。如圖1～圖2所示：

圖1 平均用戶失敗次數(shù)

圖2 平均每輪總速率

可以看到，從失敗次數(shù)來說，有序匹配算法（MAX）相對隨機排序分配算法（RAN）和先靜后動排序的分配算法（CHU）其失敗的次數(shù)要少，說明MAX分配能夠基本滿足用戶需求。此外，分配中也有可能出現(xiàn)甚至失敗次數(shù)大于RAN算法的情況，這是由于CHU算法采用的是一種固定思維，并沒有將多種因素進行考慮，從這一點上也可以說明將動態(tài)和非動態(tài)頻譜結合起來考慮的優(yōu)越性。而RAN本身的不確定性注定它的結果也會隨機變化，分配失敗或者結果的大抖動不可避免。從另一方面來看，較大的信道容量對應著較大的帶寬和信噪比，進一步驗證了頻譜可用性公式對應的正比例關系。

由圖2可以看出MAX算法就平均每輪的總速率來說相對也好。該分配過程對信道進行了充分利用，使得平均每輪總速率有一定程度的改善。其次，在用戶需求公式里面，由于時延上限和業(yè)丟包率上限均是固定值，最大的服務質量映射的是最大用戶速率需求，因此按照MAX分配出來的頻譜總速率會最大。

總的來說該算法具備分配簡單、直觀，計算量較小的實用性，為未來解決多種頻譜資源共存的分配環(huán)境提供了解決思路。

5 結束語

本文提出針對動態(tài)頻譜和非動態(tài)頻譜相結合進行的聯(lián)合頻譜分配算法，首先對頻譜可用性的特征指標和業(yè)務需求用戶的服務質量指標進行了分析建模，進一步提出的頻譜可用性公式，結合M-LWDF算法，介紹了對應分配的MAX關鍵算法，并對分配算法的步驟進行了介紹，最后對仿真圖形進行了相關分析，驗證其可用性和優(yōu)越性。

注釋及參考文獻：

[1]Shanzhi Chen and Jian Zhao．The Requirements,Challenges,and Technologies for 5G of Terrestrial Mobile Telecommunication[J],IEEE Communications Magazine,May 2014:36-43

[2]Alexandru Vulpe,Octavian Fratu,Albena Mihovska,et al,A Multi-Carrier Scheduling Algorithm for LTE-Advanced．NICT [J]．2013,1882-5621/13/

[3]Zhengwei Wu,Peng Cheng,Xinbing Wang,etal．Cooperative Spectrum Allocation for Cognitive Radio Network:An Evolutionary Approach[J]．2013 IEEE ICC,2013(s):1-5

[4]Richard Southwell,Xu Chen,et al．Quality of Service Games for Spectrum Sharing[J],JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS,March,2014,3(32):589-599

[5]C114中國通信網(wǎng),華為GSM<E動態(tài)頻譜共享方案率先在歐洲完成聯(lián)合測試[EB/OL]．http://www．c114．net/news/ 126/a818064．html

[6]Guangxiang Yuan,Xiang Zhang,Wenbo Wang．Carrier Aggregation for LTE-Advanced Mobile Communication Systems [J]．Communications Magazin,2013:88-93．

[7]鄧薇．認知無線電網(wǎng)絡中頻譜空洞與競拍資源的聯(lián)合分配技術研究［D］．沙坪壩:重慶郵電大學，2013．

[8]鮮永菊．面向服務質量保障的認知無線電核心技術研究［D］．沙坪壩:重慶大學，2012．

Study on the Distribution Modeling of the Broadband Wireless Spectrum

JIANG Sha1,JIANG Xiao-hua2,XIONG Zai-yu3
（1.Department of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunication,Chongqing 400065;2.Xichang Satellite Launch Center，Xichang,Sihuan 615000；3.Guizhou Aerospace Tianma Machine-electric S&T Co.Ltd,Zhunyi,Guizhou 563000）

With the rapid wireless communication technology development,research on improving the spectrum utilization is a growing trend.This paper studied spectrum allocation method with the static spectrum,auction spectrum and dynamic spectrum.It explained the spectrum availability of spectrum,which covers signal-to-noise ratio,price and so on.It also analyzed the request of service based on the algorithm of M-LWDF.This paper put an orderly matching algorithm based on supporting the quality of service.It used MATLAB to prove the advantage of the average numbers of failure and the average total rate compared with the RAN and CHU.

spectrum allocation;spectrum availability;orderly matching algorithm

TN925

A

1673-1891（2015）01-0046-03

2014-10-02

江莎（1990-），女，碩士研究生，主要從事通信與網(wǎng)絡研究。