智能天線系統中基于載干比的動態信道分配

摘 要:智能天線系統實現了同道在同小區的重用，其空域波束分配可以有效抑制同道干擾;信道分配可以充分結合其他信道資源。在Matlab系統級仿真中，充分利用定時器的特性，真實地建立移動臺和基站之間在線服務的多線程通信仿真模型，對載頻、時隙和碼字中任一種或多種結合在空域位置形成的信道，提出基于載干比測量的動態信道分配策略，并對其進行了仿真研究和性能分析。仿真結果與理論分析吻合，同時得到一些有意義的參數。

關鍵詞:動態信道分配; 智能天線; 載干比; 阻塞率

中圖分類號:TN929 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0067-05

Dynamic Channel Allocation Based on Carrier Interference Ratio for Smart Antenna System

FANG Yong-jun

(Department of Assets Administrant， University of South China， Hengyang 421001， China)

Abstract: The same channel can be used in the same cell for smart antenna system， and its beam allocation can restrain the coherent interference efficiently， its channel allocation can combine other channel resources fully. Making full use of of the characteristics of timer， establishing multi-threading communication emulation model between MS and BS， proposing the optimum dynamic channel allocation strategy based on measuring carrier interference ratio， executing the emulation research and performance analysis for the channel composed of the frequency， time slot， code and the position beam in Matlab. Combining the simulated results with theoretical analysis， some valuable emulation parameters are obtained.

Keywords: dynamic channel allocation; smart antenna; carrier interference ratio; blocking probability

收稿日期:2009-12-05

基金項目:衡陽市科技局資助項目(2009kj12)

0 引 言

動態信道分配技術作為一種有效提高頻譜利用率的措施，已得到國內外眾多學者廣泛深入的研究。目前，利用智能天線開發空間冗余度空分多址(SDMA)技術的有效性已在理論上得到了證實。文獻[1]提出兩陣元天線實現自適應動態信道分配算法，其頻譜利用率提高了兩倍。文獻[2]提出在陣列方向增益圖樣優先抑制掉同道干擾的基礎上實現動態信道分配，其容量比傳統算法和全向天線提高2.7倍。智能天線系統實現了同道在同小區的重用，其干擾主要為同道干擾，對于這種干擾可以通過適當的空域波束分配來解決。SDMA的信道為空域位置，它不同于FDMA的頻域載頻，TDMA的時域時隙，CDMA的碼域碼字，其信道分配可以充分結合其他信道資源。文獻[3]指出DCA和SDMA分別是最優化小區間內的信道空域分配，并提出幾種DCA和SDMA結合的信道分配方案并進行性能比較。文獻[4]提出一種對波束和信道同時進行搜索的波束轉換智能天線方案，并與傳統的波束和信道分別進行搜索和選擇的方案做了比較。文獻[5]采用一種分組交換多波束的天線，采用一種時域輪詢模式，但沒有對服務質量的指標進行討論。文獻[6]提出根據用戶波達角信息進行的時隙分配，但沒有考慮多徑存在時，特別是主徑不明顯的情況。文獻[7]對正交可變擴頻因子碼的常規分配和動態分配在有和沒有自適應天線陣列的條件下進行了仿真對比。

Matlab系統仿真不能實現多線程，而使用定時器更符合移動通信系統移動臺與基站之間在線服務的多線程需求。本文在Matlab系統級仿真中，充分利用定時器的特性，真實地建立移動臺與基站之間在線用戶多線程通信的仿真模型，對載頻、時隙和碼字中的任一種或幾種結合空域位置形成的信道進行了基于載干比測量的動態信道分配仿真研究和性能分析。

1 測量載干比的動態信道分配模型

智能天線的應用引入了空分多址技術，它使通信資源不再局限于時域、頻域、碼域而擴展到空域。物理信道空分復用最主要的決定因素是每個信道中每個在線用戶收發信號的載干比。信道分配問題的研究，實質上就是在多種約束條件下對最優問題的求解[8]，其主要涉及基站、移動臺和信道，這三者之間的關系確定了信道分配模型。下面僅討論它們之間在下行鏈路中的限制關系，假設系統中已存在M個在線移動臺，每個移動臺的業務僅需一個信道，所需的載干比門限值Γ相同;K個基站，完全相同且嚴格同步;N個下行信道，完全相同且共享。

(1) 移動臺和基站的服務關系

假設移動臺選擇基站的規則為j=fp(i)，即按照系統規定的準則為移動臺i選擇基站j作為服務小區。服務小區的選擇準則各異，通常與移動臺的接收功率有關。用P={pij}M×K表示接收功率矩陣，其中pij表示用戶i接收基站j的信號強度。本文假設移動臺選擇接收各基站信號中最強的基站所在小區作為服務小區，這樣建立在線移動臺和小區的服務矩陣A= {aij}M×K，其中aij表示移動臺i接入小區j。

(2) 移動臺和信道的分配關系

假設在線移動臺已分配信道的情況可以用一個分配矩陣S={sik}M×K來表示，其中sik表示信道k正分配給移動臺i使用。

(3) 基站和信道的歸屬關系

假設在線移動臺分配基站和信道的情況可以用一個歸屬矩陣B={bjk}K×N表示，其中bjk表示信道k歸屬基站j。

當有新移動臺m起呼時，先找到服務基站k，更新服務矩陣A;再分配信道n，更新分配矩陣S和歸屬矩陣B。分配信道時，首先必須找出本小區k內由移動臺m所確定的某特定區域(即波束)內，沒有給在線移動臺使用的未用信道;再分別計算新移動臺m在使用每個未用信道h時的接收信號載干比，找出(C/I)mh≥Γ的新移動臺可分配信道;然后計算新移動臺若使用每個新移動臺可分配信道時，其他正在使用該信道的在線移動臺的接收信號載干比情況，若新移動臺的接入不影響其他在線移動臺，則該信道為可分配信道;最后按某種準則從可分配信道中選出最佳信道n分配給新移動臺m，此最佳信道并非質量最好信道。

通常，系統對同小區的同道使用有限制。為避免可能出現較大干擾，即使載干比要求滿足，一般也不允許同道在同小區重用。但智能天線系統可以利用空間波束賦形來減少干擾源，使得同道在同小區內可以重用。設空分復用系數為a，則上述載干比測量的信道分配模型可綜述為如下優化方程:

min f(B)=min(M-∑Ki=1∑Nj=1Sij)

s.t.∑Mi=1sij≤a;i∈;j∈[1，N]

={i∑Mi=1aik≥2;k∈[1，K]}

∑Mi=1∑Nj=1Sij≤M

(1)

2 同頻干擾建模和載干比計算

2.1 同頻干擾建模

蜂窩系統接受有用或干擾信號的統計特征主要牽涉到兩個重要的傳播效應:小尺度衰落和大尺度衰落。由于空間分集等技術已被廣泛用于抵消小尺度衰落的影響，從而接受信號主要取決于大尺度信道變化。測量表明，無線通信系統中本地平均電平用分貝表示時服從正態分布，由面積均值和標準差來刻畫。面積均值是發射機或接收機的距離，發射機功率級和天線增益的函數，而標準差取決于物理環境。為了簡單起見，僅考慮陰影和路徑損耗，從而有用信號或單個干擾信號的本地平均功率級(用ρ表示)呈現出對數正態變化。如果使用dBW形式，單個信號本地平均功率級可以建模為:

X=10lg ρ=mx+x

(2)

式中:x是用dB表示的標準差為σX的零均值正態隨機變量，由大尺度障礙造成的陰影;mx是用dB表示的大尺度傳播路徑損耗，通常建模為收發機之間距離d、路徑損耗指數r，用dB表示的發射功率PT和收發天線增益GT，GR的函數，即:

mx=PT+GT(θT，φT)+GR(θR，φR)-10Krlg d

(3)

式中:常數K由模型中所有不變項組成;θT和φT是信號的發射俯仰角和方位角;θR和φR是信號的接收俯仰角和方位角，它們取決于移動臺和基站的相對位置。對于小區半徑大于1 km的系統，收發距離遠大于基站和移動臺之間的高度差時，可設θT≈θR≈90°，從而GT，GR值只與收發信號方位角有關，進而設波束內外天線的增益為常數0和B dB。

基于上述單個干擾信號的計算，總的同頻干擾可以建模為波束內由同道發射機產生的單個干擾信號之和，其本地平均功率級也服從對數正態分布。只要知道每個同道干擾信號Ii的圴值mi和標準差σi，就可以用Wilkinson方法或Schwartz與Yeh方法來計算總干擾的均值和標準差[8]。

2.2 上下行鏈路載干比計算

假設上下行鏈路有用信號和干擾信號都服從對數正態分布，按上述同頻干擾建模求得它們的均值和標準差，即上下行鏈路有用信號的均值(單位:dBW)為:

mfs=PT，BS-10γlg r0

mrs=PT，MS-10γlg r0

(4)

式中:基站和移動臺天線增益為0 dB;有用信號的標準差為陰影的標準差，即σfs=σrs=σ;上下行鏈路的總干擾信號If和Ir分別是對數正態分布干擾信號Ifi和Iri之和，而上下行鏈路各干擾信號Ifi和Iri的均值(單位:dBW)為:

mfl，i=PT，BS+GT，i(φT，i)-10γlg dfI，i

mrl，i=PT，MS+GR，0(φT，i)-10γlg drI，i

(5)

式中:天線增益GR，0(φT，i)和GT，i(φT，i)取決于移動臺與基站的相對位置;干擾信號的標準差等于陰影的標準差，即σfI，i=σrI，i=σ(所有小區)。對于下行鏈路，載干比、均值和標準差分別為:

CIRf=CfdB-IfdB

mfCIR=mfs-mfI

σfCIR=(σfs)2+(σfI)2

(6)

其中上行鏈路中載干比、均值和標準差的計算同上。

3 基于載干比的動態信道分配策略

智能天線按其實現形式的不同分為兩類[9，10]:一是多波束開關選擇智能天線，即扇區選擇智能天線。它的波束實現由用戶所在的空間位置確定其服務基站，空間角度確定其服務扇區，其干擾僅計算所有小區中與該服務扇區號相同且信道也相同的干擾源，干擾值經過波束的內外增益處理。二是自適應陣列智能天線，其實現由用戶所在的空間位置確定服務基站。服務小區內沒有扇區，僅由用戶空間角度確定服務小區內干擾源所在的空間范圍號，即波束覆蓋區。它的干擾僅計算所有小區中與該服務小區內空間范圍號相同且信道也相同的干擾源，干擾值也經過波束的內外增益處理。本文提出智能天線系統中動態信道分配的仿真流程圖如圖1所示。

在圖1中當信道要分配時，移動臺和基站通過測量所有信道的干擾情況，并選擇一個可以提供合適載干比的最佳信道響應呼叫。下文研究了三種干擾自適應信道動態分配準則。

(1) 先到先服務順序信道搜尋FCFS。該方案中當信道指配或重分配到來時，被服務移動臺和服務基站都以相同的順序檢測信道并且選擇第一個滿足CIR要求的可分配信道分配。由于采用FCFS準則，系統計算時間最小，信道局部緊縮，可支持更多業務，即總阻塞率最少;由于起呼時未對信道統一安排分配，會增加起呼中斷概率。

圖1 智能天線系統中DCA仿真流程圖

(2) 最小載干比信道搜尋MINCIR。該方案中當信道指配或重分配到來時，被服務移動臺和服務基站搜尋上下行鏈路上最小載干比且滿足接入載干比門限的可分配信道分配。因為它首先分配載荷重的信道給新呼叫，MINCIR的起呼阻塞概率比FCFS低，但更容易比FCFS發生通信中斷阻塞，且總阻塞率比FCFS的大。

(3) 最大載干比信道搜尋MAXCIR。該方案中當信道指配或重分配到來時，被服務移動臺和服務基站選擇一個具有最大載干比的可分配信道分配給呼叫，當最大載干比的信道也無法滿足載干比門限要求時服務阻塞。因為首先分配載荷最輕的信道給呼叫，其起呼時阻塞率最少;由于容易引起該信道載干比冗余，其通信中斷概率和總阻塞率比FCFS和MINCIR更容易發生。

4 仿真與分析研究

Matlab仿真中不能實現多線程，使用定時器可觸發事件的定時延時后優先執行，這相當于有優先級的多線程;也可觸發事件等待延時后執行，這相當于單線程，于是定時器的使用更符合移動通信系統移動臺與基站之間通信服務的多線程需求。本文Matlab系統級仿真流程圖中，定時器1的延時表示新移動臺的到達時間間隔為180 s的泊松分布;定時器2的延時表示用戶在服務期間的檢測時間間隔，參數為90 s;定時器3的延時表示有些用戶的呼叫服務時間不到90 s時的呼叫服務時間;定時器4的延時表示有些用戶的呼叫服務時間在經過幾次90 s檢測后剩余期限不到90 s時的呼叫剩余時間。其中，定時器1觸發事件等待延時執行后再執行其他事件，即在定時延時期間Matlab系統不可執行其他事件;定時器2、定時器3和定時器4是觸發事件的定時延時后優先執行，即在定時延時期間Matlab系統可執行其他事件，當定時時間到時優先執行該定時器事件。

仿真實驗中，使用19個正六邊形蜂窩小區，小區半徑為1 000 m，路徑損耗指數為4，對數正態發布的標準差為8 dB，基站發射功率級和移動臺發射功率級為0 dBW，仿真的瞬時用戶組數為5 000，用戶在19個小區內均勻分布，用戶運動方向在360°內均勻分布，用戶起呼時間間隔為參數180 s的泊松分布，用戶服務時間為參數120 s的負指數分布，用戶檢測時間間隔為90 s，上下行鏈路載干比門限為16~34，由話音激活因子等形成的鏈路常數為1，上下行鏈路正交因子為0，上下行鏈路信道數為15~45，在波束內外信號增益為0 dB和-30 dB，每小區扇區數分別為6(60°扇區)、3(120°扇區)和1(360°扇區)或每波束寬度分別為30°，45°，60°，90°，120°，180°，360°。

圖2反映了120°扇區中三種信道分配準則和載干比對各種阻塞率的影響。在各種載干比下，起呼時FCFS的阻塞率都最大，而MAXCIR的都最小;重分配時MAXCIR的阻塞率都最大，而FCFS的都最小;越區切換時MINCIR的阻塞率都最大，而FCFS的都最小;隨著載干比的增加，起呼阻塞率都有所增加，但變化不明顯，且占總阻塞率的比例不大，重分配阻塞率也有所增加，變化明顯，且占總阻塞率的比例最大，而越區切換阻塞率變化非常不明顯，且占總阻塞率的比例最少，故隨著載干比增加，總阻塞率增加，且MAXCIR的阻塞率在各種載干比下都最大，FCFS的都最小，MINCIR的居中。以上結果與其他角度扇區和各種自適應波束寬度中三種信道分配準則和載干比對各種阻塞率影響完全相同。

圖2 三種信道分配準則對各種阻塞率的影響

圖3反映了在各種信道分配準則下扇區和載干比對各種阻塞率的影響。在各種載干比下，起呼時360°扇區的阻塞率都最大，而60°扇區的都最小;重分配時120°扇區的阻塞率都最大，而360°扇區的都最小;越區切換時60°扇區的阻塞率都最大，而360°扇區的都最小;隨著載干比的增加，起呼阻塞率都有所增加，變化明顯，且占總阻塞率的比例大，重分配阻塞率也有所增加，變化明顯，且占總阻塞率的比例不大，而越區切換阻塞率變化非常不明顯，且占總阻塞率的比例最少，故隨著載干比的增加，總阻塞率是增加的，且360°扇區的阻塞率在各種載干比下都最大，60°扇區的都最小，120°扇區的居中間。其結果與在各種信道分配準則下各種自適應波束寬度和載干比對各種阻塞率的影響相同。

圖3 扇區和載干比對各種阻塞率的影響

圖4在各種信道分配準則、扇區和載干比下，兩種智能天線對各種阻塞率的影響。重分配和總阻塞率在各種信道分配準則和載干比下扇區選擇智能天線(NoSA)的阻塞率比自適應陣列智能天線(SA)的阻塞率大;隨著載干比增加，NoSA的阻塞率增加緩慢，而SA的阻塞率增加快，最終兩種智能天線的阻塞率趨于相同，而總阻塞率都快速增加。

圖4 兩種智能天線在各種準則和載干比下各種阻塞率的比較

5 結 語

由于智能天線技術本身的優勢，智能天線在未來移動通信系統的作用越來越重要。本文采用Matlab仿真平臺，進行了基于載干比測量的動態信道分配系統級仿真研究和性能分析。仿真結果與理論分析吻合，同時仿真中得到一些有意義的仿真參數，為進一步研究智能天線系統準確實施動態信道分配打好基礎。

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