MF-TDMA體制下載波信道管理

楊 杰

（電子科技大學 通信抗干擾國家重點實驗室，四川 成都 611731）

0 引言

多頻時分多址是一種混合多址方式，它將頻分多址技術和時分多址技術的優點結合于一體，因此，它被廣泛應用于現代衛星系統和平流層通信系統中。該技術不僅可提供高效的數據流而且同時保持容量分配的靈活性。平流層通信系統的上行傳輸鏈路采用該技術是因為大量的連接請求共享有限的系統資源特點。在系統中應用MF-TDMA作為上行鏈路的多址方式，多載波信道分配用于上行鏈路接入，時分多址用于每個載波信道內的時隙分配。因此，每一個載波信道被分成許多時隙塊分配給多個連接。時隙塊被作為分配給每個連接的唯一資源，基于每個通信連接的服務質量（QoS,Quality of Service）要求為每個連接分配固定數目的時隙資源。現考慮兩類 QoS參數——數據速率和最大可容忍誤碼率。整個通信連接階段，除保證固定數據傳輸速率外，系統所容許的最大誤碼率也必須得到保證。因此，MF-TDMA的資源計算和資源分配是重點。

1 信道結構

已知調制方式和數據傳輸速率后，突發數據長度可通過系統特別查詢表唯一決定。雖然選擇一種高突發速率的調制方式可以節省時隙資源分配給連接，但會造成誤碼率的增加。更高的突發速率直接導致更大的誤碼率，因此，需要在系統容量和QoS之間權衡利弊[1]。

在突發長度計算好之后，接著進行時隙資源的分配。若將 MF-TDMA中的載波/時隙資源占用表看成是一個二維的矩陣（其中行代表不同頻率的載波，列表示按時間劃分的時隙）在平流層通信系統中分配時隙資源時，必須滿足以下兩個約束條件：

①分配給終端的維持已知通信連接的一系列時隙資源必須在一個載波頻率上連續；

②同一終端分配的時隙資源，在時間上不能重疊且同一個時隙資源不能同時分配給兩個連接。

這些約束條件是受平流層通信系統固有硬件發展和可操作性所限制。約束條件①是為了簡化時隙分配問題；約束條件②則是受限于終端設備的多頻調制器的非線性性，避免生成互調干擾[2-3]。

2 時隙的計算

為了給每一個連接請求分配合理的時隙數，需計算可允許的最大突發速率。一旦突發速率確定下來，所需的調制方式可從特定系統查詢表中獲得。假設系統采用二進制差分相移鍵控調制方式，已知誤碼率 Pb，那么上行鏈路的信噪比可通過下式計算得出：

同樣，每比特位的信噪比取決于變化的環境和系統參數，如鏈路參數，由式（2）給出：

其中，Pt為發射功率分貝數；Gt為發射天線增益分貝數；Lf為自由空間損失分貝數；Lr為雨水損失分貝數；Lc為因災難性事件所致損失分貝數；Gc為編碼增益分貝數；Gr為接收天線增益分貝數；Rb為每秒突發符號率；k為波爾茲曼常數（1.38× 10?23J K ）；T為系統噪聲溫度（假定為一常量1 000 K），公式（1）被稱作上、下行鏈路開銷方程。

3 資源的計算

資源計算階段解決為滿足QoS要求的資源數[4]。由鏈路開銷公式（1）可知，固定時隙數、誤碼率和數據傳輸速率三者相互制約，可通過選擇調制方式來協調。這里提出了一種基于馬爾科夫模型的預測方法來預測有效降雨量范圍內最壞情況下的誤碼率，然后通過選擇調制方式來匹配所預測到的最壞誤碼率。文獻[5]也對相應問題進行了研究。

3.1 馬爾科夫模型

馬爾科夫模型由80個狀態組成。每一個狀態代表有效降雨量（以每小時毫米降雨量計算）下的波動變化。狀態0～39表示降雨量為 0～39 mm/hr時的波動增加或常量；狀態40～79表示降雨量為0～39 mm/hr時波動是否嚴格減少。這樣就可以計算出不同狀態轉移情況下的相對頻率，而相對頻率可以用來計算轉移概率。因此，該過程可以提供一個對概率轉移矩陣P的評估，Pij表示從狀態i到狀態 j的狀態轉移概率。

3.2 計算狀態轉移概率

假設已知連接持續時間且定位N個時間單元（N為整數）。設狀態域為?，{Pij∶i, j∈?} 為馬爾科夫過程中所得轉移概率。不考慮通常情況下的損耗，假設連接起始時間為零，此刻系統狀態為x0。那么在時刻n，系統的狀態隨機變量為Xn。因此，可以得到 X0=x0，使用降雨量作隨機變量Rainrate(x)，狀態量為x，如式（3）：

給出一個概率門限值 p0，期望找到一個最小值r使得：

這里使用RN來表示rainrate(Xn)。如果取任意值r（0～39）計算式（4）中左邊部分，可以確定滿足不等式的最小r值。顯然，r一定不小于 rainrate(x0)，否則式（4）左邊將為零。因此，只需考慮 r≥rainrate(x0)。對于每一個r，定義S(r) ≡ {i ∈?∶rainrate(i)≤r}。

S (r)為降雨量小于或等于r時的一系列狀態。不等式左邊部分的概率可通過以下公式計算：

3.3 計算時隙數

連接期間的有效降雨量獲得后，滿足一定誤碼率所需的突發速率可通過式（1）、式（2）計算得到。使用計算所得突發速率可以找到匹配的調制方式。此時，已知調制方式和數據傳輸速率，突發的大小（時隙數量）可通過查詢系統特定表獲得，即建立通信連接所分配（如果可能）的時隙資源數。提供QoS保證的過程如圖1所示。

4 資源分配

在資源分配階段，資源管理器調度資源分配算法將時隙資源分配給升空平臺通信中心。高效的分配時隙資源并不是一個小問題，事實上，是一個 NP難題（NP-Hard, Nondeterministic Polynomial-time Hard）問題[6]。

圖1 提供QoS保證流程

4.1 載波信道預約優先算法

載波信道預約優先算法作為MF-TDMA體制下的信道資源分配算法，它將信道分為獨占信道、共享信道和空載信道。

其中，帶有獨占信道標志的載波信道只能分配給某一個特定的終端，而共享信道的時隙資源可以分配給不同的終端，即信道被各個終端共享。算法的目的就是利用預約信道的方式，使業務量大的終端盡量獨占信道以保證其QoS的要求。在這一過程描述中，已經默認 Nt≤Nc情況，其中Nt和Nc分別表示活動終端和載波信道數。顯然，當 Nt＞Nc時，不可能為每一個終端在請求連接時預留一個獨立信道，導致一些載波信道被強制成為共享信道。這種情況破壞了信道預約的有效性，應盡量降低出現這種可能性的出現。算法流程圖如圖2所示。

圖2 載波信道預約優先算法流程

在圖2中，用流程圖展示了載波信道預留的優先算法步驟。時隙分配階段，一旦載波信道被選擇，突發被分配到載波信道內最小空時隙處，但要有足夠的空間。

5 結語

這里對MF-TDMA體制下的載波信道管理方法展開了討論。一種新的載波信道分配算法應用于設計中，分為兩個步驟，確定時隙資源數和時隙資源的分配。研究結果顯示，該算法比首先適應算法和最佳適應算法[7]在資源利用率和拒絕率方面有更好的表現。由于其高效性、穩定性和可實現性，該算法可應用于平流層通信系統中。

[1] 王新, 李寶平.CDMA/SDMA系統性能分析[J].通信技術, 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] 楊世恩.多業務網絡動態帶寬分配算法研究[J].通信技術,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.