一種基于對(duì)等協(xié)作的動(dòng)態(tài)頻譜分配算法

張彭園,仝 曉,譚國(guó)平

(河海大學(xué)，江蘇 南京 211100)

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一種基于對(duì)等協(xié)作的動(dòng)態(tài)頻譜分配算法

張彭園,仝 曉,譚國(guó)平

(河海大學(xué)，江蘇 南京 211100)

隨著無(wú)線多媒體技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)質(zhì)頻譜資源越來(lái)越稀缺。針對(duì)頻譜稀缺和頻譜共享問(wèn)題，提出了一種基于對(duì)等協(xié)作的動(dòng)態(tài)頻譜共享算法。運(yùn)營(yíng)商將自己的授權(quán)頻譜資源部分或全部放入共享頻譜池，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)感知到的頻譜的使用狀況，平等分配該頻譜池中的所有資源。仿真結(jié)果表明，所提的對(duì)等協(xié)作方案在運(yùn)營(yíng)商間沒(méi)有信息交互的情況下，網(wǎng)絡(luò)性能明顯優(yōu)于靜態(tài)頻譜分配方案，并且非常接近運(yùn)營(yíng)商間完全信息交互的頻譜共享方案。

頻譜稀缺；動(dòng)態(tài)頻譜管理；對(duì)等協(xié)作；頻譜共享

多媒體技術(shù)及各種無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)致人們對(duì)頻譜資源的需求與日俱增。近年來(lái)，無(wú)線頻譜資源拍賣(mài)價(jià)格不停上漲，為了獲得更多的頻譜資源，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商需要付出更多的代價(jià)，這使得運(yùn)營(yíng)商面臨頻譜資源短缺的問(wèn)題。因此，如何提高頻譜的利用率，解決頻譜稀缺的問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。

家庭基站(Femtocell)技術(shù)有效解決了室內(nèi)覆蓋問(wèn)題，提高了頻譜的利用率[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于多媒體技術(shù)的發(fā)展和用戶(hù)終端的大規(guī)模使用，移動(dòng)數(shù)據(jù)的80%產(chǎn)生自室內(nèi)用戶(hù)，室內(nèi)移動(dòng)通信已經(jīng)占據(jù)了目前無(wú)線通信的主導(dǎo)地位[2]。

動(dòng)態(tài)頻譜分配技術(shù)有效地提高了無(wú)線頻譜的利用率。在固定頻譜分配方式中，政府通過(guò)將頻譜資源許可證頒發(fā)給運(yùn)營(yíng)商的方式來(lái)進(jìn)行管理。這種方式雖然能夠有效地防止不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的干擾，同時(shí)對(duì)頻譜進(jìn)行統(tǒng)一管理，但會(huì)導(dǎo)致頻譜利用率低下，因?yàn)殡S著時(shí)間和空間不斷變化，無(wú)線系統(tǒng)對(duì)頻譜的需求也是不斷變化的。聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC)于2002 年驗(yàn)證了頻譜分配理論和實(shí)際通信之間的差異：即使將優(yōu)質(zhì)頻譜資源整體分配給運(yùn)營(yíng)商，頻譜空洞仍然存在。動(dòng)態(tài)頻譜資源管理技術(shù)可以根據(jù)不同系統(tǒng)的業(yè)務(wù)負(fù)載，動(dòng)態(tài)調(diào)整共享頻譜資源，將時(shí)域或頻域上閑置頻譜資源充分利用起來(lái)以滿(mǎn)足當(dāng)前通信業(yè)務(wù)的需求，同時(shí)不斷提高數(shù)據(jù)傳輸速率和用戶(hù)的通信質(zhì)量，成為目前研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]研究了集中式頻譜共享技術(shù)。每個(gè)運(yùn)營(yíng)商競(jìng)價(jià)使用頻譜資源，集中服務(wù)器根據(jù)出標(biāo)價(jià)，最大化其頻譜效益。運(yùn)營(yíng)商決定給哪些用戶(hù)提供服務(wù)，用戶(hù)根據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型選擇相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)商。該策略與頻譜平均策略相比，出價(jià)策略可以獲得更高的吞吐量和相應(yīng)的效益。然而集中式共享技術(shù)需要運(yùn)營(yíng)商將授權(quán)頻譜的管理權(quán)交給集中控制器，這與網(wǎng)絡(luò)更加扁平化趨勢(shì)相反。分級(jí)接入頻譜共享方案中[4-6]，運(yùn)營(yíng)商的用戶(hù)終端在接入異運(yùn)營(yíng)商頻譜資源時(shí)存在主次之分，這不利于頻譜資源的充分競(jìng)爭(zhēng)。文獻(xiàn)[7]結(jié)合了分布式與分級(jí)共享頻譜共享方案，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商共享同一頻譜段，家庭基站接入點(diǎn)(Femtocell Access Point，F(xiàn)AP)根據(jù)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量需求與干擾FAP 相互競(jìng)爭(zhēng)，獲得頻譜使用的優(yōu)先權(quán)，該方案需要運(yùn)營(yíng)商無(wú)差別地獲得異運(yùn)營(yíng)商基站信息，這與運(yùn)營(yíng)商的利益沖突。

本文提出了運(yùn)營(yíng)商間基于對(duì)等協(xié)作策略的授權(quán)頻譜資源共享方案，并在家庭基站密集部署的情形下進(jìn)行仿真研究。和以往的研究相比，本方案中的運(yùn)營(yíng)商在使用異運(yùn)營(yíng)商的授權(quán)頻譜時(shí)，不需要獲得異運(yùn)營(yíng)商的基站信息，且雙方?jīng)]有主次之分，平等使用對(duì)方授權(quán)頻譜資源，既避免了異運(yùn)營(yíng)商之間的敏感信息問(wèn)題，又可以獲得較好的網(wǎng)絡(luò)性能。

2 系統(tǒng)模型和問(wèn)題描述

2.1 系統(tǒng)模型

隨著大規(guī)模部署家庭基站，家庭基站間的干擾將大大增強(qiáng)。本文使用的模型是家庭基站密集部署模型[8]。如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)是由依次相鄰的房間組成的，每個(gè)房間內(nèi)部署有一個(gè)處于閉合用戶(hù)組(Closed Subscriber Group, CSG)模式的FAP，即只有授權(quán)用戶(hù)設(shè)備(User Equipment,UE)才可以接入相應(yīng)的房間FAP，且UE是隨機(jī)分布在房間內(nèi)的。這里假設(shè)UE 只能接入同一房間內(nèi)的FAP，如UE1只能接入同一房間內(nèi)的FAP1；每個(gè)FAP可能屬于不同運(yùn)營(yíng)商(如FAP1可以屬于運(yùn)營(yíng)商A，而FAP2屬于運(yùn)營(yíng)商B)，UE隨機(jī)分布在房間內(nèi)部。本文假設(shè)FAP均可感知到鄰基站的頻譜使用情況，且只考慮家庭基站的同層干擾問(wèn)題，不考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的跨層干擾問(wèn)題。

圖1 系統(tǒng)模型

2.2 問(wèn)題描述

當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互影響，就會(huì)形成干擾鄰居關(guān)系。在單一運(yùn)營(yíng)商場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間載波選擇算法。在載波選擇的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠得到無(wú)線資源分配表和背景干擾矩陣兩表，根據(jù)無(wú)線資源分布情況和干擾關(guān)系選擇載波[9]。本文主要考慮的是多運(yùn)營(yíng)商場(chǎng)景。此場(chǎng)景中，運(yùn)營(yíng)商之間分享自己的授權(quán)頻譜，將自己的頻譜放入虛擬頻譜池。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共享頻譜池，不同運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)勢(shì)必會(huì)相互影響。節(jié)點(diǎn)的干擾鄰居可能為異運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示頻譜共享網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，QA1和QA2為同一運(yùn)營(yíng)商內(nèi)的干擾鄰居，但QB1是QA2的異運(yùn)營(yíng)商干擾鄰居，如何協(xié)調(diào)不同運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的頻譜接入是當(dāng)前面臨的問(wèn)題。

圖2 兩運(yùn)營(yíng)商場(chǎng)景的節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 對(duì)等協(xié)作算法

運(yùn)營(yíng)商A的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在接入運(yùn)營(yíng)商B的頻譜資源時(shí)，與運(yùn)營(yíng)商B網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平等競(jìng)爭(zhēng)接入。運(yùn)營(yíng)商B網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)很容易掌握自己的授權(quán)頻譜的信道質(zhì)量情況，因?yàn)橐恍├骊P(guān)系，運(yùn)營(yíng)商B將自己的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)視為敏感信息，不愿與運(yùn)營(yíng)商A分享，這就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商間信息不對(duì)稱(chēng)情況。理論上，用戶(hù)終端是可以通過(guò)測(cè)量得到非注冊(cè)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的頻譜使用情況，這給運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)感知周?chē)鸁o(wú)線環(huán)境，測(cè)量其非注冊(cè)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的頻譜占用情況和信道質(zhì)量提供了可能。本文提出一種對(duì)等協(xié)作算法，運(yùn)營(yíng)商A的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)其下行接收機(jī)或者注冊(cè)UE的測(cè)量報(bào)告，平等競(jìng)爭(zhēng)接入運(yùn)營(yíng)商B的頻譜資源，算法流程如圖3所示。

圖3 流程圖

算法描述如下：

Step 1，F(xiàn)AP 開(kāi)機(jī)后通過(guò)其下行接收機(jī)測(cè)量其周?chē)鸁o(wú)線環(huán)境或通過(guò)其注冊(cè)UE 上報(bào)的測(cè)量報(bào)告獲得無(wú)線資源分布情況和信息通信質(zhì)量，確定鄰居關(guān)系。

Step 2，F(xiàn)AP 根據(jù)其測(cè)量到的鄰居FAP(包括異運(yùn)營(yíng)商FAP)對(duì)其的干擾信息和當(dāng)前無(wú)線資源分布情況，使用自主分量載波選擇算法(ACCS)[10]接入頻譜資源(包括異運(yùn)營(yíng)商的授權(quán)頻譜資源)。

Step 3，F(xiàn)AP通過(guò)廣播信道通知同一運(yùn)營(yíng)商的基站更新其頻譜資源占用情況。當(dāng)無(wú)線業(yè)務(wù)變化時(shí)，觸發(fā)Step 1，繼續(xù)接入更多或釋放的頻譜資源。

4 仿真分析

本文使用 MATLAB 仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了對(duì)等協(xié)作算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的性能增益。仿真采用文獻(xiàn)[11]提出的FAP 密集部署模型，表1所示為本仿真使用的主要參數(shù)。A和B運(yùn)營(yíng)商的家庭基站在每個(gè)房間的分布概率相同，每個(gè)房間只部署一個(gè)家庭基站。仿真場(chǎng)景為2×10×2 雙排模型，如圖4所示，房間大小均為10 m×10 m，每個(gè)房間隨機(jī)放置一個(gè)CSG 模式的FAP 且隨機(jī)部署5個(gè)UE，UE 只能接入同一房間內(nèi)的FAP，基站開(kāi)機(jī)時(shí)選擇載波且每個(gè)FAP 開(kāi)機(jī)順序是隨機(jī)的，房間中的FAP 屬于哪個(gè)運(yùn)營(yíng)商時(shí)也是隨機(jī)的。本文不考慮CC 類(lèi)型的差異性，F(xiàn)AP的下行接收機(jī)在所有載波上均以同樣功率發(fā)射。本仿真使用輪詢(xún)包調(diào)度方式和全緩存業(yè)務(wù)模型。

表1 主要參數(shù)

圖4 仿真場(chǎng)景

仿真中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)頻譜效率參考[12]

式中：S為頻譜效率；SINReff為信干噪比效率；BWeff為系統(tǒng)的等效帶寬；SINRmin為最小吞吐量時(shí)的信干噪比；SINRmax為最大吞吐量時(shí)信干噪比。仿真參數(shù)設(shè)置如下：SINReff=2 dB，BWeff=0.56/dB，SINRmax=32 dB，SINRmin=-10 dB。

本文重點(diǎn)分析了4種不同方案的頻譜效率、小區(qū)邊緣用戶(hù)中斷概率以及SINR的累積分布函數(shù)：

方案1，運(yùn)營(yíng)商間無(wú)頻譜資源共享，無(wú)信息交互場(chǎng)景(No Sharing and No Information，NSNI)；

方案2，運(yùn)營(yíng)商間共享頻譜資源，無(wú)信息交互場(chǎng)景(Sharing and No Information，SNI)；

方案3，運(yùn)營(yíng)商間共享頻譜資源，無(wú)信息交互，對(duì)等協(xié)作場(chǎng)景(Proposed)；

方案4，運(yùn)營(yíng)商間共享頻譜，完全信息交互，對(duì)等協(xié)作場(chǎng)景(Sharing and fully Information, SfI)。

圖5和圖6分別為頻譜效率累積分布函數(shù)圖和SINR的累積分布函數(shù)圖。通過(guò)分析可知，本文提出的對(duì)等協(xié)作算法比NSNI和SNI方案的頻譜效率以及SINR 要好很多，并且非常接近無(wú)差別的頻譜共享方案SfI，這說(shuō)明只要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知能力足夠強(qiáng)，就能夠通過(guò)分布式獲得大部分的異運(yùn)營(yíng)商基站的無(wú)線資源分布情況。

圖5 頻譜效率累積分布圖

圖6 SINR累積分布圖

圖7為當(dāng)中斷功率為-6 dB時(shí)的各場(chǎng)景中斷概率，很明顯本文提出的方案、SNI方案、SfI方案的小區(qū)邊緣用戶(hù)中斷概率比NSNI小很多，這說(shuō)明頻譜共享對(duì)提升網(wǎng)絡(luò)整體性能幫助巨大。與此同時(shí)，對(duì)等協(xié)同方案和SfI方案的中斷概率很接近。

圖7 用戶(hù)中斷概率柱狀圖

由上面分析結(jié)果可知，頻譜共享方案的性能增益要好于非頻譜共享方案的增益，信息交換場(chǎng)景比不信息交換的場(chǎng)景性能增益高。對(duì)等協(xié)作算法雖然沒(méi)有向異運(yùn)營(yíng)商小區(qū)更新頻譜占用信息，但是其各方面網(wǎng)絡(luò)性能均非常接近運(yùn)營(yíng)商間的完全信息交互場(chǎng)景。

5 小結(jié)

針對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)頻譜分配方案未能充分考慮授權(quán)頻譜接入的公平性問(wèn)題，提出了對(duì)等協(xié)作的動(dòng)態(tài)頻譜資源接入方案。該方案中，運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入異運(yùn)營(yíng)授權(quán)頻譜資源時(shí)與異運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有同等的權(quán)利，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，協(xié)調(diào)因信息不全而導(dǎo)致的干擾問(wèn)題，提高了頻譜的利用效率，允許不同運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在干擾允許的情況下共用同一信道。本文對(duì)比4 種不同的動(dòng)態(tài)頻譜資源分配方案，驗(yàn)證了公平競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)差別頻譜接入方案優(yōu)勢(shì)。該對(duì)等協(xié)同策略不僅僅適用于授權(quán)頻譜的共享，同樣適用于非授權(quán)頻譜的使用。

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責(zé)任編輯：許 盈

Dynamic Spectrum Allocation Algorithm Based on Equality and Collaboration

ZHANG Pengyuan, TONG Xiao, TAN Guoping

(HohaiUniversity,Nanjing211100，China)

With the development of wireless multimedia technology, high-quality spectrum resources are increasingly scarce.To solve the spectrum scarcity and sharing problem and improve the spectrum efficiency, a dynamic spectrum sharing scheme is proposed in this thesis, in which a co-primary spectrum algorithm is presented to help operators share their licensed spectrum.The operators share their spectrum resource into a spectrum pool and they are equal to reuse the resource of the spectrum pool, according to the usage of the spectrum which nodes have perceived.The simulation results show that the proposed scheme is better than fixed spectrum management, and the performance is close to the fully information exchanging algorithm when the operators sharing no information exchange.

spectrum scarcity;dynamic spectrum management;co-primary;spectrum sharing

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.07.034

2014-07-23

【本文獻(xiàn)信息】張彭園,仝曉,譚國(guó)平.一種基于對(duì)等協(xié)作的動(dòng)態(tài)頻譜分配算法[J].電視技術(shù),2015，39(7).