基于多小区OFDMA网络的动态频谱分配算法.pdf

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1、第t 9 卷第5 期电子设计工程2 0 1 1 年3 月V 0 1 1 9N o 5E l e c t r o n i cD e s i g nE n g i n e e r i n gM a r 2 0 1l基于多小区O F D M A 网络的动态频谱分配算法李斌，李大力。郝涛(中国人民解放军理工大学通信工程学院。江苏南京2 1 0 0 0 7)摘要：为了提高频谱效率，给二级认知用户提供更多的频谱接入机会，同时保证用户的服务质量(Q D S)，谊文章基于传统的频率复用方法在多小区正交频分多址接入(O F D M A)系统的场景中提出了一种动态频谱分配(D S A)算法。谊算法使得持有频谱执照

2、者在认知无线电环境中在很大的区域内释放频谱给其他的二级市场。还建立了一个分配花费矩阵，使得小区间的干扰达到最小。保证了用户的服务质量(Q o S)。与传统的频率复用方法相比，谊算法有更好的频谱效率。并给二级市场的使用剖遣了更多的机会。关键词：动态频谱分配(D S A)；多小区O F D M A；认知无线电(C R)；二级频谱使用中图分类号：T M 9 3 5 2文献标识码：A文章编号：1 6 7 4-6 2 3 6(2 0 1 1)0 5-0 1 3 4 _ 0 5D y n a m i cs p e c t r u ma s s i g n m e n ta l g o r i t h mi

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4、 o l eo p p o r t u n i t yf o rs e c o n d a r yu s a g ea n dt og o a r a r l e et h eq u a l i t yo fs e r v i c e(Q o S)o ft h el i c e n s e d1 1 s e t s，T h i sp a p e rp r o p o s e dad y n a m i cs p e c t r u ma s s i g n m e n t(D S A)a l g o r i t h m sf o rm u h i c e l lo t t h o g o n

5、a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s(O F D M A)s c e n a r i o sb a s e do nc o n v e n t i o n a lf r e q u e n c yr e u s es t r a t e g i e s A c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e da l g o r i t h m s，s p e c t r u ml i c e n s eh o l d e r sC a l lr e l e a s es p e c t

6、 r u mb a n d si nl a r g eg e o g r a p h i c a la r e a st oo t h e rs e c o n d a r ym a r k e t si nac o g n i t i v er a d i oe n v i r o n m e n t A n di ta l s ob u i l tac o s ta s s i g n i n gm a t r i xa n dm a d et h ed i s t u r bb e t w e e nc e l l st ot h el e a s t，w h i c hg u a r

7、a n t e e dq u a l i t yo fs e r v i c e(Q o S)o ft h el i c e n s e du s e r si nt h es y s t e m C o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lf r e q u e n c yr e u s es t r a t e g i e s t h i sa l g o r i t l l mh a sb e t t e rs p e c t r a le f f i c i e n c ya n ds i r e sm o l eo p p o

8、r t u n i t i e sf o rs e c o n d a r yu s a g e K e yw o r d s：D y n a m i cS p e c t r u mA s s i g n m e n t(D S A)；m u l t i c e l lO F D M A；c o g n i t i v er a d i o(C R)；s e c o n d a r ys p e c t r u mu s a g e在未来无线电的频谱分配和利用的策略中。使频谱管理更灵活和在频谱交易中有更大的经济利益将是频谱管理新的发展方向。与日俱增的频谱竞争和高频谱利用效率的要求催生了这种新

9、的理念。一个主要的观点是：由频谱管理政策导致的频谱短缺比可用频谱物理上的不足更加严重。因此频谱利用率低的问题获得了广泛的关注。目的在于找到更好的频谱管理政策和技术，使得可用频谱的使用在时间和空间上都能得到优化。在文献【l 一2 1 中不同的频谱接入管理模型被定义。简单来说动态频谱接入管理定义了3 种模型：1)动态专用模型：它根据时闯与空间将频带分配给专用的服务和运营者。主用户(也就是持执照的用户)有特定频带的使用权。但在这种模型下。他们允许将自己的频谱与其他持执照者的频谱进行交易(为相同或不同的服务)。2)分等级接人模型：它将用户分为主用户(持执照用户)和二级伺机接人的认知用户。这种模型的关键

10、在于如何让次用户在对主用户不产生干扰的情况下收稿日期：2 0 1 0 一l O 一2 5稿件编号：2 0 1 0 l 0 0 7 9基金项目：自然科学基金资助项目(6 1 0 7 2 0 7 7)作者简介：李斌(1 9 8 4 一)，男，湖南测阳人，硕士，助理工程师。-1 3 4-使用主用户的频谱。在这种模型下，主用户不必对他们的频谱执行高级管理，并且它们可能觉察不到二级用户的存在。在这种情况下，除非是紧急情况，他们可能不愿意无私地开放他们宝贵的频谱资源给二级市场使用。3)公用模型：它促进了频谱的开放共享，尽管没有政府的规章体制(在某些情况下)。这种模型能达到最大的频谱接人效率。由于任何频谱(

11、有执照或没执照)在时间和空间上都能被主用户和次用户共享，没有任何规章制度。这种新的频谱接入方式可以叫为P T i v a t eC o m m o n s r Z-3；。这种模型与分等级接入模型的主要区别在于。主用户都热心于开放他们的频谱并为次用户创造频谱接入机会因为他们会对每个二级频谱接人收取费用。本文以P r i v a t eC o m m o n s 模型为基础。主运营者执行动态频谱分配(D S A)策略。以使得频谱效率最大化。基于这个目的。主运营者试图用最小的频谱保证他们用户的Q o S 的同时，在大区域范围内释放频谱块来创造频谱接入机会。这样。主用户和次用户都有最大的频谱使用机会而

12、主运营者可以从二级市场的频谱交易中获得额外的经济利益。实现该策研究方向：军事通信抗干扰。认知无线电中的动态频谱分配。万方数据李斌等基于；小日O F D M A 月络动态颤谱分配算法略柯“T 月十技术求：I)m m m#$：e*m m R*t 戚m O F D M A 作为候t 技术目幢戴(d 目邻m的薮糍叫棚港块)能教t R 井升镕*矧午M*H 传#时I 十目日率n m F 游腺(杠十*R)2)D s 技术：在i 线自接u t 考自：到网络自载在时目日女目t m 自自月i*“*E i 月r】O 西m p 啦t 十扰“增十十*#&(自常受m fs】R)F R 自#破#谱(A 蛤定R 城内)。#n

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22、根据单元负载来调整的，所以高负载的单元会得到多数量的频谱块。在系统中给定一个最大的可用频谱块数J、r，那么分配给第，个单元的频谱块数J、；E l，2，M 由下式给出：N,=m i nN 一(1 孕】)(3)其中M 表示大于或等于聋的最小的整数，珥表示由第个单元服务的用户数(即负载)，瓦表示每个用户要求的最少吞吐量，|是估计的频谱块容量，在D S A l 算法中是常数。实际上，晟=(W N)(枷，k 的单位是b i f f s，W N 其中是频谱块带宽，是理论上的最大频谱效率1 是一个经验极限系数，由于差的信道条件获得的平均频谱效率是低于的。所以极限系数降低了 7 一从而获得了更接近实际频谱块容

23、量的值。对于D S A l 来说厂是固定的，并离线设置，因此，频谱块容量根据f 的值可能会被高估或低估。第二步：分配频谱块给每个单元并计算潜在单元干扰。为了减少单元间干扰频谱块的分配要避免邻近单元使用相同的频谱块。同样，如果一个单元负载过高，它周围的单元应不使用相同的频谱块，因为这个单元很可能会产生干扰。而一个单元是低负载的，那它周围的单元应避免使用分配给该单元的少量频谱块，因为它可能不利于频率分集并因此让干扰效应变得更差。考虑到这几点，建立一个K x K 的对称矩阵(K 是单元的数量)。A(i J)是负载和路径损耗的形式来表示单元i和单元，之间的关系，用下式表示：f 0，若沔州。扣悟+e L

24、 _ L R _ 一其他H 珥表示单元J 内的用户数(单元负载)，R 是单元半径，k是单元i 的中心到单元，的边缘的最短距离，占是路径损耗指数。可以看出，当有关单元有相同负载时，L+兽取最小值嘶2 因此可以让有相同负载的单元使用相同的频谱块。另外，因为产生干扰的单元远离正在服务的单元使得这些单元的花费更少了。因此分配程序用最小花费(单元间干扰最小)分配给定的单元J 其所需的频谱块。分配第1 t 个频谱块给单元_ 的花费用下式计算：骞n)艺t。o(i J)，机表示分配到第n 个频谱块的一系列单元。2)D S A 2 算法与D S A I 中厂保持恒定不同，在D S A 2 根据单元的不满意度母来

25、调整单元的Z，这使得每个频谱块比D S A l 有更好的容量估计，；可用下式计算：舻凡庐 J f，凡母(5)I f,+NP P P 仲其中是阶跃极限系数，母是单元J 的不满意概率，气和P 岫分别是系统设定的单元不满意概率的两个极限。第一步：计算分配给每个单元的频谱块数量。用式(5)更新了石之后，用k _=(W N)(埘)取代k，然后用b 代入式(3)计算出分配给单元j 的频谱块数量。D S A 2 倾向于将不满意概率保持在凡和气之间，如果不满意概率低于凡，将会减少给每个单元的频谱块，这就改进了频谱效率，并为二级认知无线电的使用提供资源。：第二步：分配频谱块给每个单元并计算潜在单元干扰。D S

26、A 2 与D S A l 执行相同的分配程序。4 仿真结果分析仿真场景设定如下：网络内小区数K=1 9，系统中最大频谱块数量为-1 2 小区的半径为R=5 0 0m，用户分布在每个小区内。且每个用户都被限制在本小区内移动。系统的总带宽W=3 7 5M H z，频谱块带宽W I N=3 7 5k H z，路径损耗指数8=3 7 6 用户需要的最少吞吐量T 西=1 2 8k b i t s，最大频谱效率=4b i t s H z，经验极限系数产2 5，t 旷-o 0 5，凡-0 1，P 呷=5。仿真在4 种负载分布方式上进行，一个单元内的负载在时间上和空间上是不断变换的。仿真中选定4 种情况进行仿

27、真。即1 9 个单元中有最高负载的小区，其负载占所有小区总负载的百分比分别为5 2 6(即1 9 个单元负载都相同)、1 0、1 5 和2 2 时。图5 表示的是每个小区平均被分配的频谱块数量，可以看到F R F I、F R F 3、P R 和S R 在任何时候分别需要1 2、4、6、1 2个频谱块，D S A l 算法所需的频谱快要少于4 个，而D S A 2 算法需要的频谱块最少，因为它能更好估计频谱块容量。从而调整自身参数以适应系统要求。蒜裳壤5最高负载单元总负载的百分比圈5 小区平均被分配的频谱块数量F i g 5A v e r a g en u m b e ro fc h u n k

28、 sp e rc e l l图6 表示的是小区的平均不满意度概率，平均不满意概率肛用下式计算：肚 号萋。磊卵(t)(6)瓦是用户满意的吞吐量，是观察期间内总的帧数，U 是总用户数，卵()是第m 个用户在第t 帧时的满意指示，)=巴篙翥川胆用户m 在t 帧时的平均吞吐一1 3 7-万方数据 电子设计工程)2 0 1 1 年第5 期“l一一一一(1 F 1 1 M#4 G t 目镕&R m*mW自：I)A *p 帕”镕M T*卉的谱蛙率mn 一i：一m&进：2)为=镕啦蝎创造T 新的#讲接 m 台H-川请*目#自4*#从n 种n 2-I|#m r”*W n 匈m。目nt#苒*日“作勾一种较d 活*

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