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绪论
第三代移动通信(简称3G)技术已经进入市场应用和推广，世界各大研究机构己把重点转入到第四代移动通信技术的研究上。蜂窝移动通信系统的特点是将较大的区域划分为若干个较小的小区，在每个小区的全部或是部分共同使用同一频谱。由于频谱资源有限，在不同小区，甚至是相邻小区可能会出现同时使用某一频谱的情况，使无线信号空间隔离达不到要求，这样必然会出现共道干扰的情况，影响数据传输的质量和通信的效果，情况严重时，甚至是无法实现正常的数据传输。如何使小区之间干扰在不增加的情况下提高频谱利用率，是移动通信研究问题的关键之一。
OFDMA技术
OFDM(orthogonal frequency division multiple-xing)技术是一种在无线环境下的高速多载波传输技术，在频域内通过将给定信道分成许多正交子信道，每个子信道上使用一个子载波进行信号调制，各子载波并行传输。OFDAM技术能有效地抑制无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰(ISI,inter symbol interference)，可灵活地进行频率选择，方便地实现频谱管理，是公认的比较容易实现频谱资源控制的方法，目前无线通信领域的新兴技术几乎都以OFDM 为核心，OFDM 技术已经成为下一代无线通信技术的主流。
集中式动态资源分配与分布式动态资源分配算法
在移动通信系统中，比较典型的通信频谱分配算法主要有两种，一种是集中式动态资源分配，另一种是分布式动态资源分配。
在集中式动态资源分配算法中，频谱的分配由控制中心来决定，用户和基站只是参与策略的实施，负责收集信道信息，然后将信息反馈到控制中心。控制中心根据掌握的整个区域的信息情况，按照最佳的分配算法进行频谱资源的分配，为此，控制中心要付出计算复杂度高、延迟时间长的代价。
在分布式动态资源分配算法中，频谱分配策略是由用户或基站决定，他们相互之间可以是独立的，也可以有一定的合作关系。在此算法中，由于信号携带的信息量少，计算复杂度也大大地降低，具有一定的优势。
在采用OFDMA 技术的现代通信系统中，由于存在频率选择性衰落，必须针对每个子载波进行信息交互，因此，完全的集中式算法和分布式动态算法在OFDMA系统中都比较很难实现。究其主要原因，一是传统算法将事先确定的信噪比（SINR）门限加于接收信号上，但现代宽带数据通信系统采用的是动态的自适应编码和调制，发射机和接收机采用的编码和调制技术也不一定相同，而且SINR的不同，系统的吞吐量也是不同的。其次是传统算法都是基于平坦衰落的，信道信息只要和一个频谱相一致就可以，算法比较简单，而现代宽带无线通信系统为了对抗频率选择性衰落有着更多的选择，用户的数据传输速率要求也有很大的不同。第三是现代宽带无线通信系统中信道信息量较高，计算复杂。完全的分布式算法在平衡系统通信状况方面存在较大困难，而且受信道的影响较大难以实现。
按优先级的多小区间资源分配的算法
为了克服以上两种通信频谱分配方式的因维，在以OFDMA技术为物理传输层的移动通信系统中，提出一种按优先级的多小区间动态频谱资源分配的算法，在进行资源分配之前，先计算每个小区在上个时间段的频谱利用率，根据频谱利用率的大小不同，确定小区载波分配的优先级，按优先级的不同进行载波再分配，从而达到有效地使用载波，减少小区间的共道干扰问题，提高载波的效率和系统的容量。
·算法描述
为了分析按优先级进行小区间资源分配算法对系统性能影响的方便，假设蜂窝移动通信系统中的每个小区有且只有一个基站，每个基站向其所在小区的用户传输数据时的功率保持不变，在此基础上，获得每个小区在此时间段能够使用的子信道个数，再与每个小区实际占用的子信道个数作比较，获得在此时间段小区分配子信道的优先级，按照小区的优先级顺序为小区分配下一时间段子信道个数，框图如图1所示。
·仿真实验及结果分析
不失一般性，假设一个蜂窝移动通信系统中包含有7个紧密相连的小区，每个小区都是一个半径相同的正六边形的区域，正六边形的半径为600米。每个小区设立一个基站，基站置于小区的中心处。在每个小区中有10个用户，随机分布于小区的各个位置。如图2所示某一时刻的系统拓扑图。
假设系统可用的总带宽为1 MHz，被分成64个子载波。每个子载波的噪声功率谱密度一样，都为1．0€?0-9。在这个系统中小尺度衰落采用6径瑞利衰落信道，时间延迟为[1 2 5 16 23 50]微秒，功率衰落为[-30 -2 -6 -8 -10]dB。用Simulink在MB一OFDM系统平台上仿真，仿真结果如图2。
图3是当小区半径为600米时，大尺度衰落的参数分别为：K=1.0€?0-5， d0=1000m，€%Z=4时的系统性能图。其中横坐标表示的是进行的算法实验次数， 纵坐标表示每次算法结束后的所获得的系统的总容量。
图4是当小区半径为60米时，大尺度衰落参数分别为：K=1.0€?0-5，d0=lm，€%Z=4时的微蜂窝通信系统的系统性能图。
由图3、4可以很容易就看出，论文中提出的以上一时刻小区的资源使用情况为根据，按小区的优先级进行小区间资源分配的算法，比随机进行的小区间资源分配算法系统性能得到了一定的提高，而比未进行任何资源分配算法的系统性能要大很多。
将图3和图4相结合来看，不论是在半径较大（R=600m）的宏蜂窝通信系统中,还是在半径较小(R=60m)的微蜂窝通信系统中，将三种算法的系统性能优劣方面进行比较，可以看出：依然是论文中所提出的算法对提高系统性能的贡献最大。
采用随机资源分配算法后的系统性能与进行资源分配之前的系统性能之比不到2，采用论文所提资源分配算法后的系统性能与进行资源分配之前的系统性能之比大于5.5。进一步说明采用文中所提的多小区资源分配算法可以在一定程度上提高系统的性能。
结束语
通过针对蜂窝移动通信系统中多小区间资源分配算法进行研究，在物理层采用OFDMA技术的蜂窝移动通信系统中，提出根据控制中心从当前所有基站收集的小区使用频谱资源的状况来计算，得到每个小区的频谱资源分配优先级，以此用作为下一个时间段进行资源分配时的标准，实现自适应多小区资源分配。仿真结果表明，采用按照优先级进行小区间资源分配算法的系统性能显然要比不采用该算法的系统性能有十分明显提高。
（作者单位：武汉铁路职业技术学院）
第三代移动通信(简称3G)技术已经进入市场应用和推广，世界各大研究机构己把重点转入到第四代移动通信技术的研究上。蜂窝移动通信系统的特点是将较大的区域划分为若干个较小的小区，在每个小区的全部或是部分共同使用同一频谱。由于频谱资源有限，在不同小区，甚至是相邻小区可能会出现同时使用某一频谱的情况，使无线信号空间隔离达不到要求，这样必然会出现共道干扰的情况，影响数据传输的质量和通信的效果，情况严重时，甚至是无法实现正常的数据传输。如何使小区之间干扰在不增加的情况下提高频谱利用率，是移动通信研究问题的关键之一。
OFDMA技术
OFDM(orthogonal frequency division multiple-xing)技术是一种在无线环境下的高速多载波传输技术，在频域内通过将给定信道分成许多正交子信道，每个子信道上使用一个子载波进行信号调制，各子载波并行传输。OFDAM技术能有效地抑制无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰(ISI,inter symbol interference)，可灵活地进行频率选择，方便地实现频谱管理，是公认的比较容易实现频谱资源控制的方法，目前无线通信领域的新兴技术几乎都以OFDM 为核心，OFDM 技术已经成为下一代无线通信技术的主流。
集中式动态资源分配与分布式动态资源分配算法
在移动通信系统中，比较典型的通信频谱分配算法主要有两种，一种是集中式动态资源分配，另一种是分布式动态资源分配。
在集中式动态资源分配算法中，频谱的分配由控制中心来决定，用户和基站只是参与策略的实施，负责收集信道信息，然后将信息反馈到控制中心。控制中心根据掌握的整个区域的信息情况，按照最佳的分配算法进行频谱资源的分配，为此，控制中心要付出计算复杂度高、延迟时间长的代价。
在分布式动态资源分配算法中，频谱分配策略是由用户或基站决定，他们相互之间可以是独立的，也可以有一定的合作关系。在此算法中，由于信号携带的信息量少，计算复杂度也大大地降低，具有一定的优势。
在采用OFDMA 技术的现代通信系统中，由于存在频率选择性衰落，必须针对每个子载波进行信息交互，因此，完全的集中式算法和分布式动态算法在OFDMA系统中都比较很难实现。究其主要原因，一是传统算法将事先确定的信噪比（SINR）门限加于接收信号上，但现代宽带数据通信系统采用的是动态的自适应编码和调制，发射机和接收机采用的编码和调制技术也不一定相同，而且SINR的不同，系统的吞吐量也是不同的。其次是传统算法都是基于平坦衰落的，信道信息只要和一个频谱相一致就可以，算法比较简单，而现代宽带无线通信系统为了对抗频率选择性衰落有着更多的选择，用户的数据传输速率要求也有很大的不同。第三是现代宽带无线通信系统中信道信息量较高，计算复杂。完全的分布式算法在平衡系统通信状况方面存在较大困难，而且受信道的影响较大难以实现。
按优先级的多小区间资源分配的算法
为了克服以上两种通信频谱分配方式的因维，在以OFDMA技术为物理传输层的移动通信系统中，提出一种按优先级的多小区间动态频谱资源分配的算法，在进行资源分配之前，先计算每个小区在上个时间段的频谱利用率，根据频谱利用率的大小不同，确定小区载波分配的优先级，按优先级的不同进行载波再分配，从而达到有效地使用载波，减少小区间的共道干扰问题，提高载波的效率和系统的容量。
·算法描述
为了分析按优先级进行小区间资源分配算法对系统性能影响的方便，假设蜂窝移动通信系统中的每个小区有且只有一个基站，每个基站向其所在小区的用户传输数据时的功率保持不变，在此基础上，获得每个小区在此时间段能够使用的子信道个数，再与每个小区实际占用的子信道个数作比较，获得在此时间段小区分配子信道的优先级，按照小区的优先级顺序为小区分配下一时间段子信道个数，框图如图1所示。
·仿真实验及结果分析
不失一般性，假设一个蜂窝移动通信系统中包含有7个紧密相连的小区，每个小区都是一个半径相同的正六边形的区域，正六边形的半径为600米。每个小区设立一个基站，基站置于小区的中心处。在每个小区中有10个用户，随机分布于小区的各个位置。如图2所示某一时刻的系统拓扑图。
假设系统可用的总带宽为1 MHz，被分成64个子载波。每个子载波的噪声功率谱密度一样，都为1．0€?0-9。在这个系统中小尺度衰落采用6径瑞利衰落信道，时间延迟为[1 2 5 16 23 50]微秒，功率衰落为[-30 -2 -6 -8 -10]dB。用Simulink在MB一OFDM系统平台上仿真，仿真结果如图2。
图3是当小区半径为600米时，大尺度衰落的参数分别为：K=1.0€?0-5， d0=1000m，€%Z=4时的系统性能图。其中横坐标表示的是进行的算法实验次数， 纵坐标表示每次算法结束后的所获得的系统的总容量。
图4是当小区半径为60米时，大尺度衰落参数分别为：K=1.0€?0-5，d0=lm，€%Z=4时的微蜂窝通信系统的系统性能图。
由图3、4可以很容易就看出，论文中提出的以上一时刻小区的资源使用情况为根据，按小区的优先级进行小区间资源分配的算法，比随机进行的小区间资源分配算法系统性能得到了一定的提高，而比未进行任何资源分配算法的系统性能要大很多。
将图3和图4相结合来看，不论是在半径较大（R=600m）的宏蜂窝通信系统中,还是在半径较小(R=60m)的微蜂窝通信系统中，将三种算法的系统性能优劣方面进行比较，可以看出：依然是论文中所提出的算法对提高系统性能的贡献最大。
采用随机资源分配算法后的系统性能与进行资源分配之前的系统性能之比不到2，采用论文所提资源分配算法后的系统性能与进行资源分配之前的系统性能之比大于5.5。进一步说明采用文中所提的多小区资源分配算法可以在一定程度上提高系统的性能。
结束语
通过针对蜂窝移动通信系统中多小区间资源分配算法进行研究，在物理层采用OFDMA技术的蜂窝移动通信系统中，提出根据控制中心从当前所有基站收集的小区使用频谱资源的状况来计算，得到每个小区的频谱资源分配优先级，以此用作为下一个时间段进行资源分配时的标准，实现自适应多小区资源分配。仿真结果表明，采用按照优先级进行小区间资源分配算法的系统性能显然要比不采用该算法的系统性能有十分明显提高。
（作者单位：武汉铁路职业技术学院）