楊 杰

（電子科技大學(xué) 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(shù)和時分多址技術(shù)的優(yōu)點結(jié)合于一體，因此，它被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)和平流層通信系統(tǒng)中。該技術(shù)不僅可提供高效的數(shù)據(jù)流而且同時保持容量分配的靈活性。平流層通信系統(tǒng)的上行傳輸鏈路采用該技術(shù)是因為大量的連接請求共享有限的系統(tǒng)資源特點。在系統(tǒng)中應(yīng)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(nèi)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(wù)質(zhì)量（QoS,Quality of Service）要求為每個連接分配固定數(shù)目的時隙資源?，F(xiàn)考慮兩類 QoS參數(shù)——數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸速率外，系統(tǒng)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(jié)構(gòu)

已知調(diào)制方式和數(shù)據(jù)傳輸速率后，突發(fā)數(shù)據(jù)長度可通過系統(tǒng)特別查詢表唯一決定。雖然選擇一種高突發(fā)速率的調(diào)制方式可以節(jié)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(fā)速率直接導(dǎo)致更大的誤碼率，因此，需要在系統(tǒng)容量和QoS之間權(quán)衡利弊[1]。

在突發(fā)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(tǒng)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(xù)；

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(tǒng)固有硬件發(fā)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(shè)備的多頻調(diào)制器的非線性性，避免生成互調(diào)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(shù)，需計算可允許的最大突發(fā)速率。一旦突發(fā)速率確定下來，所需的調(diào)制方式可從特定系統(tǒng)查詢表中獲得。假設(shè)系統(tǒng)采用二進制差分相移鍵控調(diào)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(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)，如鏈路參數(shù)，由式（2）給出：

其中，Pt為發(fā)射功率分貝數(shù)；Gt為發(fā)射天線增益分貝數(shù)；Lf為自由空間損失分貝數(shù)；Lr為雨水損失分貝數(shù)；Lc為因災(zāi)難性事件所致?lián)p失分貝數(shù)；Gc為編碼增益分貝數(shù)；Gr為接收天線增益分貝數(shù)；Rb為每秒突發(fā)符號率；k為波爾茲曼常數(shù)（1.38× 10?23J K ）；T為系統(tǒng)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(shù)[4]。由鏈路開銷公式（1）可知，固定時隙數(shù)、誤碼率和數(shù)據(jù)傳輸速率三者相互制約，可通過選擇調(diào)制方式來協(xié)調(diào)。這里提出了一種基于馬爾科夫模型的預(yù)測方法來預(yù)測有效降雨量范圍內(nèi)最壞情況下的誤碼率，然后通過選擇調(diào)制方式來匹配所預(yù)測到的最壞誤碼率。文獻[5]也對相應(yīng)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(tài)組成。每一個狀態(tài)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(tài)0～39表示降雨量為 0～39 mm/hr時的波動增加或常量；狀態(tài)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(tài)轉(zhuǎn)移情況下的相對頻率，而相對頻率可以用來計算轉(zhuǎn)移概率。因此，該過程可以提供一個對概率轉(zhuǎn)移矩陣P的評估，Pij表示從狀態(tài)i到狀態(tài) j的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。

3.2 計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率

假設(shè)已知連接持續(xù)時間且定位N個時間單元（N為整數(shù)）。設(shè)狀態(tài)域為?，{Pij∶i, j∈?} 為馬爾科夫過程中所得轉(zhuǎn)移概率。不考慮通常情況下的損耗，假設(shè)連接起始時間為零，此刻系統(tǒng)狀態(tài)為x0。那么在時刻n，系統(tǒng)的狀態(tài)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(tài)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(tài)。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(shù)

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(fā)速率可通過式（1）、式（2）計算得到。使用計算所得突發(fā)速率可以找到匹配的調(diào)制方式。此時，已知調(diào)制方式和數(shù)據(jù)傳輸速率，突發(fā)的大?。〞r隙數(shù)量）可通過查詢系統(tǒng)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(shù)。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(diào)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(yù)約優(yōu)先算法

載波信道預(yù)約優(yōu)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(biāo)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(yù)約信道的方式，使業(yè)務(wù)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(jīng)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(shù)。顯然，當(dāng) Nt＞Nc時，不可能為每一個終端在請求連接時預(yù)留一個獨立信道，導(dǎo)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(yù)約的有效性，應(yīng)盡量降低出現(xiàn)這種可能性的出現(xiàn)。算法流程圖如圖2所示。

圖2 載波信道預(yù)約優(yōu)先算法流程

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

5 結(jié)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(yīng)用于設(shè)計中，分為兩個步驟，確定時隙資源數(shù)和時隙資源的分配。研究結(jié)果顯示，該算法比首先適應(yīng)算法和最佳適應(yīng)算法[7]在資源利用率和拒絕率方面有更好的表現(xiàn)。由于其高效性、穩(wěn)定性和可實現(xiàn)性，該算法可應(yīng)用于平流層通信系統(tǒng)中。

[1] 王新, 李寶平.CDMA/SDMA系統(tǒng)性能分析[J].通信技術(shù), 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(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)帶寬分配算法研究[J].通信技術(shù),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.