摘要:文中提出了一种适用于蜂窝通信网的分布式无线信道分配方法。当网络部署环境中出现干扰后，终端用户通过控制信道，发送反馈信息至基站;基站接收到反馈信息后，对可用信道进行扫频，利用广播帧通知受干扰的终端用户可用信道信息;然后终端用户收到基站发送的广播帧后，根据优先级机制，选择新的信道重新建立与基站的通信，当蜂窝通信网中终端用户受外部干扰而信道中断后，该方法可减少终端用户和基站之间信令的开销。
关键词:蜂窝通信;信道分配;信令开销
中图分类号:TN915 文献标识码:A
引言
蜂窝通信网，特别是3GPP定义的3G/4G系统，是当前应用最为广泛的公共无线通信体系。2008年，蜂窝网用户数已达26亿。其中，LTE作为未来一代无线通信技术，是蜂窝通信的未来延伸方向，也得到了世界范围内移动运营商的认可。LTE利用新的DSP处理技术和调整技术，可以增加无线网络的通信容量，从2000年开始被广泛研究。电网的传输范围广泛，终端用户数量非常巨大。无线通信中，无线资源的分配问题已经被广泛研究，其主要的分配方式可以分为两类:集中式和分布式的方法。在传统的集中规划中，每个需要资源的用户终端将需求发送给基站，基站根据收到的请求，计算并分配指定资源给特定的用户。集中调度的优点是，基站可以完全控制网络中所有的用户，理论上可以达到最高的系统效率。但它需要得到所有终端的信息，这样使得终端和基站之间需要传输更多的信令信息。这些信令包括服务的要求、资源分配需求、信道质量信息反馈和控制信息等，使得基站调度计算相当复杂，不太适合资源有限的无线通信网络。另一方面，在分布式资源分配中引入博弈论理论，提出一种基于游戏论分析的分布式自适应信道分配方法，需要各个终端用户具有认知无线电的行为。其中的迭代过程复杂且达到纳什均衡也很困难，因而同样也不适合能量和资源有限的无线通信环境。本文主要针对现有技术之蜂窝通信网中终端用户受外部干扰信道中断后，各个被干扰终端用户之间分布式信道分配问题，研究适用于蜂窝通信网的分布式无线信道分配方法，这也是信息技术领域目前急待解决的问题之一。鉴于此，本文提出了一种适用于蜂窝通信网的分布式无线信道分配方法，通过终端用户依据信道，建立与基站之间的连接，然后当发送干扰后，终端用户通过控制信道，发送反馈信息至基站，接着基站接收到反馈信息后，将对可用信道进行扫频，利用广播帧通知受干扰的终端用户可用信道信息，然后终端用户收到基站发送的广播帧后，根据优先级机制，选择新的信道重新建立与基站的通信，当蜂窝通信网中终端用户受外部干扰信道中断后，本方案可有效地减少终端用户和基站之间信令的开销。
1系统模型
本方案选择3GPP-LTE作为蜂窝通信网的无线通信基础网络。如图1所示(蜂窝通信网的拓扑结构)，在蜂窝网络中，数据控制中心可以认为是基站BS(作为移动通信基站)。配有无线设备的终端节点，可以认为是无线网络中的用户终端。每个无线终端将采集的数据信息通过LTE无线网络传输到基站的数据控制中心。这里假设每个终端可以周期性检测网络和传输数据。当受到外部系统干扰后，蜂窝通信网无线通信信道中断，例如:终端用户1，2和3的信道被干扰，通信中断。本方案基于LTE的蜂窝通信网通信模型以及其中当外部系统干扰了蜂窝通信网无线通信信道后，研究各个智能终端快速切换到新信道的方法。
2分布式信道分配方法
本小节提出的分布式信道分配方法的主要思路为:通过采用分布式信道分配方案，各个受到干扰的用户终端，通过计算各自的优先级，选择合适的延时时间，通过切换信道实现消除外部干扰对用户通信的影响。第1步:终端用户依据信道，建立与基站之间的连接。在以3GPP-LTE为代表的蜂窝移动通信系统(即:一个典型的多信道多接入网络)中，可用的无线带宽可以在基站被划分成多个信道。系统中的每一个用户终端，可以通过其中一个或多个信道将采集的数据传输给基站。在本方案中，每个终端用户可以占用一个信道用于数据传输。基站和终端用户可以利用专门的控制信道，进行控制信息的通信。同时，终端用户可以侦听到网络其他用户的信道占用状况。具体而言，在本方案中可以假设:可用带宽在基站可以分为多个信道，即{f1，f2，…，f10}。每个终端用户可以使用一个信道，建立与基站之间连接，并且基站拥有足够多的信道可以被用户使用。第2步:当发生干扰后，终端用户通过控制信道，发送反馈信息至基站。由于蜂窝网络可用于通信的无线频段可能存在与其他无线系统的重叠，因此，当发生外部干扰，智能终端的可用无线信道将被中断，导致不能正常传输数据。一旦无线信道中断和数据传输出现障碍，终端用户可以通过控制信道向基站发送反馈信息，这些信息(即干扰终端反馈包结构)包括用户标识(ID)、被干扰信道的标识以及信道状态。例如:可以假设，当蜂窝网络中出现干扰后，终端用户1～6无法与基站进行通信。终端用户可以通过控制信道，发送反馈信息至基站。第3步:基站接收到反馈信息后，将对可用信道进行扫频，利用广播帧通知受干扰的终端用户可用信道信息。基站在收到干扰反馈后，对可用信道进行扫频，利用广播帧通知各个受干扰的终端用户可用信道信息。在本方案中，有足够信道可以分派给各受干扰的终端用户。例如:可以假设在本方案中，基站根据反馈信息进行扫频，并广播告知被干扰的终端用户可用信道信息，即{f1，f2，f3，f4，f5，f6}可用，而{f7，f8，f9，f10}已经被使用。第4步:终端用户收到基站发送的广播帧后，根据优先级机制，选择新的信道重新建立与基站的通信。当终端用户收到基站发送的广播帧后，将根据优先级机制，选择一个新的信道重新建立与基站的通信。由于终端用户离基站或干扰源位置不同，可用的信道数量是不同的。为了保证终端用户之间的公平性，即确保每个干扰的终端用户都可以建立与基站的通信，这里给每一个终端用户定义一个优先级p。拥有多的可用信道的终端用户有一个较低的优先级;相反，可用信道较少的终端用户有一个更高的优先级，以便它可以尽早选择可用的信道建立与基站的通信。为了终端用户同时接入同一个信道而产生的避免碰撞，具有相同优先级的多个终端用户需要延迟一段随机时间后，才能选择信道接入。为了确保每个被干扰的用户都可以加入网络，具有高的优先级用户，其延迟时间应该要短于优先级较低的用户。因此，根据优先次序，终端用户延迟的随机时间选择范围是分段的。即，所有被干扰的终端用户必须延迟一个随机时间后，才能选择可用的信道加入该网络。根据终端用户的优先级，延迟的随机时间取值范围是分段的。本小节所述的分布式无线信道分配方法流程如图2所示。
3优先级计算与延迟接入机制
在本方案中，每个被干扰终端用户i的优先级p可以由式(1)计算所得:p(i)=1/ki(1)其中，参数ki代表第i个被干扰用户的可用信道数。如图1所示(受外部系统干扰后蜂窝通信网的无线通信信道中断示意图)，终端用户1，2和3的信道被干扰，通信中断。根据基站发送广播帧，每个终端用户可用的频道数量可以由图3所示(终端用户被干扰的终端用户，根据其可用的信道数目，可以计算得到一个优先级，拥有多的可用信道数的用户具有较低的优先级。根据公式(1)，计算每个UE终端用户的优先级。每个UE终端用户等待一个随机时间，再接入新的信道建立网络连接。为了提高整个无线网络的性能，终端用户可以选择一个随机的延迟之后接入信道增加最大的信道。一旦中断的终端用户选择接入一个新的信道，并恢复了与基站的通信，它将发送一个信令通知其他终端用户。此外，当多个终端用户重新加入网络，一些可用信道被占用，剩下的终端用户需要更新自己的优先级。例如，在信道分配的伊始，被干扰的终端用户可以有多种信道接入选择，因此，它的优先级较低。当一些具有较高的优先级的终端用户加入网络中，部分可用的信道是由这些终端用户的占领。因此，剩下的可用信道减少，于是其优先级需要更新和提高。为了确保每个中断用户可以接入至少有一个信道，本方案提出动态优先级机制。当用被干扰终端用户接入网络后，其他终端用户可以根据它发送的信令，更新可用的信道数量，并更新其优先级。一旦可用信道被占领后，终端用户可以提高其优先级并先接入网络。即，当终端用户选择合适的信道加入网络后，通知其他用户。其他终端用户可以根据该信息，更新自己的优先级。用于蜂窝通信网无线通信网中遇到外部干扰，其部分终端用户被干扰。基站发送广播帧告知这些被干扰的用户可用信道的信息。根据该信息和本地信息，每个干扰用户可以得知各自具体的可用信道信息根据可用信道的数量，每个终端用户可以计算得到其优先级。其中，对于终端用户1而言，因为只有一个可用的信道，它的优先级是最高的。终端用户1等待一个随机时间，并第一个接入信道f1，加入网络，如图6所示。随后，终端用户1发送信令通知其他终端用户，f1被使用。其中t1∈T1=(0，a1)，如图4所示。
4性能仿真
本文采用MATLAB语言进行仿真实验，验证了所提的分布式无线信道分配方案。仿真假设如下:蜂窝通信网的小区内包括若干个用户终端，每个终端有具备信道检测以及向基站(或数据中心)传输数据的能力。蜂窝通信网的拓扑结构如本文第二小节所述。假设当外部干扰发生后，网络中有6个终端的通信被干扰，并且如图5所示存在着6个可用的接入信道。如图7所示，当采用本文所提的分布式无线信道分配方法后，每个终端都可以公平且有效的接入网络。显然，如果所有的用户终端都对可用信道的进行竞争，则对于那些可用信道数少的终端而言，竞争相对不公平。例如:对于终端1，如果f1被终端2占用，就只有一个无线信道可以使用了。如果采用传统的方法，一些终端则必须等待一段较长的时间，知道基站为其分配新的无线信道。
5结束语
本文提出了一种适用于蜂窝通信网的分布式无线信道分配方法，通过终端用户依据信道，建立与基站之间的连接，然后当发送干扰后，终端用户通过控制信道，发送反馈信息至基站，接着基站接收到反馈信息后，将对可用信道进行扫频，利用广播帧通知受干扰的终端用户可用信道信息，然后终端用户收到基站发送的广播帧后，根据优先级机制，选择新的信道重新建立与基站的通信，当蜂窝通信网中终端用户受外部干扰信道中断后，本方案可减少终端用户和基站之间信令的开销。
作者：李乃振 单位：中国人民解放军92493部队
