无线电环境中的动态频谱分配林晶北京邮电大学电信工程学院，北京(100876)E-mail：linjing0597@摘要：本文简要介绍了为了解决无线通信频谱紧张的现状提出的动态频谱分配的方法。
首先介绍了频谱分配的3种基本方法，并将他们进行比较，引出contiguous动态频谱分配。
重点介绍了全局，时域和空域方面动态频谱分配的经典算法结构。
关键词：固定频谱分配，动态频谱分配，contiguous动态频谱分配1.引言目前的无线电频谱被划分为不重叠的区域，并把他们分配给不同的无线电标准。
频谱的独有使用解决了标准之间冲突的问题，但是这种频谱固定分配（FSA）仍然存在着许多缺点。
首先，先前被分离的不同无线行业现在正在有合并的趋向，由不同系统支持的服务的界限也变得模糊不清。
随着核心网连接不同系统形成了一个复杂的无线网络，在将来也会有更大的兼并。
它影响了过去这种对于不同服务的调整机制，使得它变得不不合时宜。
其次，大部分的通信网络受限于时间和地点的变化，所以在某时某地某些用户的无线频谱处于不充分利用时，其他某个用户正处于频谱短缺的时候。
基于无线频谱的商用价值和频谱利用率的重要性，诸如此类的浪费必须避免。
所以，动态频谱分配（DSA）应运而生。
2.动态频谱分配的方法对于DSA的方法，比较被给予肯定的DSA方法有两种[1]：contiguous DSA 和 fragmented DSA。
如图2-1，表示了固定频谱分配（FSA），contiguous DSA 和 fragmented DSA这三种频谱分配方法的示意图。
图2-1 固定频谱分配，contiguous DSA 和 fragmented DSA的频谱分配示意图[1]固定频谱分配将临近的频谱分配给临近的RAN，频谱之间有适当的保护频带。
但顾名思义，无论业务量大小，分配给各RAN的频谱量是固定不变的。
contiguous DSA可以被看成是FSA到DSA的演变阶段，它仍然使用邻近的频谱分配给不同RANs，在频谱之间也有适当的保护频带将他们分开，但是，分配给不同系统的频谱宽度可以根据业务量变化。
只有当RAN释放了它的频带，邻近的RAN才可以增加它被分配的频谱。
但是，这种方法确实提供了当RAN不充分利用频谱时，允许其他的RANs使用频谱。
目前提议普遍采用的是contiguous DSA。
在fragmented DSA里，被分配的动态频谱可以看成是一个总体，任意的RAN可以分配到任意位置的频谱。
在这种方法里，接入网络的频谱大小并不是由邻近频谱小区决定的，它具有更大的分配灵活性，但是比较复杂，各提议中都较少用到此方法。
它的优点是允许大于2个的RAN共用频谱。
基于利用率和复杂度，contiguous DSA被广泛认为最为具有现实意义的频谱分配方法。
以下就将对contiguous DSA进行收益和算法结构的研究。
3.动态频谱分配的算法3.1 动态频谱分配的全局算法DSA有两个方面的问题要求算法[2]：inter－RAN和intra－RAN DSA。
inter－RAN DSA 主要负责决定所有分配给各个RANs的频谱总量。
Intra－RAN DSA主要负责分配可分配的频谱给特定的RAN里的基站。
所以intra－RAN DSA在一定程度上有些依靠接入网，并且受频率复用因子的影响。
已经有一种基本算法用来执行邻近的inter-RAN DSA方案。
但是，它也存在一些局限性。
第一，它必须在很短的时间内运行，否则，时间过长所需要的频谱量可能发生变化。
第二，如果在某个载波上没有正在进行的呼叫，它要求这个载波可以从一个已服务的RAN取出，而分配给另一个RAN。
第三，要求每个RAN的基站收发器有一个有限的激活时间，也就是说，在收到DSA的命令时，基站需要花一些时间调整收发器的精确频率并且激活它。
具体的算法步骤如图3-1。
在频谱再分配的周期内，估测每个RAN可以提供的工作量。
可提供的工作量被记录在工作量历史记录里，这个工作量历史记录是网络中过去和现在的负载记录的数据库。
有了一周每天的工作量历史记录，就有可能稍精确地预测出网络的工作量。
然后比较目前和历史记录中的工作量，对下一个DSA周期做工作量的预测。
如果有不可预测的事件发生，算法就会尝试利用时间序列预测算法预测下一个周期的负载。
一旦下一个周期的工作量被预测出，频谱就会被转化为几个RAN需要的载波。
RAN把目前的分配频谱和下一个周期的理想分配频谱做比较，检测是否需要从邻近的RANs多分配一些频谱。
每个RAN都会在其有空闲可用的载波和需要更多载波的时候发出信息。
算法首先将空闲的频谱分配给需要载波最多的RAN，如果他们都需要相同的载波数，就会将载波分配给已分到载波最少的那个RAN。
再如果他们也有相同的已分配载波，算法就将随即分配。
这样的过程一直都在重复直到没有RAN发出需要载波的请求。
图3 - 1 contiguous DSA全局算法结构3.2动态频谱分配的时域算法首先，就时域方面DSA的利用下面举个简单的例子。
我们可以考虑UMTS和DVB-T两个不同的网络，这两个网络的业务量需求在一天内都是一直变化的，并且他们业务的高峰期发生在不同的时间点。
对于固定频谱分配（FSA），必须有足够的频谱分配给各自的网络去支持他们的高峰期需求。
但是由于这两个网络的高峰需求发生在不同的时间点，这样把两个网络的业务量在时间轴上相加的最高业务量也在FSA频谱需求量之下。
一个理想的DSA就是当业务量有需求时才分配给其频谱，这样意味着在任何的时间里都有足够的频谱分配给UMTS 和DVB-T的累积业务量使用。
但是这是一个理想的例子，在现实系统中不能达到这样的效果。
理想的DSA要求网络业务量需求的高峰期发生在不同的时间，并且网络之间最好不存在相关性。
另外，还有一些原因使得现实系统不能获得理想效果。
首先，DSA只能分配所有的运输量给网络，意味着频谱分配不能精确按照需求，但是可以不连续地慢慢变化。
其次，DSA并不能连续地运行，也就是说在时间轴上频谱的再分配是离散的。
时间DSA 方案的实施的例子可以由图3-2看出。
左图显示的是随时间变化，两个网络负载变化的曲线，右图显示的是与之对应的动态改变频谱的分割。
可以由此看出，动态频谱分配确实大大地提高了频谱的利用。
典型的DSA 算法实现[1]的步骤如下：DSA 算法的周期触发：根据业务模式的不同，时间周期可以是几十分钟到几个小时。
载波上业务量的管理：包括将呼叫调制到载波上，锁定载波拒绝可接受的新呼叫，或者选择性地从载波上丢弃一些呼叫。
这样是为了保证尽可能多的载波可能供DSA 分配。
网络负载的预测：DSA 算法是周期性地运转，在DSA 周期里业务的需求量会显著地变化。
根据在整个周期里所需的频谱，预测可用作分配频谱。
预测是在以往业务的负载历史纪录的基础上进行的。
分配的决策：通过负载的预测，目前的频谱分配和再分配可用的频谱量，算法就可以决定在一个周期内的频谱分配。
FrequencySpectrum demand Temporal DSA图3 - 2 contiguous DSA 方案的时域操作3.3动态频谱分配的空域算法在某个特定的时间里，我们希望频谱的分配可以适应于网络上的各个区域的需求。
而这种地域的适应并不能很容易地实现，所以需要引入一个概念“DSA area”。
在一个DSA area 里，实行统一的频谱分配。
这可以对应于一块区域，在这块区域里的RANs 业务需求在空间上是相对不变的。
空间DSA 的目的是在每个DSA area 里，根据业务量的需求分配频谱给不同的RANs 。
另外，需要调整邻近的DSA area 的频谱分配以免干扰。
特别是，属于邻近的DSA area 的不同的RANs 的频谱分配在某些频段上是不能重叠的。
为了避免这样的频谱重叠，需要加宽保护频带，可以从图3-3看出。
空间DSA [1] 的基本结构可以分成3步： 计算频谱的重叠：在每个DSA area ，重叠的计算是根据相邻DSA area 的RANs 的频谱需求。
通过这个操作就可以估计DSA area 之间的保护频带，因此就限定了可分配的频谱。
执行最初的分配：在第一步限制的基础上，就可以执行分配给每个RAN 的频谱，从而达到最大数量的满意用户数。
优化：频谱分配完成后，真实的频谱重叠就可以确定并给予消除，同时减少已分配过量频谱的区域的频谱。
图3 - 3 contiguous DSA方案的空域操作4.结论介绍了contiguous动态频谱分配的几种经典算法结构，目前提出的动态频谱分配的具体实现算法也是基于上述3种算法结构。
虽然在这方面的研究已经很多，但是距离实现高效、易实现的频谱运行目标还相差很远，还存在许多问题有待解决。
参考文献[1]Paul Leaves, Klaus Moessner, Rahim Tafazolli, et. “Dynamic spectrum allocation in composite reconfigurablewireless networks”[J]. IEEE Communications Magazine. May 2004 .Page(s):72 – 81[2]P Leaves, S Ghaheri-Niri, R Tafazolli,et. “Dynamic spectrum allocation in a multi-radio environment: conceptand algorithm”[J]. 3G Mobile Communication Technologies, 2001. Second International Conference on (Conf. Publ. No. 477) .26-28 March 2001. Page(s):53 – 57Dynamic Spectrum Allocation in Wireless NetworksLin JingSchool of Telecommunications Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing, (100876)AbstractThis paper introduces the dynamic spectrum allocation method, which can solve current serious spectrum allocation problem. The article first introduces three basic spectrum allocation methods, then compares them to bring in contiguous dynamic spectrum allocation. The basic algorithms of global DSA, temporal DSA and spatial DSA are expatiated in the paper.Keywords: Fixed spectrum allocation, Dynamic spectrum allocation, contiguous dynamic spectrum allocation.。