基于規(guī)則的動態(tài)頻譜接入研究

杜　浩，畢大平，2

（1.電子工程學(xué)院，合肥　230037；2.安徽省電子制約技術(shù)重點實驗室，合肥　230037）

基于規(guī)則的動態(tài)頻譜接入研究

杜浩1，畢大平1，2

（1.電子工程學(xué)院，合肥230037；2.安徽省電子制約技術(shù)重點實驗室，合肥230037）

摘要：動態(tài)頻譜接入面臨的關(guān)鍵技術(shù)之一是對接入時機和方式進行有效地管控，防止由于頻譜的接入使用過于靈活造成用頻的干擾和混亂。將頻譜接入的時間和方式給予規(guī)則上的約束和指導(dǎo)，基于規(guī)則構(gòu)建動態(tài)頻譜管理框架可以有效實現(xiàn)頻譜的實時管控。對動態(tài)頻譜接入的規(guī)則及表述方式進行了討論，分析了基于規(guī)則的動態(tài)頻譜接入過程，最后結(jié)合美軍XG項目的試驗結(jié)果分析了基于規(guī)則的動態(tài)頻譜接入的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：動態(tài)頻譜接入，規(guī)則，認(rèn)知無線電，頻譜管理

0　引言

當(dāng)前，電磁頻譜的使用管理模式面臨著兩個突出問題：①授權(quán)用戶對于劃分給自己的頻段擁有唯一的使用權(quán)，這種靜態(tài)管理模式造成了調(diào)度部署的遲滯；②授權(quán)用戶的頻段在絕大多數(shù)的時間都處于空閑狀態(tài)［1］，這種低效率使用造成了頻譜資源的緊張。

基于認(rèn)知無線電技術(shù)的動態(tài)頻譜接入為解決頻譜的使用管理問題提供了有效的解決思路：認(rèn)知用戶周期性地掃描頻譜，發(fā)現(xiàn)可以動態(tài)接入的空閑頻段，然后認(rèn)知用戶在不干擾授權(quán)用戶的情況下使用這些空閑頻段，一旦授權(quán)用戶到來，認(rèn)知用戶則必須退讓出信道給授權(quán)用戶使用［2］。動態(tài)頻譜接入可以有效提高頻譜的使用效率，但也面臨著許多新問題：頻段在空閑多久之后允許動態(tài)接入，是不是每一個空閑頻段都允許動態(tài)接入，當(dāng)幾個無線電設(shè)備同時發(fā)現(xiàn)一個空閑頻段時如何協(xié)調(diào)等等。通過制定明確的規(guī)則，建立基于規(guī)則的頻譜管理體系，可以有效解決動態(tài)頻譜接入面臨的新問題，實現(xiàn)頻譜的動態(tài)使用和管理。

1　頻譜接入的規(guī)則

由于動態(tài)頻譜接入時，需要綜合考慮信號特性、空間環(huán)境、地理位置、傳輸時間、上級指令等各種類型的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)的種類繁多，數(shù)值也會因外界因素而常常變化。設(shè)計一個優(yōu)化的算法使無線電能夠長時間使用空閑的頻段在短期內(nèi)是難以實現(xiàn)的［3］，為此可以選擇采用基于規(guī)則的動態(tài)頻譜管理框架：頻譜的管理和監(jiān)測機構(gòu)根據(jù)某一區(qū)域、某段時間的頻譜使用情況和使用需求制定出頻譜使用規(guī)則，認(rèn)知用戶只有在滿足規(guī)則時才可以接入空閑頻段。規(guī)則的內(nèi)容可以實時調(diào)整，無線電的接入行為受到規(guī)則的約束和規(guī)范，以規(guī)則內(nèi)容的合理、靈活達到頻譜使用高效、靈活的目的。

動態(tài)頻譜接入的規(guī)則由若干條具體的規(guī)則共同構(gòu)成，每一條規(guī)則根據(jù)頻率、地理位置、傳輸時間等因素給出具體的要求和限制；規(guī)則有兩種類型：允許類規(guī)則和禁止類規(guī)則，當(dāng)規(guī)則間的內(nèi)容存在沖突時，禁止類規(guī)則的優(yōu)先級高于允許類規(guī)則；當(dāng)規(guī)則之間的內(nèi)容不存在邏輯沖突時，這些規(guī)則可以共同作用。

例如，圖1所示為某片地域，該區(qū)域上建有一處基礎(chǔ)設(shè)施，為了提高該片地域的頻譜利用率同時考慮該設(shè)施對于頻段的特殊使用要求，可以采用基于規(guī)則的動態(tài)頻譜接入。認(rèn)知用戶根據(jù)探測到的空閑頻段生成頻譜的使用方案，頻譜管理機構(gòu)綜合各方面因素制定出頻譜動態(tài)使用的規(guī)則，如果使用方案滿足規(guī)則的要求，即可實現(xiàn)頻譜的共享。

圖1　動態(tài)頻譜接入的試驗場地

此外，關(guān)于頻譜的動態(tài)接入規(guī)則可以分類設(shè)置平時、戰(zhàn)時、訓(xùn)練等不同的等級模式，不同等級下對動態(tài)接入的門限值、接入的自由度等設(shè)置不同的要求。例如戰(zhàn)時模式下，允許軍用電臺使用GSM的信道，而在平時模式下，這種行為是不被允許的。在實際使用中，只要根據(jù)現(xiàn)實情況調(diào)出相應(yīng)等級模式下的規(guī)則數(shù)據(jù)庫，就可以對頻譜的動態(tài)接入行為提供初步的指導(dǎo)，隨著外界環(huán)境和使用需求的變化再針對性地寫入或刪除規(guī)則，即可實現(xiàn)對頻譜的動態(tài)、高效管理。

2　規(guī)則的表述

為了讓規(guī)則能夠通用于各類無線電設(shè)備中，生成的規(guī)則需要規(guī)范、易識別，方便不同的設(shè)備進行查詢、參照。因此，需要使用格式規(guī)范、表述清晰的描述語言。

現(xiàn)有的規(guī)則描述語言包括：KaOS，CoRaL，Rei，Ponder等。其中，CoRaL語言（Cognitive Radio Policy Language）是專為認(rèn)知無線電設(shè)計的語言，可對頻譜領(lǐng)域的各種規(guī)則進行有效的描述和解釋，是可擴展的一階邏輯語言，允許算法和新函數(shù)的創(chuàng)建［5］。美國國防部DARPA的XG項目采用的就是CoRaL語言。CoRaL語言使用Ontology進行頻譜概念模型的建立，使用基于類型（types）、術(shù)語（terms）和標(biāo)準(zhǔn)（formula）等模塊構(gòu)成的語句對規(guī)則進行描述。

2.1概念模型的建立

首先需要對動態(tài)頻譜接入進行概念上的建模和數(shù)據(jù)格式的規(guī)范，借助Ontology可以很好地實現(xiàn)。Ontology是一種能在語義和知識層次上描述信息系統(tǒng)的概念模型建模工具，具有良好的概念層次結(jié)構(gòu)和對邏輯推理的支持，因而在信息檢索，特別是在基于知識的檢索中得到了廣泛的應(yīng)用［6］。

在動態(tài)頻譜接入中，設(shè)備只有在無線電的參數(shù)、傳輸?shù)膮?shù)要求、現(xiàn)實環(huán)境特點等一系列內(nèi)容與要求相符之后，才能對頻譜空穴進行動態(tài)接入。接入之前，設(shè)備首先會對相關(guān)信息進行查詢。如何才能迅速、準(zhǔn)確地將相關(guān)信息及時反饋給設(shè)備，這其中涉及頻譜領(lǐng)域相關(guān)信息的組織、管理和維護問題等信息系統(tǒng)相關(guān)的問題。通過使用Ontology，可以在語義和知識層次上對動態(tài)頻譜接入的規(guī)則進行概念上的建模和數(shù)據(jù)格式的規(guī)范。

基于Ontology的頻譜管理規(guī)則的基本設(shè)計思想如下：

（1）在領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?，建立頻譜領(lǐng)域的Ontology。

（2）收集所需要的空間、地域中的頻譜實時使用情況的數(shù)據(jù)，并參照已建立的Ontology，把收集來的數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式存儲在元數(shù)據(jù)庫中，元數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)實時更新。

（3）方案生成模塊發(fā)出對所需工作頻段的使用請求，判決模塊按照Ontology把使用請求轉(zhuǎn)換成規(guī)定的格式，在Ontology的幫助下生成同意使用或者拒絕使用的信息。

（4）方案的處理結(jié)果返回給設(shè)備。

下頁圖2所示為美軍XG項目的部分Ontology示意圖，每一個方格代表一個Ontology，方格上方是相應(yīng)的名稱，箭頭指向的Ontology需要使用箭頭尾端的Ontology中的數(shù)據(jù)信息［7］。

圖2　Ontology示意圖

2.2CoRaL的語句結(jié)構(gòu)

通過Ontology可對動態(tài)頻譜接入的相應(yīng)規(guī)則進行概念上的建模和數(shù)據(jù)格式的規(guī)范，而規(guī)則的具體表示需要借助描述性語言。

CoRaL語言是專為認(rèn)知無線電設(shè)計的語言，共有3種基本語句：declarations語句、rules語句和use語句［8］。

declarations語句是聲明語句，當(dāng)用戶使用自己定義的數(shù)據(jù)類型、運算符和函數(shù)時，需要首先用declarations語句進行聲明。rules語句中有兩種判定語句：allow語句和disallow語句。當(dāng)allow if后面的條件成立時，頻譜接入行為得到允許。當(dāng)disallow if后面的條件成立時，頻譜接入行為不被允許。當(dāng)一條規(guī)則中需要使用ontology的數(shù)據(jù)庫時，用use語句進行引用。

通過上述格式的語句可以將動態(tài)頻譜接入的規(guī)則進行規(guī)范詳盡的描述。

3　基于規(guī)則的頻譜接入過程

明確了規(guī)則的內(nèi)容，并通過特定的語言將規(guī)則的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成規(guī)范、易識別的格式，就能夠以規(guī)則為媒介，進行無線電設(shè)備的動態(tài)頻譜接入。動態(tài)頻譜接入有兩種常見的思路，一種是中心控制，另一種是本地控制［9］。

中心控制，即頻譜的使用方案由一個外部的無線電設(shè)備終端產(chǎn)生，再將產(chǎn)生的方案通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，應(yīng)用于相關(guān)的無線電設(shè)備。這種體系框架可以將多個無線電設(shè)備的頻譜使用方案統(tǒng)籌得出，方案內(nèi)容通?？梢宰畲蟪潭鹊丶骖櫜煌O(shè)備的用頻需求。存在的缺點是，這種框架體系需要無線電設(shè)備將所處環(huán)境、使用需求等信息上報給終端設(shè)備，時效性差，對終端設(shè)備的依賴程度高。

本地控制，即頻譜的使用方案由無線電設(shè)備自身經(jīng)過動態(tài)計算，根據(jù)探測到的空閑頻段，生成自己適用的頻譜方案。這種方式可以根據(jù)所處環(huán)境的變化進行快速反應(yīng)，可以最大程度地防止頻率間的沖突、干擾，無需依賴終端設(shè)備，戰(zhàn)場生存能力強，符合實時高效管控頻譜的初衷。如美國國防部DARPA的XG項目［10］，波蘭Military Communication Institute的有關(guān)項目［9］。

基于規(guī)則的動態(tài)頻譜接入就是采用本地控制的思想，下面結(jié)合美國國防部DARPA的XG項目，討論基于規(guī)則的頻譜接入過程。如圖3所示，XG的組成結(jié)構(gòu)［12］包括：射頻前端（RF）、感受器（Sensors）、系統(tǒng)策略推理機（SSR）和規(guī)則推理機（PR）。

圖3　XG的結(jié)構(gòu)

具體的工作流程是：射頻前端和感受器分別將控制信息和外界的信號、電磁環(huán)境參數(shù)傳輸給系統(tǒng)策略推理機（SSR）。SSR根據(jù)接收到的信息，生成頻譜的使用方案，并將方案傳輸給規(guī)則推理機（PR），方案獲得PR允許后，無線電設(shè)備才可以依據(jù)該方案使用頻譜。PR根據(jù)規(guī)則的要求對系統(tǒng)策略推理機的請求進行裁決，如果方案和規(guī)則的要求相符合，則發(fā)出允許指令；如果方案和規(guī)則的要求相違背，則發(fā)出拒絕指令；如果PR提供的信息不充分，無法根據(jù)規(guī)則作出裁決，則要求SSR補全傳輸信息以便能夠作出裁決。為了提高SSR和PR之間信息溝通的效率，信息傳輸時可以借助規(guī)則描述性語言等工具。圖4所示為基于規(guī)則的動態(tài)頻譜接入流程圖。

4　基于規(guī)則頻譜接入的場地試驗

2008年3月美國Shared Spectrum Company以四節(jié)點的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)為框架，首次進行了基于規(guī)則的動態(tài)頻譜接入的場地試驗［13］。試驗結(jié)果顯示，基于規(guī)則的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)能夠有效避免其他信號的干擾，對于實時變化的規(guī)則能夠迅速作出反應(yīng)。試驗表明，將基于規(guī)則的控制方式應(yīng)用于認(rèn)知無線電設(shè)備是可行的。

圖5所示為動態(tài)頻譜接入的試驗效果圖。試驗中，根據(jù)該片地域的頻譜使用要求和信號的衰減特性，規(guī)則推理機（PR）先后生成了3條使用規(guī)則。規(guī)則1：在圓形區(qū)域內(nèi)，禁止頻段5、6的使用，允許頻段1、2、3、4的使用；規(guī)則2：在圓形區(qū)域外，禁止頻段1、2、3、4的使用，允許頻段5、6的使用；規(guī)則3：在所有區(qū)域內(nèi)允許頻段1、2、3的使用。上述3條規(guī)則共同作用，最終的動態(tài)頻譜接入要求變?yōu)椋赫J(rèn)知用戶在圓形區(qū)域外禁止使用頻段4，允許使用頻段1、2、3、5、6；在圓形區(qū)域內(nèi)禁止使用頻段5、6，允許使用頻段1、2、3、4。系統(tǒng)策略推理機（SSR）的頻譜使用方案只要滿足上述規(guī)則即可獲準(zhǔn)使用。

圖4　動態(tài)頻譜接入流程圖

圖5　基于規(guī)則頻譜接入的效果圖

5　結(jié)論

頻譜的使用和管理需要依據(jù)一定的規(guī)則要求。在法規(guī)政策的框架下，如果規(guī)則的內(nèi)容能夠根據(jù)現(xiàn)實環(huán)境和使用情況及時調(diào)整，準(zhǔn)確執(zhí)行，頻譜使用管理的靈活性、針對性即可顯著提高。相關(guān)規(guī)則的內(nèi)容可以由頻譜檢測部門、作戰(zhàn)指揮機構(gòu)進行調(diào)整，調(diào)整后的規(guī)則需要相關(guān)設(shè)備能夠迅速辨識、準(zhǔn)確執(zhí)行，只有這樣才能達到靈活高效使用頻譜的目的。

通過使用規(guī)則描述語言和本地控制的思想，可以使認(rèn)知無線電設(shè)備的各環(huán)節(jié)間進行高效的溝通，提高了無線電的認(rèn)知水平和頻譜的使用效率，為頻譜的管理使用提供了設(shè)計與開發(fā)的新思路。

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中圖分類號：TN925

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0640（2016）04-0077-05

收稿日期：2015-03-04修回日期：2015-04-07

作者簡介：杜浩（1990-），男，山東萊州人，碩士研究生。研究方向：電子對抗系統(tǒng)。

Analysis of Policy-based Dynamic Spectrum Access

DU Hao1，BI Da-ping1，2
（1.Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China；2.Key Laboratory of Electronic Restriction，Anhui Province，Hefei 230037，China）

Abstract：One of the most difficult tasks ahead of dynamic spectrum access is to manage the cognitive systems.Rules or"policies"must be used to control them.Policy-based dynamic spectrum access can make the spectrum real-time control effectively.This work first introduces dynamic spectrum access policy and policy languages，then analyzes procedure of the policy-based dynamic spectrum access in details.This paper ends with a short conclusion according to the experimental field test results on XG project.

Key words：dynamic spectrum access，policy，cognitive radio，spectrum management