一種靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的認(rèn)知無線電頻譜管理方法

李利　柴娟芳　徐池　郭誼

摘要：針對傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配方法導(dǎo)致大量頻譜資源浪費(fèi)問題，提出一種靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的認(rèn)知無線電電磁頻譜管理方法，該方法對授權(quán)用戶采用靜態(tài)的頻譜分配和管理方法，結(jié)合動態(tài)頻譜調(diào)度管理方法為非授權(quán)用戶分配頻譜，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和頻譜管理過程，并分析了當(dāng)前研究的不足，該方案兼容現(xiàn)有的頻譜管理體系，又能實(shí)現(xiàn)對非授權(quán)用戶的頻譜動態(tài)調(diào)度管理，大大提高了頻譜利用率，是一種易于實(shí)施且效益明顯的改進(jìn)電磁頻譜管理方案，

關(guān)鍵詞：靜態(tài)；動態(tài)；電磁頻譜；管理分配；認(rèn)知無線電

DoI：10.15938/j.jhust.2016.04.007

中圖分類號：E917

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）04-0036-04

0引言在“陸海空天電網(wǎng)核”全維聯(lián)合作戰(zhàn)的現(xiàn)代高技術(shù)信息戰(zhàn)爭中，依賴先進(jìn)的電子戰(zhàn)裝備奪取到制電磁權(quán)是取得戰(zhàn)爭勝利的法寶，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，電磁頻譜是信息獲取和傳遞的最主要媒介，是信息依存的核心載體，奪取了“制電磁權(quán)”就為最終奪取制“信息權(quán)”創(chuàng)造了有利條件頻譜資源是一種非常寶貴的稀缺資源，為了避免各種不同的通信業(yè)務(wù)之間的相互影響和干擾，目前各國采用的大都是靜態(tài)頻譜分配體制，由專門的無線電頻譜管理部門對無線電頻譜資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和分配，

信息化戰(zhàn)爭中，電磁頻譜環(huán)境日益復(fù)雜，尤其近年隨著無線通信技術(shù)不斷發(fā)展，朝著智能化、寬帶化和無縫化的方向演進(jìn)，對頻譜資源的需求越來越大，由于現(xiàn)代戰(zhàn)場上裝備數(shù)量和通信業(yè)務(wù)量不斷增加，己方通信網(wǎng)的自擾也日益嚴(yán)重，為了提高頻譜利用率，現(xiàn)有的技術(shù)手段多是采用時域、空域、頻域、碼域復(fù)用的方法，但是與日益增長的新業(yè)務(wù)和對帶寬的需求增長相差甚遠(yuǎn)，另一方面，據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)表明3 GHz以下的頻段利用率不到30%，3～4 GHz頻段利用率只有0.5%，而4-5 GHz頻段竟然有99.7%未被充分使用，由此可見，傳統(tǒng)的頻譜資源靜態(tài)管理方式導(dǎo)致大量的授權(quán)頻譜在不同地域和時間嚴(yán)重浪費(fèi)，是造成當(dāng)前頻譜稀缺的緊張局面的重要原因，采用動態(tài)頻譜接入和共享的方式提高頻譜資源的利用率來替代傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜管理體制是解決上述問題的根本途徑，

由于存在巨大的經(jīng)濟(jì)和政治背景，且一直以來靜態(tài)頻譜資源分配體制發(fā)揮了重大作用，故想在短期內(nèi)從根本上廢除靜態(tài)頻譜分配和接人體制是不現(xiàn)實(shí)的，所以論文基于認(rèn)知無線電思想提出了采用靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的頻譜共享模型，可以很好地兼容現(xiàn)有靜態(tài)頻譜分配體制并能最大限度地保證授權(quán)用戶的權(quán)益，且可以大幅提高頻譜利用率，由此，論文引人認(rèn)知無線電，建立一種靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的頻譜分配體制，對軍事通信中提高頻譜利用率、建立可靠通信以及通信抗干擾都有重要的現(xiàn)實(shí)意義，

1.基于認(rèn)知無線電技術(shù)的頻譜管理

認(rèn)知無線電（CR）是以軟件無線電為擴(kuò)展平臺的一種新的智能無線通信技術(shù)，作為頻譜動態(tài)調(diào)度管理體制的核心技術(shù)，它可以對周圍的電磁環(huán)境特征進(jìn)行感知，通過無線電描述語言與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溝通，采用構(gòu)建理解的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)并實(shí)時調(diào)整系統(tǒng)傳輸參數(shù)，使通信系統(tǒng)的無線規(guī)則與輸入的無線電激勵的變化相適應(yīng)，使通信系統(tǒng)的頻譜利用達(dá)到隨時隨地的高效性和高可靠性一系列適合無線頻譜合理使用的空中接口、時空模式設(shè)置、射頻帶寬及相關(guān)協(xié)議稱之為無線規(guī)則，系統(tǒng)的重構(gòu)能力是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的重要特性，該功能的實(shí)現(xiàn)是基于軟件無線電為平臺，除此之外，信號處理和機(jī)器學(xué)習(xí)也可作為認(rèn)知無線電的實(shí)現(xiàn)方式，

一個基本的認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)周期要經(jīng)歷3個過程，分別是：

1）無線電信道分析和估計：負(fù)責(zé)分析和估計無線電環(huán)境干擾溫度、檢測無線環(huán)境空閑頻譜；

2）估計信道狀態(tài)并進(jìn)行預(yù)測建模：包含估計信道狀態(tài)信息、對發(fā)射機(jī)可用的信道容量進(jìn)行預(yù)測等；

3）頻譜資源管理和發(fā)射功率控制：該部分主要完成認(rèn)知無線電周期中的多址接入及控制，其中動態(tài)頻譜分配由發(fā)射機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

認(rèn)知無線電系統(tǒng)其認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)依賴上述環(huán)節(jié)的順序執(zhí)行，一個完整的認(rèn)知環(huán)路如圖1所示。

2.動態(tài)與靜態(tài)結(jié)合的認(rèn)知無線電頻譜

管理

2.1無線電頻譜管理現(xiàn)狀

現(xiàn)有的無線電頻譜管理體制采用的是靜態(tài)頻譜分配方案，即某個頻段被無線電頻譜管理部門分配給某項(xiàng)業(yè)務(wù)、某業(yè)務(wù)部門或團(tuán)體，則該頻段只能由某項(xiàng)業(yè)務(wù)、某業(yè)務(wù)部門或團(tuán)體使用，非授權(quán)用戶不得使用該頻段，即使該頻段處于空閑狀態(tài)，這樣就導(dǎo)致一方面頻譜利用率很低，另一方面許多亟待使用該頻譜的用戶無法使用該頻譜，這種傳統(tǒng)的靜態(tài)的頻譜分配機(jī)制限制了對頻譜資源的有效充分利用，因此亟需進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，

在傳統(tǒng)的無線電管理體制中，無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)制定頻率使用規(guī)則，使用者、部門或團(tuán)體向其申請使用頻率，無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)將頻率分配給無線電頻譜使用者、部門或團(tuán)體，該過程如圖2所示，

現(xiàn)有的無線電頻率分配包括頻帶劃分、分配和指配3個層次，這3個層次具體為：

1）頻帶劃分：制定頻率劃分表，將某個特定頻帶列入表中，對該頻帶使用指定使用條件，條件滿足時可將頻帶分配給無線電業(yè)務(wù)使用者使用，

2）頻帶分配：規(guī)定頻帶使用區(qū)域和使用條件，將無線電頻帶分配給指定部門的無線電通信業(yè)務(wù)使用，

3）頻道指配：制定使用條件，使用對象為無線電臺，滿足條件時將頻道指配給某個無線電臺使用，

2.2靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的電磁頻譜管理方法

在靜態(tài)的頻譜分配體制中，某些頻道被占用，某些未被使用，其中某些已分配的頻道的利用率很低，大部分時間處于空閑狀態(tài)，可以利用時分復(fù)用的思想來提高這些頻道的利用率，我們將已經(jīng)分配但在某時某地用戶未使用的頻譜稱為“頻譜空洞”，根據(jù)頻譜被占用的時間長短，定義3種類型的頻譜空洞：

1）黑洞：頻帶資源被授權(quán)用戶的業(yè)務(wù)占據(jù)，存在較強(qiáng)的發(fā)射功率干擾，不能被非授權(quán)用戶利用，

2）灰洞：頻帶資源被授權(quán)用戶的業(yè)務(wù)部分占用，存在低發(fā)射功率的干擾，在某些情況下可以被非授權(quán)用戶使用，但使用效果不理想，

3）白洞：頻帶資源未被授權(quán)用戶的業(yè)務(wù)占用，僅存在背景噪聲，能夠被非授權(quán)用戶利用，

現(xiàn)實(shí)中頻譜空洞已經(jīng)被大量的理論研究和現(xiàn)場實(shí)測所證實(shí)，意識到上述問題，那么如何通過時間復(fù)用的方式利用灰洞和白洞來提高頻譜利用率就成為要研究的關(guān)鍵問題，而這恰恰是認(rèn)知無線電的優(yōu)勢所在，

在認(rèn)知無線電中，用戶被分成兩類：授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶，通過申請獲得授權(quán)頻帶且可以獨(dú)享已分配頻段的用戶稱為授權(quán)用戶；在一定條件和規(guī)則下復(fù)用授權(quán)頻段且不影響授權(quán)用戶使用的稱為非授權(quán)用戶，而非授權(quán)用戶具體又分為兩類：一類用戶具有認(rèn)知功能，能夠自主探測頻譜空洞并自動調(diào)整無線電通信參數(shù)；另一類用戶不具有認(rèn)知功能，系統(tǒng)中設(shè)置了動態(tài)調(diào)度管理系統(tǒng)，由管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)探測頻譜空洞，用戶向管理系統(tǒng)申請頻譜和無線電通信參數(shù)，具有認(rèn)知功能的用戶極其少數(shù)，不是本文研究的重點(diǎn)，本文重點(diǎn)研究不具有認(rèn)知功能的非授權(quán)用戶的頻譜分配和管理機(jī)制，論文針對其提出了一種頻譜動態(tài)調(diào)度管理方法，

開發(fā)一套自適應(yīng)管理和分配機(jī)制來充分有效地利用頻譜資源是頻譜動態(tài)調(diào)度管理系統(tǒng)的首要任務(wù)，其重點(diǎn)是構(gòu)建無線頻譜使用狀況數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)頻譜空洞檢測和分析結(jié)果動態(tài)更新數(shù)據(jù)庫，另外要實(shí)時處理非授權(quán)用戶的頻譜申請并應(yīng)答，為申請用戶從數(shù)據(jù)庫中優(yōu)選頻道，從而在不影響授權(quán)用戶的情況下充分利用頻譜空洞，有效提高頻譜利用率，

頻譜動態(tài)調(diào)度管理系統(tǒng)需要考慮授權(quán)業(yè)務(wù)出現(xiàn)時非授權(quán)業(yè)務(wù)的實(shí)時規(guī)避，且非授權(quán)業(yè)務(wù)出現(xiàn)時不能影響其它用戶的正常通信，因此需要設(shè)計一種動態(tài)的頻譜管理和分配方法，同時專門設(shè)置頻譜動態(tài)調(diào)度管理部門為非授權(quán)用戶分配頻譜，

因此，在現(xiàn)有的靜態(tài)頻譜管理方法的基礎(chǔ)上，基于認(rèn)知無線電的思想，需要設(shè)計一種頻譜動態(tài)調(diào)度管理方法為非授權(quán)用戶分配頻譜，原有的靜態(tài)頻譜分配管理方法仍適用于授權(quán)用戶，該方法本文稱之為靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的認(rèn)知無線電電磁頻譜管理方法，

本文給出的靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的頻譜管理系統(tǒng)的最高管理機(jī)構(gòu)稱為無線電頻率管理部門，該系統(tǒng)接受授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶的申請，同時按照一種自適應(yīng)的策略利用頻譜空洞來為非授權(quán)用戶分配頻譜，在本系統(tǒng)中，針對授權(quán)用戶，頻譜管理部門將頻帶分配給次級頻管部門，再由其指配頻率給授權(quán)用戶，針對非授權(quán)用戶，頻率管理部門下屬專設(shè)的頻譜動態(tài)調(diào)度管理部門，由該部門為非授權(quán)用戶指配頻率，靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的頻譜管理體系如圖3所示。

針對非授權(quán)用戶，要同時滿足頻譜管理的性能要求和實(shí)時性要求，本文設(shè)計了一種頻譜動態(tài)調(diào)度管理系統(tǒng)，它由頻率使用狀況數(shù)據(jù)庫、頻譜動態(tài)調(diào)度管理中心、頻譜偵測單元和被偵測的實(shí)際的無線電頻譜使用環(huán)境構(gòu)成，

整個頻譜管理和分配過程包含了一系列管理辦法或規(guī)則，實(shí)際的無線電頻譜使用環(huán)境由授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶構(gòu)成，無線電環(huán)境的變化被頻譜偵測單元周期偵測并將結(jié)果上報頻譜使用狀況數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫對頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時更新，

整個頻譜動態(tài)調(diào)度管理過程如下：

1）無認(rèn)知能力的非授權(quán)用戶按照規(guī)定格式提出申請，申請內(nèi)容包括頻譜使用需求、業(yè)務(wù)類型、使用時間、使用地點(diǎn)等，形成申請信令提交給動態(tài)頻譜調(diào)度管理中心；

2）動態(tài)頻譜調(diào)度管理中心接收到申請信令后首先回復(fù)一個申請已接收應(yīng)答，然后根據(jù)申請信令提供的信息按照查詢規(guī)則在頻譜使用狀況數(shù)據(jù)庫中為申請用戶匹配頻譜，并對符合條件的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選，構(gòu)建優(yōu)選頻譜集合；

3）頻譜動態(tài)調(diào)度管理中心再將優(yōu)選頻譜集自動形成分配信令發(fā)送給申請用戶，申請用戶收到分配信令后進(jìn)行解析，獲得優(yōu)選頻譜集合和使用條件，條件達(dá)到后即可接入；

4）在整個動態(tài)頻譜調(diào)度管理過程中，頻譜偵測單元在滿足實(shí)時陛要求的條件下作周期性的循環(huán)偵測，獲取無線環(huán)境中的頻譜空洞信息，并根據(jù)偵測結(jié)果實(shí)時更新頻率使用狀況數(shù)據(jù)庫，在偵測到授權(quán)業(yè)務(wù)出現(xiàn)后，立刻發(fā)送規(guī)避信令要求非授權(quán)用戶退出當(dāng)前頻譜接入，使用次優(yōu)選頻譜接人；

5）非授權(quán)用戶接收到規(guī)避信令后立即退出接入并使用次優(yōu)選頻譜接人，如果接入不成功則繼續(xù)選擇優(yōu)選頻譜集中的其它頻譜接入，如果接人不成功或接入效果不理想，用戶可以重新發(fā)送申請信令申請新的優(yōu)選頻率集，

頻譜動態(tài)調(diào)度管理系統(tǒng)的具體構(gòu)成和動態(tài)頻譜管理過程如圖4所示，

非授權(quán)用戶申請過程和頻譜動態(tài)調(diào)度管理中心分配過程完全依靠網(wǎng)絡(luò)自動實(shí)現(xiàn)，一個完整的頻譜動態(tài)調(diào)度管理過程體現(xiàn)了高度的自主性，一方面非授權(quán)用戶的申請是自動的，另一方面頻譜動態(tài)調(diào)度管理中心的受理過程和應(yīng)答也是自動的，

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，無線頻譜環(huán)境時刻在發(fā)生變化，如某授權(quán)用戶結(jié)束業(yè)務(wù)釋放頻譜出現(xiàn)新的頻譜空洞，頻譜偵測設(shè)備會立刻偵測到此頻譜空洞，并據(jù)此更新頻譜使用狀況數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫將此頻段的狀態(tài)由忙碌改為空閑，

3.結(jié)論

本文研究了一種靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的認(rèn)知無線電電磁頻譜管理方法，該方案兼容現(xiàn)有的頻譜管理體系，又能實(shí)現(xiàn)對非授權(quán)用戶的頻譜動態(tài)調(diào)度管理，大大提高了頻譜利用率，是一種易于實(shí)施且效益明顯的改進(jìn)電磁頻譜管理方案，然而所設(shè)計的改進(jìn)頻譜管理方法還有以下幾點(diǎn)需要深入研究：①針對不同業(yè)務(wù)，如話音、數(shù)據(jù)等，頻譜動態(tài)調(diào)度管理系統(tǒng)對授權(quán)用戶恢復(fù)頻譜使用時非授權(quán)用戶的退出策略應(yīng)該不同，這樣是為了保障話音業(yè)務(wù)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)通信的高效性，②偵測模塊采用何種策略實(shí)現(xiàn)對整個無線電頻譜的偵測工作，偵測效率和實(shí)時性能否滿足要求，又是如何將偵測結(jié)果報告給頻譜使用狀況數(shù)據(jù)庫的，需要進(jìn)一步深入研究。