（通信与信息系统专业论文）基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究.pdf

摘要 目前的无线频谱使用状况是一方面随着新技术和新业务不断发展，新移动性 要求不断涌现，移动用户数不断增加，无线频谱资源越来越匮乏，另一方面一些 有利用价值的频谱却常常空闲。这种矛盾局面主要是因为不完善的频谱管理方法 使得频谱接入能力受限导致频谱资源得不到充分利用所造成的，认知无线电的出 现正好解决了这一矛盾，它主要通过复用授权频段和未使用频段的频谱资源来提 高频谱利用率。而现有的频谱管理方法无法满足认知无线电中非授权用户频谱使 用和退避的实时性要求，同时要求授权用户的接入不干扰其它用户的正常业务传 输，这就需要设计一种动态频谱管理方法。本文设计的动态频谱管理方法主要负 责非授权用户的频谱分配，作为现有的频谱管理方法的有力补充和现有的频谱管 理方法共同管理频谱资源。 关键字：无线频谱认知无线电非授权用户动态频谱管理方法 a b s 仃a c t p r e s e n tu s i n gc o n d i t i o no fw i r e l e s ss p e c t r u mi st h a t0 1 1t h eo n eh a n dt h ew i r e l e s s s p e c t r u r ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es c a r c ew i t ht h ei n c r e a s i n g l y d e v e l o p i n gn e w t e c h n o l o g i e sa n dn e ws e r v i c e s ，w i t ht h er u s h i n gn e w m o b i l er e q u i r e m e n ta n dw i t ht h e g r o w i n gm o b i l eu s e r , b u t0 1 3t h ea n o t h e rh a n ds o m eu s e f u la n dp r o f i t a b l es p e c t r u m r e s o u r c ei sa l w a y ss p a r e t h i sk i n d o fc o n f l i c ti sc a u s e db yt h ep r e s e n ts p e c t r u m m a n a g e m e n tm e t h o dw h i c hl i m i t st h ea c c e s sa b i l i t yo fw i r e l e s ss p e c t r u ma n d i n d u c e s t h es p e c t r u mu s e di n s u f f i c i e n t l y c o g n i t i v er a d i oi sb r o u g h tu pj u s tu n d e r t h i sc o n d i t i o n ， w 嫩c hm o s t l yr e l i e so nm u l t i p l eu s i n go fw i r e l e s ss p e c t r u mt ob r i n gu p t h eu s i n gr a t eo f 、 矗r e l e s ss p e c t r u m w h i l ep r e s e n ts p e c t r u mm a n a g e m e n tm e t h o dc a n n o ts a t i s f yt h er e a l t i m er e q u i r e m e n to fs e c o n d a r yu s e r , a tt h es a m et i m et h es e c o n d a r yu s e rs h o u l dn o t i n t e r r u p to t h e ru s e r sw h e nt h e ya l et r a n s m i t t i n gt h e i rs e r v i c e s ，w es h o u l d d e s i g na n e w d y n a m i cs p e c t r u mm a n a g e m e n tm e t h o d t h i sd y n a m i cs p e c t r u mm a n a g e m e n t m e t h o d i nt h i sp a p e rt a k e sc h a r g eo fa s s i g n i n gs p e c t r u m , w h i c h a sas t r o n gs u p p l e m e n t a s s o c i a t e sw i t hp r e s e n ts p e c t r u mm a n a g e m e n tm e t h o dt om a n a g et h ew i r e l e s ss p e c t r u m r e s o u r c ec o m m o n l y k e yw a r d s ： w i r e l e s ss p e c t r u m c o g n i t i v er a d i o s e c o n d a r y u s e r d y n a m i cs p e c t r u mm a n a g e m e n t m e t h o d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：闼题日期型盗! 虽签日 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期狸z 圭! 旦垄只 日期竺牡母 第一章绪论 第一章绪论帚一早瑁了匕 1 1 研究背景及意义 一方面现有的频谱分配策略为固定分配，即一旦某个频段分配给某个用户， 即使这个用户不用此频段，其它用户也无权使用。这样的频谱分配策略下，我们 长时间监测无线频谱时会发现：一些频谱长时间被占用，一些频谱只是部分时间 被占用，还有一些频谱从未被使用【l 】。然而另一方面随着新技术和新业务的不断发 展，新移动性要求的不断涌现，移动用户数的不断增加，无线频谱资源却显得越 来越匮乏。综合以上两方面的矛盾，如何复用这些空闲频谱和未使用频谱提高频 谱利用率来解决频谱匮乏的问题就成为人们普遍关注的焦点了。研究人员就上面 的问题提出了许多切实可行的解决方案，其中属约瑟夫米托提出的认知无线电技 术【2 j 最可行且最有发展前景。它是对软件无线电的进一步的扩展，采用无线电域的 基于模型的方法对控制无线电频谱使用的规则( 如r f 频段、空中接口、协议、以 及空间和时间模式等) 进行推理，通过无线电知识表示语言( r k r i ) 来描述无线 电规则、设备、软件模块、电波传播特性、网络、用户需求和应用场景的知识， 以便增强个人业务的灵活性，使软件无线电更好的满足用户的需求。它主要通过 感知周围的无线环境，引入非授权用户对空闲频段和未使用频段的再次利用来提 高频谱利用率。尽管没有成熟的认知无线电的标准和法规，但无线业界的强烈感 觉是认知无线电( c r ) 将成为下一波有冲击性的浪潮。 认知无线电用户分为两类。一类是授权用户，另一类是非授权用户。非授权 用户复用的空闲频段或未使用频段所在的网络称为接入网，它也是授权用户所在 网络，非授权用户未进入接入网前所在的网络称为外网。认知无线电应用场景分 为两类：一类是非授权用户进入接入网且和接入网中其它用户实现信息互通，另 一类是非授权用户群从外网进入接入网，仅实现其群内信息互通而不和接入网中 其它用户互通信息。这里主要研究前一场景。 认知无线电技术正是利用非授权用户对空闲授权频段的复用和未使用频段的 占用来提高频谱利用率的，而在非授权用户对接入网络一无所知的情况下接入网 络实现频谱复用就需要为非授权用户设定专门的频谱管理系统和方法，同时要求 所设计的频谱管理系统能与现有的频谱管理机构互通信息。 现有的无线电频谱管理规则适合对授权用户的固定频谱分配与指配，而要考 虑非授权用户对已分配频谱在未使用情况下的再次使用，考虑授权用户到达时非 授权用户的实时退避，就要设计一种动态的频谱管理方法，同时设置专门的机构 2 基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究 来管理非授权用户的申请，单靠现有的无线频谱管理方式是不能完成的。因此， 本文针对以上非授权用户的需求设计了一种基于频谱多重使用的动态频谱管理方 法及相应的实施系统和规则，作为对现有无线电频谱管理方法的补充和修改。改 进后的频谱管理系统可以按照现有方式为授权用户提供频谱管理，同时按照动态 频谱管理方式为非授权用户提供频谱管理。 1 2 本文研究的主要内容 本文主要从认知无线电非授权用户频谱管理的角度出发，深入研究了非授权 用户的特殊性和现有频谱管理方法的局限性，创新性地提出了一种动态频谱管理 系统和规则，同时为了验证所设计系统性能的好坏，基于c + + b u i l d e r 平台开发了 动态频谱管理仿真软件。本文后续内容具体安排如下： 第二章介绍了认知无线电的基本知识及其国内外的发展状况，我国现有无线 电频谱管理方法及其局限性，最后关于认知无线电非授权用户的频谱管理提出了 一些设想。 第三章在第二章的基础上指出直接将现有的频谱管理方式应用于认知无线电 非授权用户频谱管理的不妥之处，继而提出一种满足认知无线电非授权用户要求 的动态频谱管理方法和规则，作为对现有无线频谱管理方法的有利补充，二者结 合起来共同管理无线频谱资源。 第四章为了验证所提出动态频谱管理方法的正确性和有效性，基于c + + b u i l d e r 平台开发了动态频谱管理的仿真软件。这里主要介绍了仿真软件的构成和算法。 第五章仿真了动态频谱管理系统接入前后无线频谱的使用状况，对比得出动 态频谱管理系统在引导非授权用户实现频谱复用提高频谱利用率这方面的确卓有 成就，同时通过非授权用户申请成功率、平均接入时间等参数体现所设计的动态 频谱管理方法的优越性。 第六章简要叙述了整个动态频谱管理系统的功能和实现方法，同时指出其不 足之处及需要进一步研究改进的地方。 第二章认知无线电概述 3 第二章认知无线电概述 2 1 认知无线电【3 】 本文是从认知无线电基本概念出发，基于认知无线电非授权用户的特殊性提 出动态频谱管理方法的，所以有必要先了解一些认知无线电的基础知识。 2 1 1 认知无线电介绍 从第一章的背景知识中我们了解到现有的频谱管理方法导致无线环境中存在 大量空闲频谱，同时通过对9 3 5 9 6 0 m h z g s m 频段的实际监测我们发现只有控制 信道频段被长时间占用，业务信道频段只是部分时间被占用，另外一些频段却一 直空闲如图2 1 所示为一天内各频道占用情况。图2 2 是9 3 5 9 6 0 m h z g s m 频段 一天内的频谱利用率即此频段各频道的时间利用率，图中明显可以看到1 2 5 个频 道一天内只有1 5 个频道被占用，而大部分频道未被使用，这1 5 个被占用的频道 中某些频道的时间利用率很低，这些频道还可以复用，上面种种情况都使我们想 到了利用频谱空洞这一术语来定义现有的频谱使用状况。分配给授权用户但用户 在特定的时间和特殊的地理位置下不使用的频带就称为频谱空洞。鉴于目前一些 频谱被长时间占用、一些频谱部分时间被占用、一些频谱未被使用这三神频谱使 用状况，我们定义了三种空洞类型： 白空：仅存在环境噪声量，如热噪声，瞬时反射，脉冲噪声等，能够被新的非 授权认知业务利用的频率资源； 灰空：存在低功率的干扰，或者被部分占用，能够被非授权认知业务利用的频 率资源，但是使用情况并非十分理想； 黑空：存在高功率的干扰，被原始分配业务占据，不能被非授权认知业务利用 的频率资源。 事实上，大量理论研究和现场实测都证实了频谱空洞的确存在这一事实。其 中最著名的当属2 0 0 4 共和国展览会上由国家科学基金赞助的白空测验这一试验， 尽管此次展览会上频谱使用率远远超过平均频谱使用率，但仍测到了白空。认识 到频谱空洞的确存在、频谱利用仍不充分，意识到可以通过占用未使用频段或在 授权频段空闲时进行复用来提高频谱利用率，那么如何在各地区各时间段内有效 地利用灰空和白空来增加系统容量提高频谱利用率就成为人们非常关注的问题 了。认知无线电就是在这种情况下应运而生的。 基于频谱多重使用的动志频谱管理方法研究 图21 一天内9 3 5 9 6 0 m h z 各频段的占用情况 1 r 图229 3 5 9 6 0 m h z 频段各频点一大的时间占用率 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 是国际9 0 年代末提出的新概念，在本世纪韧 美国d a r p a 等花巨资进行相关的研究( x g 一下一代通信计划) 。i e e e9 0 22 2 等也 在进行相关研究。以软件无线电为扩展平台的认知无线电是一种新的智能无线通 信技术，它可以感知到周围的环境特征，采用构建理解的方法进行学习，通过无 线电知识描述语言( r l r l ) 与通信网络进行智能交流实时调整传输参数，使系统 的无线规则与输入的无线电激励的变化相适应，咀达到无论何时何地通信系统的 高可靠性和频谱利用的高效性。无线规则指一系列适合无线频谱合理使用的射频 0 0 & 0 0 0 * e z e 2 君$ i“im g 第二章认知无线电概述 5 带宽、空中接口、相关协议和空间时间模式的设置。认知无线电系统的重构能力 很重要，该功能就是以软件无线电作为平台来实现的。除了重构功能由软件无线 电实现外，认知无线电的其他任务主要是通过信号处理和机器学习的过程实现， 其认知过程开始于无线电激励的被动感应，以做出反应行为而终止。一个基本的 认知周期要经历3 个过程，分别是无线信道分析、信道状态估计预测建模、发射 功率控制频谱资源管理，它们的顺序执行使认知无线电系统的认知功能得以实现， 一个完整的认知周期见图2 3 。 1 ) 无线信道分析，包括：估计无线环境干扰温度，检测空闲频谱。具体工作如下： 在接收端完成估计干扰温度和检测空闲频谱，然后将信息传给发射机，以便发射 机能够完成功率控制和动态频谱管理。可在发射端和接收端同时使用波束成形实 现干扰控制。无线信道分析和无线空闲信道的检测可采用时间一频率分布统计或 分段谱估计等方法。 2 ) 信道状态估计预测建模，包括信道状态信息估计，预测发射机可使用的信道容 量。主要任务是实时的估计和跟踪信道，通过学习和决策理论，判断信道质量变 化的趋势，从而改变系统的调制方式、传输速率。信道状态估计需要接收机和发 射机联合工作，同时需要计算发射机的发射功率和信道容量。 3 ) 发射功率控制频谱资源管理。动态频谱分配由发射端实现，完成认知周期中的 多址接入控制。频谱分配的主要任务是，研究一种自适应策略以提高r f 频谱利用 率。更明确的说，就是在通过无线信道检测和分析获得的空闲频谱上，选择一种 适合时变无线信道环境的调制方案，从而在任何时刻能够进行可靠的通信。 通常前两项任务由接收机完成，最后的任务由发射机完成。 发射 信号 发射功率控制 频谱资源管理 发射机 无线信道环境 空闲 信道 信道容量 r f 检测 一 怃线信适 分析 干扰温度j 、 信遭 (状态估计 预测建模 图2 3 认知周期 接收机 6 基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究 认知无线电的研究大致包括3 个不同的方面：对无线传输环境的感知、对网 络环境和用户迁移行为的感知、对用户生命环境( 包括用户信息、生命状态信息、 财产安全信息) 的感知。本文主要是对无线传输环境的感知，研究动态重用闲置 或可用的频谱资源的技术和法规，主要是其频谱资源管理方法，使得频谱资源的 利用率有一定的提高；以典型的第2 代移动通信系统g s m 网络为背景，研究关键 技术的实现方案，提出我国认知无线电的发展建议。 2 1 2 国内外发展状况 针对认知无线电，美国国防部提出下一代无线通信( x g ) 的项目，2 0 0 4 年该 项目进入第三个研究阶段，投资1 7 0 0 万美元，预计在2 0 0 6 年底完成第三阶段的 研究。该项目将研制和开发频谱捷变无线电( s p e c t r u ma g i l er a d i o s ) ，这些无线电 台在使用法规的范围内，可以动态适应变化的无线环境，在不干扰其他非合作无 线电台的前提下，使得可接入的频谱范围扩大1 0 倍。 r a y t h e o n 公司计划在2 0 0 4 年6 月演示可将频谱利用率提高1 0 到2 0 倍的技术。 r a y t h e o n 公司号称将提出一系列的频谱接入认知无线电的算法和协议，该公司将 x g 的适配层插入到现存的或未来的军用无线电台( 如j t r s ) 中。该公司的系统 研发部的主任d r r o b e r tb e r e z d i v i n 指出：x g 技术将使无线技术从受当前的频谱 可用性的限制提升到仅受应用开发者的想像力所限制的地位。x g 将提供军用网络 中心战概念所需的可靠无线通信和演进到商用第四代无线通信的可能机制。 国内对认知无线电的研究也是刚刚起步，杨悦等介绍了j m i t o l a 提出的认知 无线电结构【4 】，叶佩军和安建平发表了相关文掣5 1 。 许多研究都建议首先在电视广播频段运用认知无线电技术。i e e e 于2 0 0 4 年 1 0 月正式成立i e e e 8 0 2 2 2 工作组无线区域网络( w r a n ) ，计划2 0 0 7 年下半 年完成标准化作业。其目的是研究基于认知无线电的物理层、m a c 层和空中接口， 以无干扰的方式使用已分配给电视广播的频段。将分配给电视广播的v h f u h f 频 带( 北美为5 4 m h z - - 一8 6 2 m h z ) 的频率用作宽带接入频段。i e e e 8 0 2 2 2 的数据通 信速率为数m b i v s - - , 数十m b i t s ，基站设备可覆盖的范围很大，如半径可超过4 0 k i n 。 这是继2 0 0 2 年实现民用的“u w b ”之后又一新的无线频率应用技术。 作为实现i e e e 8 0 2 2 2 的关键，认知无线电技术是指通过在通信终端上配备能 够检测未使用频带的功能，在各地区和各个时间段里有效地利用不同的空闲频道。 即便频率需求非常紧张的数百m h z - - 2 g h z 无线频带中，照样存在着大量的空闲 频道，但这种空闲频道过去始终无法得到有效利用。如果i e e e 8 0 2 2 2 能达到实用 水平，那么终端方面就能通过寻找电视转播中未使用的频率，将其用于无线通信。 日本也已宣布将于2 0 0 5 年度开始探讨该技术。 第二章认知无线电概述 7 美国联邦通信委员会( f c c ) 2 0 0 3 年1 2 月就相当于美国电波法的 f c c 规则第1 5 章( f c cr u l e p a r t l 5 ) ，公布了修正案，只要具备认知无线电功能，即使 是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带，f c c 在 推进智能无线技术的同时还将放宽有关限制。 以上国内外对认知无线电的研究情况都说明了认知无线电具有很大的发展潜 力，其对无线频谱的接入完全不同于普通无线电用于提高授权用户的频谱接入， 并会在无线通信领域掀起一股新浪潮。 2 2 无线频谱管理 本文主要研究一个完整认知过程的频谱管理部分。下面简单介绍一下频谱管 理的特性、作用等基础知识。 1 ) 无线频谱管理的特性： 无线频谱管理的主要目的就是有效地使用无线电频率资源，其具有高效性和 有序性的特点。 高效性：在有限的频带内容纳更多的用户 有序性：不同用户在使用无线电频率时相互之间不产生干扰 2 ) 无线频谱管理的作用： 技术方面：减小干扰 经济方面：分配频谱到最能产生经济效益的地方 国家公共政策方面：实现公共业务( 例如国家广播、安全、国防及其它) 技术 多样性 3 ) 无线频谱管理中的主要业务和次要业务。在频率划分表中，一个频带可以被划 分为多种业务。次要业务台站的规则为： 不得对主要业务台站产生有害干扰 不得对来自主要业务台站的有害干扰提出保护要求 可以要求保护不受来自同一业务或者其它次要业务电台的有害干扰 以上无线频谱管理特性适用于所有系统，当然也适用于认知无线电系统，更 是认知无线电系统的终极目标。认知无线电授权用户业务为主要业务，非授权用 户业务为次要业务，无线频谱管理主次要业务的规定正是我们对授权用户和非授 权业务的规定，所以我们应该以上面的频谱管理要求为准绳来设计我们认知无线 电的频谱管理。 8 基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究 2 2 1 现有的无线频谱管理方法 现有的无线电频谱管理规则采用的是单用途频谱分配方案，就是无线电频谱 管理部门将某个频带划分给某种业务，则只能为该业务所用；更进一步，将某个 频段分配给某个业务运营商( 或团体、部门等) ，则该频段只能由该运营商所属的 用户使用，其它用户不能使用该频段，即使前者不使用，后者也无权使用。这样 一方面许多有利用价值的频谱资源常常空闲，另一方面由于这些频谱已被分配使 得许多急待使用无线电频谱的其它用户在法理上不能使用这些频谱。这种对稀缺 的无线频谱资源的不充分利用是由于当前无线电频谱管理采用单用途频谱分配规 则造成的，是管理规则限制了潜在频谱用户获得频谱接入的能力即限制了对频谱 资源的充分利用。在无线电频谱资源十分珍贵的今天，部分修改无线电频谱管理 规则从而提高频谱利用率就应当提到议事日程上。 现有的无线电频谱管理方式是无线电频谱管理机构制定频率使用规则，无线 电频率使用者通过书面形式向无线电频谱管理机构申请频率，管理机构再通过文 件形式给无线电用户指配频率见图2 4 。 无线电频谱 制定频率 管理机构 使用规则 无线电频率 使用者 行政管理申请频率( 无线电网 ( 书面) 络运营商及 技术管理 卫星、导 频率分配航、定位应 全国管理 ( 文件)急等其它使 频率使用 用者) 地方管理 ( 频率指配) 图2 4 无线电频谱管理结构图 现有的无线电频率分配分为三个层次：频带划分，频段分配，频道指配。三 个层次的对象及其实施方见表2 1 。 频带划分：将某个特定的频带列入频率划分表，规定该频带可在制定条件下供 一种或多种地面或空间无线电通信业务或射电天文业务使用。 频段分配：将无线电频段规定由一个或多个部门，在指定的区域内供地面或空 间无线电通信业务在制定条件下使用。 频道指配：将频道指配给某个无线电台在规定条件下使用。 第二章认知无线电概述 9 表2 1 频谱分配层次表 名称层次对象实施方 频带划分高业务高层管理部门 频段分配中部门频率管理部门 频道指配低电台无线网络运营者 2 2 2 认知无线电频谱管理的研究 讨论了认知无线电技术和我国现有的频谱管理方法，回到本文的主题即认知 无线电的频谱管理。第一章的背景知识中我们已经初步了解到认知无线用户分为 两种即授权用户和非授权用户，通过申请得到授权频段且可以不受干扰地使用已 分配的频段的用户( 通常为某个无线业务运营商的注册用户) 定义为授权用户； 在一定规则下重复使用己分配给授权用户的频段且不影响其它授权用户对频段正 常使用的用户定义( 通常为单独或小团体的临时用户) 为非授权用户。认知无线 电中的非授权用户应该具有捷变无线电能力，具体又分为具有认知功能的非授权 用户( 能够自己探测空闲频道，按照信道特点自动设置发射参数) ，不具有认知功 能的非授权用户( 要向动态频谱管理系统申请频道和发射参数) 。非授权用户类型 不同，频谱管理方法就不同。不具有认知功能的非授权用户是本文研究的用户类 型，所以我们针对其提出了一种动态频谱管理方法。 动态频谱管理和发射功率控制一起位于发射机处，主要完成多址接入控制的 功能。也就是说，频谱管理的主要任务就是开发一种自适应策略来有效利用r f 频 谱。频谱管理要考虑调制和流量的问题： 1 ) 调制的考虑 调制策略推荐o f d m 调制，因为它具有易适应性和计算有效性的优点。o f d m 随着时间推移实现了动态频谱共享。实际上，这种动态频谱共享迎合了这种频谱 空洞随时间和地理位置变化的限制。通过动态频谱共享过程，发射功率控制器将 比特负载插入频谱空洞中。事实上，动态频谱管理中心和发射功率控制器彼此协 调工作，完成多址接入的需要。 2 ) 流量的考虑 像i s 9 5 这种c d m a 系统中，有一种现象叫做小区分裂：即系统中的小区随 着时间有效地收缩或者扩张。特别，当小区有较多用户是，干扰温度级别会上升， 我们通过将新到达的用户划分到另一个小区，a p d , 区覆盖率减小来抵消这种干扰 温度的增长。如果，另一方面，小区中的用户数较少，那么干扰温度级别会相应 降低，通过容纳更多的用户可以提高小区的覆盖率。因此在c d m a 系统中，流量 l o 基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究 和干扰温度级是相互关联的。在基于c d m a 的认知无线电系统中，动态频谱管理 中心很自然就关注用户的划分，首先将用户划分给干扰温度较低的白空，然后是 干扰温度较高的灰空。 为实现动态频谱管理，还需考虑授权用户业务流的类型。通常将业务流分为 两种： 1 ) 确定性 对于这种数据流，通常其大多数用户在固定时间内进行数据传输，传输结束 后，所占用的频谱就空闲，这时认知无线电就可以在该频段上工作；( 这种业务流 来源子日常生活中的r v 、电台、- 些国家基础信息源，或者警察、火警等专用但 占用率不大的业务流) 。 2 ) 非确定性 这种数据流，通常是以统计的方式描述、例如：分组到达时间服从p o i s s o n 分 布；而服务时间服从指数分布。通常，统计业务数据流的特性随时间变化的比较 慢：因此，可以根据历史统计数据估计其占用信道的时间。若能建立一个数据库，。 跟踪并预测数据流，能够提高频谱资源分配的准确性。( 这类业务流如呼叫流，需 要通过统计方式来跟踪这类业务流的特点，从而合理利用这里业务流的频道) 。 动态频谱管理的技术重点在于如何根据检测和分析得到的频谱资源使用情况 构成无线频谱使用状况数据库，如何实现非授权用户申请和动态频谱管理中心的 应答，如何从数据库中为非授权用户寻找最佳频段，从而在干扰受控、资源受限 的条件下，充分利用授权用户此时不占用的信道的空闲信道，有效提高频谱利用 率。 第三章动态频谱管理方法研究 第三章动态频谱管理方法研究 3 1 动态频谱管理方法的提出 现有的无线电频谱管理方法适合对授权用户的固定频谱分配与指配。而要考 虑非授权用户对已分配频谱在未使用情况下的再次使用，考虑授权用户到达时非 授权用户的实时退避，还要使非授权用户的接入不影响其它用户的正常通信，就 要设计一种动态的频谱管理方法，同时设置专门的部门来为非授权用户指配频率， 单靠现有的无线频谱管理方法是不能完成的。因此，需要设计一种基于认知无线 电技术的针对非授权用户的动态频谱管理方法，作为对现有无线电频谱管理方法 的补充和修改。改进后的频谱管理系统可以按照现有方式为授权用户提供频谱管 理，同时按照动态频谱管理方式为非授权用户提供频谱管理。 3 2 动态频谱管理系统 本文提出的动态频谱管理系统设置在无线电管理机构下，接受非授权用户的 申请，同时在一定管理方法的指导下实现对已分配频谱在未使用时的再次利用来 满足非授权用户的通信需求。为了实现动态频谱管理，提出了动态频谱管理系统 的自动分配和非授权用户的自动申请，用于申请的申请帧格式和指导分配的分配 帧格式，以及用于自动分配的数据库查询方法和分配流程。 3 2 1 动态频谱管理系统结构 现有的频谱管理体制是无线频谱管理部门将频段指配给运营商，再由运营商 为授权用户分配频率，而本文设计的频谱管理体制是位于无线电频谱管理部门下 的动态频谱管理系统直接为非授权用户指配频道，而免除频带分配过程。二者的 差异具体如图3 1 所示。 既要满足频谱管理的性能要求，又要实现非授权用户频谱管理的实时性要求， 本文设计了一种动态频谱管理系统，它由动态频谱管理中心、频率使用状况数据 库、频谱监测单元三部分加上被监测的实际无线电频谱使用环境共同构成，整个 频谱管理过程由申请帧格式、分配帧格式、数据库查询方式、动态频谱管理中心 频谱分配方式等规则指导实施。非授权用户和授权用户构成了实际的无线频谱使 用环境，频谱监测单元周期性地监测无线环境的变化并将监测结果报告给频率使 1 2 基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究 用状况数据库，根据报告内容数据库对其信息做相应改动。整个非授权用户频谱 管理过程叙述如下：非授权用户一有频谱需求，就将自己的需求信息构成申请帧 发送给动态频谱管理中心，中心接收到申请帧后，在查询规则指导下开始查询无 线频谱使用状况数据库为非授权用户查找合适频谱，最后将查询结果构成分配帧 发送给申请用户，等待申请用户的接入，整个频谱管理过程监测单元不停地做周 期性监测，并将监测结果告知无线频谱使用状况数据库，以此来增加系统容量提 高频谱利用率，具体动态频谱管理系统构成和频谱管理过程见图3 2 所示。 频率管理部门 分配 厂 i 运营商 指配 授 权 用 户 授 权 用 户 动态频谱管理系统 非 授 权 用 产 图3 1 现有频谱管理体系和动态频谱管理体系的差异 指配 非 授 权 用 户 图3 2 动态频谱管理系统构成及频谱管理过程 3 2 2 动态频谱管理的实现 非授权用户申请过程和动态频谱管理中心分配过程完全依靠网络实现。例如 某授权用户结束业务传递释放其授权频段后，频段开始处于空闲状态，无线频谱 到丁般做旧沪 营工 匿r蚓引 第三章动态频谱管理方法研究 使用状况发生改变，这一改变马上被做周期性监测的频谱监测单元捕获，报告频 谱使用状况数据库修改此频段的相关信息，数据库将此频段的空闲状态由忙碌改 为空闲。这时一个非授权用户产生频谱需求，将自己的申请信息( 如主叫地点、 所需带宽、所需空洞稳定度、业务类型、预约服务时间等) 按照申请帧格式要求 构成申请帧，通过网络自动发送给动态频谱管理中心。动态频谱管理中心接到申 请帧后，首先对申请用户的信息进行分析，然后在数据库查询方法的指导下查询 频谱使用状况数据库，将用户要求与查询到的可利用的频谱资源进行比对，为申 请用户选择合适的频段，最后将选择结果按照分配帧格式要求构成分配帧，通过 网络自动发送给申请用户。如果申请成功，非授权用户按照分配信息立即或延迟 某一时间段开始接入使用，非授权用户的接入一定会影响无线频谱使用状况，这 一改变又被频谱监测单元察觉到，频谱使用状况数据库根据监测结果修改数据库 中此频段的空闲状态，由空闲改为忙碌。这就完成了非授权用户的自动申请和动 态频谱管理中心的自动应答，也就构成了一个完整的动态频谱管理过程。 3 3 动态频谱管理规则 如前所述动态频谱管理规则主要包括非授权用户申请帧格式、动态频谱管理 中心分配帧格式、数据库查询流程、动态频谱管理中心分配流程等。 3 3 1 非授权用户频率申请帧格式 非授权用户有频谱需求，但作为外网用户既没有授权频段可以直接使用，又 对接入网情况一无所知更不知道接入网用于信令传递的公共信道，所以必须与动 态频谱管理系统达成共识，通过某种双方都识别的形式传送信息到动态频谱管理 中心实现频谱复用，这种公认的形式就是申请帧格式。动态频谱管理中心只有通 过非授权用户的申请帧才能了解申请用户的具体信息( 如所需带宽、稳定度要求， 预约时间等) ，为其查找合适的频道。 1 ) 申请帧格式及参数 87 12 3182比特 图3 3 非授权用户申请帧格式及参数 申请帧：5 0 比特。 帧头h e a d ：8 比特 用户注册号n u m b e r ：7 比特，申请用户位于申请队列中的位置。用户到达后可 按照业务类型、紧急程度等原则进入队列排队等待动态频 1 4 基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究 谱管理中心的处理。 用户类别t y p e ： l 比特，区别各类用户以确定用户是否需要动态频谱管理系统 辅助实现频谱复用。 l ：具有认知功能的用户。此用户本身具有频谱监测和查找功 能，能自动搜索合适频谱并接入使用，不依靠动态频谱管理中 心在无线频谱使用状况数据库中为其查找空闲频段以供使用。 o ：不具有认知功能的用户。此类用户依靠动态频谱管理中心 在无线频谱使用状况数据库中为其查找空闲频谱以供利用。 申请数据d a t a ： 使用带宽：9 比特，单位k h z ，用于其业务传输的最小带宽。本文假设g s m 为接入网，外网为其它任何网络，且非授权用户带宽需求不超过 4 0 0 k h z 。基于g s m 系统的性能指标，申请带宽存在以下两种情况： 情况1 ：小于等于2 0 0 k h z 情况2 ：大于2 0 0 k h z 且小于等于4 0 0 k h z 以上2 种情况的9 比特表示法如下： 情况l ：0 x x x x x x x x ，最高位o 表示带宽小于等于2 0 0 k h z ，实际 值由后8 比特计算得到 情况2 ：1x x x x x x x x ，最高位1 表示带宽大于2 0 0 k h z 且小于等于 4 0 0 1 d - i z ，实际值由2 0 0 加上后8 比特所示数字计算得到。 例如：0 0 0 1 0 0 0 0 0 表示带宽小于等于2 0 0 k h z ，后8 比特0 0 1 0 0 0 0 0 计算得出所需带宽为6 4 k h z 1 0 0 1 0 0 0 0 0 表示带宽大于2 0 0 k h z 且小于等于4 0 0 k h z ，2 0 0 加上后 8 比特0 0 1 0 0 0 0 0 所示数字，得所需带宽为2 0 0 + 6 4 = 2 6 4 ( k h z ) 使用时间：6 比特，单位分钟( m i n ) ，业务传输所需时间。针对业务类型存 在以下3 中情况： 情况l ：电话、传真等业务，传输时间很短，小于等于1 0 m i n 情况2 ：视频业务等，传输时间大于1 0 m i n 且小于等于6 0 m i n 情况3 ：一个小时以上传输时间 对应以上三种情况，6 比特表示法如下： 情况l ：0 0 x x x x ，后四位表示小于等于1 0 情况2 ：x x x x x x ，总共六位表示大于1 0 ，小于等于6 0 情况3 ：1 1 1 1 1 1 ，表示大于一小时 稳定度：2 比特，完成业务传输所需最低空洞稳定度。 0 0 低稳定度 0 1 ：中稳定度 第三章动态频谱管理方法研究 1 5 1 0 ：高稳定度 业务类型：2 比特。 0 0 ：语音 0 1 ：数据 1 0 ：视频 语音业务：业务流量小，空洞稳定度要求不高，实时性强，空洞 等级要求不高 数据业务：业务流量居中，空洞稳定度要求居中，实时性要求不 高，准确性要求居中，空洞等级要求居中 ， 视频业务：业务流量大，空洞稳定度要求高，实时性强，准确性 要求高，空洞等级要求高 主叫地理位置：2 比特，申请用户业务发生地，主要用于无线频谱使用状况 数据库的选择。不同区域无线频谱使用状况差异很大，甚至 同一区域频谱状况也不相同，所以用于存储频谱使用状况信 息的数据库内容也不同，只有明确申请发出地才尽可能为其 选择合适的数据库，查询准确的频谱资源以供利用。 0 0 ：东区 0 1 ：南区 1 0 ：西区 1 1 ：北区 紧急程度e m e r g e n c y ： 1 比特。 e m e r g e n c y = 1 紧急，需要马上处理的业务。其具有最高 的优先级，常常处于排队队列的队首位置。 e m e r g e n c y = 0 非紧急，按照正常业务优先级处理的业 务。 功率下限p o w e r d o w n ：8 比特，传输业务所需的最小发射功率。 其它o t h e r ：保留 2 比特。 2 ) 申请规定 条件：用户为具有捷变无线电能力的非授权用户。 业务量：不能太大，持续时间不能太长，主要因为频谱空洞出现不稳定且随 机性很强。 3 3 2 动态频谱管理中心分配帧格式 为用户查找到了合适的频段，动态频谱管理中心就要通过某一途径将频段信 1 6 基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究 息反馈给申请用户供其接入使用或与其进一步交流信息以求最合适的频谱分配， 这一途径正是分配帧格式。只有申请而无分配，申请就不存在意义，非授权用户 也无法实现频率复用。不同申请要求分配也不同。如果申请成功分配帧反馈分配 频段的信息，若申请不成功或申请信息不明确，分配帧反馈要求用户与动态频谱 管理中心进行进一步交流的信息。 1 ) 分配帧格式及参数 8731 9 8 2 比特 图3 4 动态频谱管理系统分配帧格式及其参数 帧结构：4 7 比特。 帧头h e a d ：8 比特。 用户注册号n u m b e r ：7 比特，申请用户号。 应答状态r e s p o n s e ： 3 比特。 0 0 0 未注册用户，无效 0 0 1 已分配 0 1 0 暂缓分配( 推迟) 0 1 1 全忙，拒绝 1 0 0 有疑问，再协商 分配数据d a t a ： 中心频率 带宽 空洞等级 空洞稳定度 r e s p o n s e 为0 0 1 时有意义，1 9 比特。r e s p o n s e 为其它，此 项无意义且为空。 1 3 比特，分配频段的中心频率，单位m h z 。接入g s m 系 统中前1 0 比特表示频率的整数位，后3 比特表示小数位， 两者之间用i 隔开。 1 比特，分配频段的带宽，单位k h z 。接入网为g s m 系统 且申请频道带宽不超过4 0 0 k h z 时，表示意义如下： o ：2 0 0 1 ：4 0 0 2 比特，分配频段空洞等级。 0 0 ：白空 0 1 ：灰空 1 0 - 黑空 2 比特，分配频段稳定度。 0 0 - 低稳定度 0 1 ：中稳定度 第三章动态频谱管理方法研究 1 7 最佳调制方式 功率上限p o w e r u p - 1 0 ：高稳定度 1 比特，业务不同调制方式也就不同。 0 ：o f d m 调制 8 比特，单位w ，不影响接入网中其它用户( 授权用户和 非授权用户) 正常通信可用的最大功率。 其它：保留2 比特。 3 3 3 数据库查询方法 因为无线频谱使用状况不停地在发生变化，为了在接收到非授权用户申请后 给与最即时且准确的分配信息，设计合理的数据库查询方法就必不可少。根据不 同业务需求为用户选择不同数据库查询方式以到达最迅捷最优化地查询功能是本 文数据库查询方法设计的主旨。以下设计了九种数据库查询方法及其查询准则： 1 ) 根据非授权用户所需求的空洞的带宽和空洞的等级所提供的查询。 2 ) 根据非授权用户所需求的空洞的稳定度和空洞的等级所提供的查询。 3 ) 根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的稳定度和空洞的等级所提供的 查询。 4 ) 根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的白空概率和空洞的等级所提供 的查询。 5 ) 根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的灰空概率和空洞的等级所提供 的查询。 6 ) 根据非授权用户所需求的空洞的稳定度、空洞的白空概率和空洞的等级所提 供的查询。 7 ) 根据非授权用户所需求的空洞的稳定度、空洞的灰空概率和空洞的等级所提 供的查询。 8 ) 根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的稳定度、空洞的白空概率和空 洞的等级所提供的查询。 9 ) 根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的稳定度、空洞的灰空概率和空 洞的等级所提供的查询。 对应于每一个查询方法，查询准则如下： 1 ) 查询准则1 ，如果可以找到符合条件的空洞，应该按照优先分配带宽小的空洞 的原则进行空洞的分配。如果要求的空洞的等级为灰空，但是没有相应的空洞符 合要求，便自动查询白空，同样按照优先分配带宽小的空洞的原则。 2 ) 查询准则2 ，如果可以找到符合条件的空洞，应该按照优先分配稳定度低的空 洞的原则进行空洞的分配。如果要求的空洞的等级为灰空，但是没有相应的空洞 1 8 基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究 符合要求，便自动查询白空，同样按照优先分配稳定度低的空洞的原则。 3 ) 查询准则3 ，如果可以找到符合条件的空洞，应该按照优先分配带宽小的空洞 的原则进行空洞的分配。如果要求的空洞的等级为灰空，但是没有相应的空洞符 合要求，便自动查询白空，同样按照优先分配带宽小的空洞的原则。 4 ) 查询准则4 ，如果可以找到符合条件的空洞，应该按照优先分配带宽小的空洞 的原则进行空洞的分配。如果要求的空洞的等级为灰空，但是没有相应的空洞符 合要求，便自动查询白空，同样按照优先分配带宽小的空洞的原则。 5 ) 查询准则5 ，如果可以找到符合条件的空洞，应该按照优先分配带宽小的空洞 的原则进行空洞的分配。如果要求的空洞的等级为灰空，但是没有相应的空洞符 合要求，便自动查询白空，同样按照优先分配带宽小的空洞的原则。 6 ) 查询准则6 ，如果可以找到符合条件的空洞，应该按照优先分配稳定度低的空 洞的原则进行空洞的分配。如果要求的空洞的等级为灰空，但是没有相应的空洞 符合要求，便自动查询白空，同样按照优先分配稳定度低的空洞的原则。 7 ) 查询准则7 ，如果可以找到符合条件的空洞，应该按照优先分配稳定度低的空 洞的原则进行空洞的分配。如果要