（通信与信息系统专业论文）支持动态频谱管理的数据库及仿真软件研究.pdf

摘要 由于频谱资源的匮乏，合理、充分的利用现有的频谱资源已经变得十分的重 要。认知无线电技术通过再利用那些已经被分配，但是有时候却处于空闲状态的 频率资源，以达到提高频谱利用率的目的。通过对认知无线电概念的延伸，从提 高频谱使用效率的角度考虑，结合现有的频谱管理规则，提出了一套动态频谱管 理系统。该系统是作为对传统无线电频谱管理方法的补充和修改，包含了分配空闲 频段的方法以及管理非授权用户的策略和协议。本文介绍的就是一种支持动态频 谱管理的数据库、以及数据处理和查询方法。并设计了基于数据库的动态频谱管 理仿真软件，软件实现了多种过程的演示和各种性能的仿真。基于数据库的动态 频谱管理系统使频谱的管理变得更加的方便，使动态频谱管理中心对频谱的管理 和分配变得更加的快捷和准确。 关键字：认知无线电子库查询方法 a b s t r a c t u s i r i gs p e c t l u n lr e s o l l r c er e a s o n a b l ya n df u l l ya l w a y sb e c o m e sv e r yi m p o r t a n t b e c a u s es p e c t r u mr e s o w v 七i ss c a r c e c o g n i t i v er a d i o ，an e w t e e l m o l o g yt h a tr e c y c l i n g t h es p e c t r u m1 - w e o u r e ew h i c hh a sb e e na s s i g n e dt o8 0 m 自o n eb u ts o m e t i m e si sv a c a n t ， i m p r o v e st h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n t h r o u g ht h ee x t e n s i o no fc o g n i t i v er a d i o ，w ep u t f o r w a r d “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 oi m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n 。 t h i ss y s t e mi st h e c o m p l e m e n ta n dm o d i f i c a t i o n st o t h e t r a d i t i o n a lf r e q u e n c y m a n a g e m e n tr u l e ，a n di tc o n t a i n sm e a s u l e st h a th o wt od i s t r i b u t et h ef r e q u e n c ya n d p r o t o c o lt h a th o w t os u p e r v i s et h eu n a u t h o r i z e du s e r s 。t h i st h e s i si n t r o d u c e sad a t a b a s e s u p p o r t i n gd y n a m i cs p e c t r u mm a n a g e m e n ta sw e l la sd a t ap r o c e s s i n ga n dq u e r y m e t h o dct h es o f t w a r et h a ti m i t a t e st h i sm a n a g e m e n ts y s t e me a l t i e so u tv a r i o u ss h o w s o fp r o c e s s e sa n de v a l u a t i o n so fp e r f o r m a n c e s 。a l lt h e s em a k ed y n a m i cs p e c t r u m m a n a g e m e n tc o n v e n i e n ta n dm a k et h em a n a g e m e n ta n da s s i g n m e n tq u i c ka n de x a g t k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o s u b - d a t a b a s e q u e r ym 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丁明确的- 兑 1 t ) j 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：函煎日期翘左幽生日 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 生在校玫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 结台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 甬爿赶 日期避! 宣塑9 日期2 竺翌盔! 日兰；d 第一章绪论 第一章绪论 1 1本文的研究背景 随着社会的进步，经济、科技迅速的发展，人们对通信的需求也不断的扩大， 尤其是对无线通信的需求量不断的激增，导致了频谱资源的紧缺。无线资源本身 的匮乏以及使用它的不合理性使得无线资源显得愈加的不足和缺乏。在国外的研 究文献【s l 【1 1 】年和我们对某些频段进行的实时检测都证实了这个结论。 既然有些频谱资源在很多时候是没有被使用的，认知无线电是否可以解决这 个看起来自相矛盾的问题呢? 答案是肯定的，因为认知无线电技术可以重用那些 已经分配给授权用户的，又经常处于空闲状态的频谱资源，所以可以大幅的提高 频谱的使用效率。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。 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专门设定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。这样就通过对频谱资源 的管理更加合理化，使频谱资源达到优化的配置，从而提高频谱的使用率。 1 2本文的主要研究工作和内容安排 由上面的简单叙述可以知道引起无线频谱资源的不足的一个主要的原因是对 无线频谱资源的使用不合理，对其造成了巨大的浪费。本文的主要研究工作是在 认知无线电技术的基础之上，提出了一种基于数据库的动态频谱管理系统，该动 态频谱管理系统作为一种频谱管理的新规范，作为传统频谱管理的有效补充，从 另一个方面延伸了认知无线电技术关于提高频谱使用效率的概念。 以认知无线电技术为基础，围绕动态频谱管理系统，本文的主要研究内容安 排如下： !支持动态频谱管理的数据库的设计及仿真软件研究 第二章主要是介绍一下认知无线电的发展背景以及发展现状，并叙述一下现 有频谱的管理方案。 第三章介绍的主要是频谱数据库的设计，包含数据库的结构和数据库所提供 的查询方法。 第四章是联合频谱数据库设计了基于数据库的动态频谱管理仿真软件。主要 包含对软件的介绍，以及软件实现的功能。 第五章是对仿真性能结果的分析。 第六章为结束语。 第二章认知无线电技术 第二章认知无线电技术 2 1 认知无线电技术的发展背景 随着移动语音数据的应用取得了巨大的成功也使得远大于以前的通信数据量 都拥挤到了稀有的，有限的，而且又很窄的频带内。再加上频谱利用得不充分， 如下图2 1 所示： 静 匠 熏 星 莒 g 篁 皿 _ - i-i f r e q u e n c y ( 单位：m h z ) 图2 19 3 5 9 6 0 m i i z 频段频谱在一天内的利用率 从图中可以看出，很多频段在大部分时间内是空闲的。如何能够更有效地使 用稀有的频谱资源，提高频谱利用率，在各地区和各个时间段里有效地利用不同 的空闲频道，成为人们非常关注的技术问题。j o s e p h m i m l a 在软件无线电的基础上 提出了认知无线电的概念，为这个问题提供了解决方法。 软件无线电是一种实现无线通信的新概念和新体制，是作为多频带多模式的 个人通信系统平台而出现的。其以硬件作为无线通信的基本平台，无线通信功能 尽可能用软件实现。这样设计的无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系 统互联和升级变得非常方便。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 一4 支持动态频谱管理的数据库的设计及仿真软件研究 习，通过无线电知识描述语言( r k 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，以达到无论何时何地 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 种基本过程，分别是无线传输场景分析、信道状态 估计及其容量预测、功率控制和频谱管理，它们的顺序执行使认知无线电系统的 认知功能得以实现。如图2 2 所示： 认知无线电的认知任务为： 1 ) 无线电环境的分析 包括：无线电环境干扰温度的估计和频谱空洞的探测 2 ) 频道的鉴别r 包括：频道状态信息的估计和频道容量的预报 3 ) 传输功率控制和动态频谱管理 通常前两项任务由接收机完成，最后的任务由发射机完成。这3 个任务就形成 了上面所述的基本的认知过程。 图2 2 认知模型图 机 第二章认知无线电技术 通过上面简短的论述，可以很显然的看到在认知模型中发射机要和接收机协 调的工作，为了保持发射机和接收机之间的协调性，需要一个“反馈通道”来连接接 收机和发射机( 文献) ，通过这个反馈通道，接收机可以传送信息给发射机，因此， 认知无线电也是一种反馈型的通信系统。 2 2认知无线电的发展现状 由于认知无线电的一系列的特点，以及它对解决频谱资源日趋紧张的现状所 体现处出来的优势，世界各国也不断加大对认知无线电研究的投入。 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 m a na 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 公司号称将提高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，n s ) 中。该公司的系统 研发部的主任d r r o b e f 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，杨悦在文献1 1 4 】介绍了j m i t o l a 提出的 认知无线电结构，叶佩军和安建平在文献【1 3 】中也比较详细的介绍了有关认知无线 电的概念。 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 s 0 2 2 2 工作组无线区域网络( w ra 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 八j h f 频 带( 北美为5 4 m i - i z 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 信速率为几m b i l l s 几十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 m 。 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 i - i 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。 !支持动态频谱管理的数据库的设计及仿真软件研究 日本也已宣布将于2 0 0 5 年度开始探讨该技术。 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 s ) ，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现状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 3现有的频谱管理政策 传统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 3 。 无线电频谱 1 使用规则r 1 一 无线电频率管理机构 使用者 行政管理 盛署一 ( 无线电网 络运营商及 技术管理 卫星、导 航、定位应 全国管理1 ( 塞鲑2r _ 一 急等其它使 用者) 地方管理 + 。1 ( 频率指配) 广1 图2 3 无线电频谱管理结构图 传统的无线电频率分配分三个层次：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。 第二章认知无线电技术 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 7 目前商用的无线体系结构是以网络为中心并且受到频谱分派的约束，它无法 对频谱资源进行合理有效的配置，不适应未来通信的需要。现有的无线频谱管理 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无线业务运 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，其他用户不 能使用该频段。即使前者不使用此频段，后者也无权使用该频段。事实上如前面 所述，某些已分配给无线电业务运营商的频段长时间不被使用，还有一些频段只 是部分时间被使用，仅有部分频段被频繁使用。 2 4动态频谱管理系统 通过对认知无线电概念的延伸，从提高频谱使用效率的角度考虑，结合现有 的频谱管理规则，提出了一套动态频谱管理系统。该系统是作为对传统无线电频 谱管理方法的补充和修改，包含了分配空闲频段的方法以及管理非授权用户的策略 和协议。动态频谱管理系统的构成如图2 4 ： 图2 4 动态频谱管理系统构成图 动态频谱管理系统包含了频率使用状况数据库、动态频谱管理中心以及频谱 检测模块。其中动态频谱管理中心负责对频段进行再分配，那么动态频谱管理中 ! 支持动态频谱管理的数据库的设计及仿真软件研究 心必须知道在某一个时刻，某一个地点的频谱的使用状况，而要想知道频谱的使 用状况就必须在相应的时间和相应的地点处有频谱检测设备，如果有检测设备， 则可以检测到当时频谱的使用情况( 也只是瞬时的使用状况，缺乏历史的使用情况， 比如各个频段的长期使用效率情况，空洞的稳定度等等) ；如果当时没有频谱检测 设备的话，就会变的很被动，临时再调用一个检测设备可能已经来不及了，但是 如果有一个记录频谱使用状况的数据库存在的话，情况会变得简单很多。 因此在动态频谱管理系统中，一个设计完善的数据库是必不可少的，它对频 谱长时间的使用状况进行记录和统计处理，为频谱的再分配提供了参考的依据 第三章频谱数据库的设计 第三章频谱数据库的设计 9 频谱数据库是配合动态频谱管理中心工作的，数据库的构造是否合理并且完 善，是其能否更好的支持动态频谱管理中心对频谱的分配和管理的关键。数据库 对数据进行记录、统计和处理，并根据非授权用户的参数设计多种可供动态频谱 管理中心选择的查询方法，使动态频谱的管理变得更加的方便，使动态频谱管理 中心对频谱的管理和分配变得更加的快捷和准确。 因为检测数据是根据地点进行的，所以数据库的设计也是针对单一检测地点 的。通过设计合理完善的数据库，将检测到的数据保存到数据库中，再对所保存 的数据进行分析，对数据库中所记录的频谱的使用状况做出统计处理，对符合条 件的空洞做出标示，进而提供相关的查询方法给动态频谱管理中心使用。 数据库的设计应该主要包含以下两个方面的内容： 1 ) 数据库包含的对频谱使用状况进行分析所必需的若干个予库。 2 ) 数据库可以提供给动态频谱管理中心的多种查询方法。 3 1关于检测频段的划分 3 1 1 国内和国外的无线电频率划分概况 由于频谱数据库要记录的频段跨度很大，从3 0 0 m i - i z 一3 g h z ，为了避免冗余 又要满足快捷查询的需求，所以怎样划分纪录频段是一个关键的问题。针对不同 频段的不同业务，频段的检测间隔也是不同的。 我国的无线电频率分配表如下表3 1 所示： 从表中可以看出3 0 0 m h z - 一3 g 属于超高频( u h f ) ，主要的用途为：小容量 微波中继通信；( 3 5 2 4 2 0 m h z ) ：对流层散射通信( 7 0 0 - 1 0 0 0 0 m h z ) ；中容量微 波通信( 1 7 0 0 - 2 4 0 0 z ) 。 卫 支持动态频谱管理的数据库的设计及仿真软件研究 表3 1 频段划分及主要用途 名 称 甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频 符 号 v l fl f盯v h fu 耶s h fe h f 频 3 m h0 ，3 3 g h 盎 3 - 3 0 电3 0 - 3 0 0 l ( h zo 3 3 m h z3 3 0 m h z3 - 3 0 g h z3 0 _ 3 0 0 g h z 波 段 超长波长波中波短渡 米波分米波厘米波毫米波 波 l k k m - 1l o k r a 1 k1 0 0 m - 1 0 1 0 c r a - l c1 0 m m l m 长 0 0 k m i k m - 1 0 0 m1 0 m - l mi m - 0 1 m 传 播空间波 地波为主 地波与天天波与 空问波空问波空问波空间波 特 为主波地波 性 大 容量微 被中继 通信 小( 3 6 0 0 - 4 容量微2 0 0 乜 电离 波中继) ： 层散射 通信： 大 ( 3 m ( 3 5 2 - 4 2容量微 海 越洋船用 远 i - i z ) ：流星 0 m h z ) ： 波中继 主 岸潜艇 通信：中距通信：业余 距离短 余迹通信： 对流层通信 再入 要 通信：近 离通信：地无线电通人造电离 散射通 ( 5 大气层时 用 距离通波通信： 层通信 信 3 5 0 - 8 5 0 0 的通信：波 信：超远 下岩层通信：移动通 国际定 ( 7 0 0 1 0 m h z ) ； 途信；远距离信：中距离 点通信 ( 3 0 - 1 4 4 m导通信 距离导 导航导航h z ) ：对空 0 0 0 m 数 航) ：中容量 字通信： 间飞行体 微波通 卫星通 通信：移动 通信 信信： ( 1 7 0 0 - 2 田 4 0 0 胁 z际海事 卫星通 信 ( 1 5 0 0 - 1 6 0 0 h z ) 又如下表3 2 所示为我国陆地移动无线电业务频率划分表 表3 2 我国陆地移动无线电业务频率划分表 2 9 7 舶5 m h z1 5 6 8 3 7 5 - 1 6 7 i m z 5 6 6 - 6 0 6 m h z ( 电视及数据 广播) 6 4 5 7 2 5 m h z ( 广播为主。1 6 7 - 2 2 3 m i - i z ( 以广播业务7 9 8 - 9 6 0 枷 i z ( 与广播公 与广播业务公用)为主周定、移动业务为次)用) 7 2 5 7 4 6 z2 2 3 - 2 3 5 m h z1 4 2 7 ，1 5 3 5 阮 7 5 4 7 6 m h z3 3 54 - 3 9 99 m h z1 6 6 8 4 2 6 9 0 m h z 1 3 7 1 “m h z4 0 6 1 4 2 0 m h z4 4 0 0 5 0 0 0 m h z 1 妊1 4 9 9 z 4 5 0 5 - 4 5 3 5 m h z ( 电视及 数据广播) 1 5 0 0 5 - 1 5 6 7 6 2 5 m l - i z 4 6 0 5 _ 4 6 3 5 瑚z ( 电视及 数据广播) 第三章频谱数据库的设计 通过参考有关的无线电频率划分规定，对3 0 0 m h z m 3 g h z 之间的频段划分以 及应用进行了总结，如下表3 3 所示： 表3 3 个人总结频段划分表 3 0 0 吁l z 一8 0 0 m h z 电视及数据广播 8 2 5 m h z _ 彤5 他 联通c d m a 上行 8 7 0 血 z 8 8 0 加舷联通c d m a 下行 8 8 5 m h 厶9 1 5 删zg s m 上行( m s - - b s ) 9 3 0 瑚z - - 9 6 0 m h zg s m 下行 9 0 5 9 0 9 z ，9 5 0 9 5 4 m h z移动g s m 9 0 9 9 1 5 m h 曲5 4 9 6 0 m h z 联通g s m 1 7 1 0 m h 扣1 7 8 5 m h z g s m 上行( d c s ) 1 8 0 5 m l z 1 8 8 0 m h z g s m 下行( d c s ) 1 7 1 0 - 1 7 2 5 m h z ，1 8 0 5 - 1 8 2 0 m h z移动d c s 1 7 4 5 - 1 7 5 5 m h z ，l “o - 1 8 5 0 h z联通d c s 1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 2 0 1 0 - 2 0 2 5 t d - s c m a 1 7 5 5 1 7 8 5 船耐1 8 5 0 - 1 8 8 0 枷2w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 1 9 2 0 - 1 粥0 m z 倥l l o - 2 1 7 0 m h zw c d m a 、c d m a 2 0 0 0 2 3 0 0 - 2 4 0 他 1 d - s c d m a 2 4 4 2 4 8 3 5 g h z 8 0 2 1 i b 2 4 4 2 4 8 3 5 g h z 8 0 2 1 l g 从表中可以看出，在3 0 0 m i - i z 一3 g h z 频段上，频段的划分比较细，应用类型 也比较多，而且还在不断的完善之中。 3 1 2 检测频段的划分 针对上面的叙述，根据检测间隔的不同，频谱数据库中记录的检测频段划分 如下： 3 0 0 m h z - 5 0 0 m h z ，频段的检测间隔为2 5 k h z ： 5 0 0 z - 8 0 0 姐z ，频段的检测间隔为2 0 0 k h z ； 8 0 0 砌 i z - 9 0 0 m h z ，频段的检测间隔为1 2 5 m h z 9 0 0 m h z 1 g h z ，频段的检测间隔为2 0 0 k h z ； l g 胁1 7 g h z ，频段的检测间隔为2 0 0 z ； 1 7 g i - i z 一1 7 5 5 g h z ；1 8 g h z - 1 8 5 g i - i z ( g s m l 8 0 0 ) ，频段检测间隔为 2 0 0 k h z 里支持动态频谱管理的数据库的设计及仿真软件研究 1 7 5 5 g h z 1 7 8 5 g h z ；1 8 5 g h z 2 4 g h z ( 3 g ) ，频段检测间隔为5 m h z ： 2 4 g h z 3 g h z ( w l a n ) ，频段检测间隔为1 0 m h z ； 对于3 0 0 m h z 5 0 0 m h z ，检测间隔如果定为2 5 z ，那么数据库所要记录的频 率中心点个数为( 5 0 0 3 0 0 ) 0 0 2 5 = 8 0 0 0 。针对3 0 0 1 v l h z 5 0 0 m h z ，还需要进一步的划 分频率，以5 m h z 为一个单位，再对3 0 0 m h z 5 0 0 z 进行划分为4 0 个次小频段， 各个归属频段如下表3 4 所示： 表3 4 归属频段表 频率频率频率频率频率 归属频 归属频归属频归属频归属频 上限上限上限上限上限 段段 段段 段 ( 1 v l l - i z )( m h z )( m h z )f m i - i z )( m h 曲 13 0 51 53 7 52 9“5们6 5 05 71 4 0 0 23 l o1 63 8 03 04 5 04 47 0 05 81 4 5 0 33 1 51 73 8 53 14 5 54 57 5 05 91 5 0 0 43 2 0l s3 9 03 24 6 04 68 0 06 01 5 5 0 53 2 51 93 9 53 34 6 54 7 9 0 06 11 6 0 0 63 3 02 0 4 0 0 3 44 7 04 89 5 06 2 1 6 5 0 73 3 52 l4 0 53 54 7 54 91 0 0 06 31 7 0 0 83 4 02 2 4 1 0 3 6 4 8 0 5 01 0 5 0 6 41 7 5 5 93 4 52 34 1 53 74 8 55 11 1 0 06 51 8 5 0 1 03 5 0 2 44 2 0 3 8 4 9 0 5 21 1 5 0 6 61 7 8 5 l l 3 5 5 2 54 2 5 3 94 9 55 31 2 0 06 72 枷 1 23 6 02 64 3 0 4 0 5 0 05 41 2 5 06 83 0 0 0 1 33 6 52 74 3 54 15 5 05 51 3 0 06 9 1 43 7 02 84 4 04 26 0 05 61 3 5 07 0 每一个次小频段( 5 m ) 的划分，每一个小频段包含的频点数为5 0 0 2 5 = 2 0 0 ，如下 表3 5 所示： 每个表都包含以下的字段：“频段中心”、“归属频段”、“使用状况”、“带宽 ( k h z ) ，、“可用等级”、“稳定度”。其中频段中心表示的是检测频段的频率，归属频 段是指检测频段所在的小跨度频段，使用状况表示频段是否已经被占用，带宽表 示检测间隔，可用等级表示该频段的受干扰程度，稳定度表示一段时间内该检测 频段的空闲概率。 第三章频谱数据库的设计 表3 5 频段划分表 频段中心归属频段 使用状况带宽可用等级稳定度 ( m h z )t k l 4 z ) 3 0 5 0 5 0 22 5 3 0 5 0 7 522 5 3 0 5 1 22 5 3 0 5 1 2 522 5 3 0 5 1 5 02 2 5 3 0 5 1 7 52 2 5 3 0 5 2 0 022 5 3 0 5 2 2 522 5 3 0 5 2 5 022 5 1 3 对于5 0 0 m h z 8 0 0 m h z ，频段检测问隔为2 0 0 k h z ，所以数据库需要记录的频 率点个数为( 8 0 0 5 0 0 ) 0 2 0 0 = 1 5 0 0 ，通过对其进一步的划分，以5 0 m 为一个单位， 可以划分为( 8 0 0 - 5 0 0 ) 5 0 = 6 个次小频段，如上面的表3 4 所示，每一个次小频段 ( 5 0 m ) 所包含的频点数为5 0 0 2 = 2 5 0 ，表的具体设计如表3 5 ，只不过频段中心和 带宽有所不同。 对于8 0 0 m h z - 9 0 0 ，频段检测间隔为1 2 5 m h z ，所以数据库需要记录的频 率点个数为( 9 0 0 - 8 0 0 y 1 2 5 = 8 0 ，归属频段如上面的表3 4 所示，所包含的频点数为 1 0 0 1 2 5 = 8 0 ，表的具体设计如表3 5 ，只不过频段中心和带宽有所不同。 对于9 0 0 m h z - 1 0 0 0 m h z ，频段检测间隔为2 0 0 k h z ，所以数据库需要记录的频 率点个数为( 1 0 0 0 - 9 0 0 ) 0 2 0 0 = 2 0 0 ，通过对其进一步的划分，以5 0 m 为一个单位， 可以划分为( 1 0 0 0 - - 9 0 0 ) 5 0 = 2 个次小频段，如上面的表3 4 所示，每一个次小频段 ( 5 0 m ) 所包含的频点数为5 0 0 2 = 2 5 0 ，表的具体设计如表3 5 ，只不过频段中心和 带宽有所不同。 对于i g h z - 1 7 g h z ，频段检测间隔为2 0 0 k h z ，所以数据库需要记录的频率点 个数为( 1 7 0 0 - 1 0 0 0 ) 0 2 0 0 = 3 5 0 0 ，通过对其进一步的划分，以5 0 m 为一个单位，可 以划分为( 1 7 0 0 - 1 0 0 0 ) 5 0 = 1 4 个次小频段，归属频段如上面的表3 4 所示，每一个次 兰支持动态频谱管理的数据库的设计及仿真软件研究 小频段( 5 0 m ) 所包含的频点数为5 0 0 2 = 2 5 0 ，表的具体设计如表3 5 ，只不过频段 中心和带宽有所不同。 对于1 7 g h z 1 7 5 5 g i - i z ，1 8 g i - i z - i 8 5 g h z ( g s m l 8 0 0 ) 频段检测间隔为2 0 0 k h z ， 所以数据库需要记录的频率点个数为( 1 7 5 5 1 7 0 0 ) o 2 0 0 = 2 7 5 和( 1 8 5 0 1 8 0 0 y o 2 0 0 = 2 5 0 。对于1 7 g h z 1 7 5 5 g h z ，次小频段为1 7 5 5 1 7 0 0 = 5 5 m h z ；对于 1 8 g h z - 1 8 5 g h z ，次小频段为1 8 5 0 1 8 0 0 = 5 0 m k ；各自的归属频段如表3 4 所示： 1 7 g h z - 1 7 5 5 g k 的归属频段为6 4 ，1 8 g h z 1 8 5 g h z 的归属频段为6 5 。所包含的 频点数为2 5 0 + 2 7 5 = 5 2 5 ，表的具体设计如表3 5 ，只不过频段中心和带宽有所不同。 对于1 7 5 5 g i - i z - 1 7 8 5 g i - i z ，1 8 5 g h z - 2 4 g h z ( 3 g ) 频段检测间隔为5 m h z ，所以 数据库需要记录的频率点个数( 1 7 8 5 1 7 5 5 y 5 = 6 和( 2 4 0 0 1 8 5 0 y 5 = 1 1 0 ，对于 1 7 5 5 g i i z - 1 7 8 5 g h z ，次小频段为1 7 8 5 1 7 5 5 = 3 0 m h z 对于1 8 5 g i - i z 2 4 g h z ，次 小频段为2 4 0 0 1 8 5 0 = 5 5 0 m h z ；各自的归属频段如上面的表3 4 所示： 1 7 5 5 g i - i z - 1 7 8 5 g h z 的归属频段为6 6 ，1 8 5 g h z - 2 4 g h z 的归属频段为6 7 。所包含 的频点数为6 + 1 1 0 = 1 1 6 ，表的具体设计如表3 5 ，只不过频段中心和带宽有所不同。 对于2 a g h z - 3 g h z ( w l a n ) 频段检测间隔为1 0 m h z ，所以数据库需要记录的 频率点个数为( 3 0 0 0 - 2 4 0 0 ) 1 0 = 6 0 ，归属频段如上面的表3 a 所示：归属频段为6 8 。 所包含的频点数为6 0 ，表的具体设计如表3 5 ，只不过频段中心和带宽有所不同。 3 2频谱数据库中的各个子库 数据库中子库的设计采用的频段是g s m 频段，9 0 5 m h z 9 1 5 m h z ，选取的频 段划分间隔为2 0 0 k h z ，在数据库中记录的频率中心为： n ) 。f 0 + n + a ，( m h z ) ， 式( 3 1 ) 其中z 。，表示数据库中记录的检测频段中心，f o 表示起始频率，a ，表 示检测间隔，万表示频段中心次序。 3 2 1 各个子库的设计 数据库由八个相互关联的子库构成，每一个子库都有各自不同的作用以及不 同的数据处理方式。 子库一、命名为“频谱原始使用状态子库”，用于记录检测地点频谱原始使用状 第三章频谱数据库的设计 1 5 态： 子库二、命名为“频谱整体使用状态子库”，用于记录加入非授权用户时频谱整 体的使用状况； 子库三、命名为“查询子库”，用于记录频谱检测设备当前的探测数据，并作为 动态频谱管理中心查询主体的子库； 子库四、命名为“空洞分析子库”，用于对空洞进行统计和分析，并进行标示的 子库； 子库五、命名为“空洞等级标示子库”，用于标示空洞等级的子库； 子库六、命名为“原始频谱统计子库”，专门用于统计频谱原始使用状态的子库； 子库七、命名为“整体频谱统计子库”，专门用于统计加入非授权用户时频谱整 体使用状况的子库； 子库八、命名为“功率梯度子库”，用于标示功率值梯度的子库。 把检测到的数据保存到数据库中并对数据进行分析处理工作。数据的输入是 通过相关的接口实现的，对于数据输入的频率( 或者说数据库更新的频率) 要根据具 体的情况进行设置。 通过对大量数据的分析处理，对频谱的使用状况做出描述，并根据不同的参 数为动态频谱管理中心提供多种的查询方法。对于每一个频段，信息包含有带宽 ( b a n d w i d t h ) ，自空的概率( w p r o b a b i l i t y ) ，灰空的概率( o p r o b a b i l i t y ) ，黑空的概率 ( b p r o b a b i l i t y ) ，功率值( p o w v a l u e ) ，空洞的等级标示( f i g u r e ) ，频段的n g ( v r e d ) 。 对于这些有关空洞的参数，其中的白空的概率( w p r o b a b i l i t y ) ，灰空的概率 ( g p r o b a b i l i t y ) ，黑空的概率( b p r o b a b i l i t y ) ，空洞的稳定度( s t a b i l i t y ) 等是通过长期的 对检测数据进行统计和分析得出的。而对于带宽( b a n d w i d t h ) ，功率值( p o w v a l u e ) ， 空洞的等级标示( f i g u r e ) 等参数是经过对频谱检测设备每一次探测所得到的数据值 进行分析处理所得到的。 现在结合附图，详细的介绍频谱数据库中各个子库的构造。 ( 1 ) “频谱原始使用状态予库” 参见表3 6 ，为“频谱原始使用状态子库 a u t h o r u s e r 。针对某个特定的频段， 例如本程序中选取的是9 0 5 - - 9 1 5 m h z ，是g s m 网上行频段，相邻两个频道的间 隔为2 0 0 k h z ，所以检测的频段间隔设为2 0 0 k h z ，由公式( 3 1 ) 可知选取的记录频 点为： 正小= 9 0 5 2 0 0 + ( n - i ) * 0 2 0 0 m h z ，n = 1 4 9 式( 3 - 2 ) 、1 1 ， 并把各个频点记录在f r e q u e n c y 列中，把频率f r e q u e n c y 设置为主键，用于索引。 对于每一个记录频点，a u t h o r u s e r 所能保存的检测数据数目为u l n o ，本程序中 u h v o 的取值为：u n o = 5 0 ，数据分别为整数值0 和1 ，0 表示该频点所对应的频 堑 支持动态频谱管理的数据库的设计及仿真软件研究 段没有被占用，1 表示该频点所对应的频段被占用。检测设备等时间间隔的向数据 库输入数据，时间间隔为： t 刊t 2 一，l 式( 3 - 3 ) 其中t 的数值随实际的情况而定。每当由检测设备向数据库输, , 入u l n o ( 5 0 ) 组的检 测数据( 从时刻到时刻，其中为每一个时间段的中间时刻) ，数据库便统计一 次该频点所对应频段的使用情况，在对应的检测时间： c = n * t 式( 3 4 ) 其中n 为检测次数，在本程序中n 为u i n o ，取值为u l n o = 5 0 ，频段的使用率p e r c e n t 记为： p = l r ( 虬* 7 3 = l 虬 式( 3 5 ) 其中 为u n o ，p 表示频段的使用率p e r c e n t ， 为u l n o ( 5 0 ) 组数据中整数1 的 个数，i 丁表示在检测时间内频段被占用的总时间。为了满足长时间的统计，把 每一次输入加物( 5 0 ) 组数据作为一个循环，每循环一次，把使用率p e r c e n t 输入到 “原始频谱统计子库”s t a t u s c r 中，把数据保存到r o u n d 列中，如表3 1 l 所示。s t a t u s e r 对于每一个频点所对应的频段可以保存u p n o 个循环的p e r c e n t ( 使用率的数值) ， 在本程序中u p n o 的取值为：u p n o = 5 0 ，然后对这u p n o ( 5 0 ) 个p e r c e n t 数值求平均 值得到a v e r a g e p ，即： 乞= 艺只 式( 3 - 6 ) i - i 其中 0 在这里取值为u p n o = 5 0 ，名表示平均p e r c e n t ，即为a v e r a g e p ：只表示 每次检测循环时频段的使用率p e r c e n t ：i 为第f 次循环，又由公式( 3 5 ) ，可以得到： 匕= 艺f 1 “心) 式( 3 7 ) 其中 。表示第i 次循环中的1 的个数) 因为本程序中 0 = 0 = u l n o = u p n o = 5 0 ， 所以由公式( 3 7 ) 可得： 5 0 匕= f 1 2 5 0 0 式( 3 - 8 ) 这样就可以得到对每一个频点所对应频段进行2 5 0 0 次检测统计得出的该频段频谱 的使用状况a v e r a g e p ，从而可以从统计学的角度看出一个频段长时间的被授权用 户所使用情况。把跟这种使用状况( 或者叫做频段的忙闲状态) 相对应的一种表 现，在数据库的设计中称为频段的稳定度记为s t a b i l i t y 。如果通过长时间的观测得 到某一个频段的使用率为：a v e r a g e p = 匕= 0 1 ，那么该频段的稳定度s t a b i l i t y 定 义为：