一种静态和动态相结合的认知无线电频谱管理方法

李利　柴娟芳　徐池　郭谊

摘要：针对传统静态频谱分配方法导致大量频谱资源浪费问题，提出一种静态与动态相结合的认知无线电电磁频谱管理方法，该方法对授权用户采用静态的频谱分配和管理方法，结合动态频谱调度管理方法为非授权用户分配频谱，给出了系统结构和频谱管理过程，并分析了当前研究的不足，该方案兼容现有的频谱管理体系，又能实现对非授权用户的频谱动态调度管理，大大提高了频谱利用率，是一种易于实施且效益明显的改进电磁频谱管理方案，

关键词：静态；动态；电磁频谱；管理分配；认知无线电

DoI：10.15938/j.jhust.2016.04.007

中图分类号：E917

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）04-0036-04

0引言在“陆海空天电网核”全维联合作战的现代高技术信息战争中，依赖先进的电子战装备夺取到制电磁权是取得战争胜利的法宝，现代战争中，电磁频谱是信息获取和传递的最主要媒介，是信息依存的核心载体，夺取了“制电磁权”就为最终夺取制“信息权”创造了有利条件频谱资源是一种非常宝贵的稀缺资源，为了避免各种不同的通信业务之间的相互影响和干扰，目前各国采用的大都是静态频谱分配体制，由专门的无线电频谱管理部门对无线电频谱资源进行统一管理和分配，

信息化战争中，电磁频谱环境日益复杂，尤其近年随着无线通信技术不断发展，朝着智能化、宽带化和无缝化的方向演进，对频谱资源的需求越来越大，由于现代战场上装备数量和通信业务量不断增加，己方通信网的自扰也日益严重，为了提高频谱利用率，现有的技术手段多是采用时域、空域、频域、码域复用的方法，但是与日益增长的新业务和对带宽的需求增长相差甚远，另一方面，据实测数据表明3 GHz以下的频段利用率不到30%，3～4 GHz频段利用率只有0.5%，而4-5 GHz频段竟然有99.7%未被充分使用，由此可见，传统的频谱资源静态管理方式导致大量的授权频谱在不同地域和时间严重浪费，是造成当前频谱稀缺的紧张局面的重要原因，采用动态频谱接入和共享的方式提高频谱资源的利用率来替代传统的静态频谱管理体制是解决上述问题的根本途径，

由于存在巨大的经济和政治背景，且一直以来静态频谱资源分配体制发挥了重大作用，故想在短期内从根本上废除静态频谱分配和接人体制是不现实的，所以论文基于认知无线电思想提出了采用静态与动态相结合的频谱共享模型，可以很好地兼容现有静态频谱分配体制并能最大限度地保证授权用户的权益，且可以大幅提高频谱利用率，由此，论文引人认知无线电，建立一种静态与动态相结合的频谱分配体制，对军事通信中提高频谱利用率、建立可靠通信以及通信抗干扰都有重要的现实意义，

1.基于认知无线电技术的频谱管理

认知无线电（CR）是以软件无线电为扩展平台的一种新的智能无线通信技术，作为频谱动态调度管理体制的核心技术，它可以对周围的电磁环境特征进行感知，通过无线电描述语言与通信网络进行沟通，采用构建理解的方法进行学习并实时调整系统传输参数，使通信系统的无线规则与输入的无线电激励的变化相适应，使通信系统的频谱利用达到随时随地的高效性和高可靠性一系列适合无线频谱合理使用的空中接口、时空模式设置、射频带宽及相关协议称之为无线规则，系统的重构能力是认知无线电系统的重要特性，该功能的实现是基于软件无线电为平台，除此之外，信号处理和机器学习也可作为认知无线电的实现方式，

一个基本的认知无线电实现周期要经历3个过程，分别是：

1）无线电信道分析和估计：负责分析和估计无线电环境干扰温度、检测无线环境空闲频谱；

2）估计信道状态并进行预测建模：包含估计信道状态信息、对发射机可用的信道容量进行预测等；

3）频谱资源管理和发射功率控制：该部分主要完成认知无线电周期中的多址接入及控制，其中动态频谱分配由发射机来实现。

认知无线电系统其认知功能的实现依赖上述环节的顺序执行，一个完整的认知环路如图1所示。

2.动态与静态结合的认知无线电频谱

管理

2.1无线电频谱管理现状

现有的无线电频谱管理体制采用的是静态频谱分配方案，即某个频段被无线电频谱管理部门分配给某项业务、某业务部门或团体，则该频段只能由某项业务、某业务部门或团体使用，非授权用户不得使用该频段，即使该频段处于空闲状态，这样就导致一方面频谱利用率很低，另一方面许多亟待使用该频谱的用户无法使用该频谱，这种传统的静态的频谱分配机制限制了对频谱资源的有效充分利用，因此亟需进行优化改进，

在传统的无线电管理体制中，无线电频谱管理机构负责制定频率使用规则，使用者、部门或团体向其申请使用频率，无线电频谱管理机构将频率分配给无线电频谱使用者、部门或团体，该过程如图2所示，

现有的无线电频率分配包括频带划分、分配和指配3个层次，这3个层次具体为：

1）频带划分：制定频率划分表，将某个特定频带列入表中，对该频带使用指定使用条件，条件满足时可将频带分配给无线电业务使用者使用，

2）频带分配：规定频带使用区域和使用条件，将无线电频带分配给指定部门的无线电通信业务使用，

3）频道指配：制定使用条件，使用对象为无线电台，满足条件时将频道指配给某个无线电台使用，

2.2静态与动态相结合的电磁频谱管理方法

在静态的频谱分配体制中，某些频道被占用，某些未被使用，其中某些已分配的频道的利用率很低，大部分时间处于空闲状态，可以利用时分复用的思想来提高这些频道的利用率，我们将已经分配但在某时某地用户未使用的频谱称为“频谱空洞”，根据频谱被占用的时间长短，定义3种类型的频谱空洞：

1）黑洞：频带资源被授权用户的业务占据，存在较强的发射功率干扰，不能被非授权用户利用，

2）灰洞：频带资源被授权用户的业务部分占用，存在低发射功率的干扰，在某些情况下可以被非授权用户使用，但使用效果不理想，

3）白洞：频带资源未被授权用户的业务占用，仅存在背景噪声，能够被非授权用户利用，

现实中频谱空洞已经被大量的理论研究和现场实测所证实，意识到上述问题，那么如何通过时间复用的方式利用灰洞和白洞来提高频谱利用率就成为要研究的关键问题，而这恰恰是认知无线电的优势所在，

在认知无线电中，用户被分成两类：授权用户和非授权用户，通过申请获得授权频带且可以独享已分配频段的用户称为授权用户；在一定条件和规则下复用授权频段且不影响授权用户使用的称为非授权用户，而非授权用户具体又分为两类：一类用户具有认知功能，能够自主探测频谱空洞并自动调整无线电通信参数；另一类用户不具有认知功能，系统中设置了动态调度管理系统，由管理系统负责探测频谱空洞，用户向管理系统申请频谱和无线电通信参数，具有认知功能的用户极其少数，不是本文研究的重点，本文重点研究不具有认知功能的非授权用户的频谱分配和管理机制，论文针对其提出了一种频谱动态调度管理方法，

开发一套自适应管理和分配机制来充分有效地利用频谱资源是频谱动态调度管理系统的首要任务，其重点是构建无线频谱使用状况数据库，并根据频谱空洞检测和分析结果动态更新数据库，另外要实时处理非授权用户的频谱申请并应答，为申请用户从数据库中优选频道，从而在不影响授权用户的情况下充分利用频谱空洞，有效提高频谱利用率，

频谱动态调度管理系统需要考虑授权业务出现时非授权业务的实时规避，且非授权业务出现时不能影响其它用户的正常通信，因此需要设计一种动态的频谱管理和分配方法，同时专门设置频谱动态调度管理部门为非授权用户分配频谱，

因此，在现有的静态频谱管理方法的基础上，基于认知无线电的思想，需要设计一种频谱动态调度管理方法为非授权用户分配频谱，原有的静态频谱分配管理方法仍适用于授权用户，该方法本文称之为静态与动态相结合的认知无线电电磁频谱管理方法，

本文给出的静态和动态相结合的频谱管理系统的最高管理机构称为无线电频率管理部门，该系统接受授权用户和非授权用户的申请，同时按照一种自适应的策略利用频谱空洞来为非授权用户分配频谱，在本系统中，针对授权用户，频谱管理部门将频带分配给次级频管部门，再由其指配频率给授权用户，针对非授权用户，频率管理部门下属专设的频谱动态调度管理部门，由该部门为非授权用户指配频率，静态和动态相结合的频谱管理体系如图3所示。

针对非授权用户，要同时满足频谱管理的性能要求和实时性要求，本文设计了一种频谱动态调度管理系统，它由频率使用状况数据库、频谱动态调度管理中心、频谱侦测单元和被侦测的实际的无线电频谱使用环境构成，

整个频谱管理和分配过程包含了一系列管理办法或规则，实际的无线电频谱使用环境由授权用户和非授权用户构成，无线电环境的变化被频谱侦测单元周期侦测并将结果上报频谱使用状况数据库，数据库对频谱数据进行实时更新，

整个频谱动态调度管理过程如下：

1）无认知能力的非授权用户按照规定格式提出申请，申请内容包括频谱使用需求、业务类型、使用时间、使用地点等，形成申请信令提交给动态频谱调度管理中心；

2）动态频谱调度管理中心接收到申请信令后首先回复一个申请已接收应答，然后根据申请信令提供的信息按照查询规则在频谱使用状况数据库中为申请用户匹配频谱，并对符合条件的结果进行优选，构建优选频谱集合；

3）频谱动态调度管理中心再将优选频谱集自动形成分配信令发送给申请用户，申请用户收到分配信令后进行解析，获得优选频谱集合和使用条件，条件达到后即可接入；

4）在整个动态频谱调度管理过程中，频谱侦测单元在满足实时陛要求的条件下作周期性的循环侦测，获取无线环境中的频谱空洞信息，并根据侦测结果实时更新频率使用状况数据库，在侦测到授权业务出现后，立刻发送规避信令要求非授权用户退出当前频谱接入，使用次优选频谱接人；

5）非授权用户接收到规避信令后立即退出接入并使用次优选频谱接人，如果接入不成功则继续选择优选频谱集中的其它频谱接入，如果接人不成功或接入效果不理想，用户可以重新发送申请信令申请新的优选频率集，

频谱动态调度管理系统的具体构成和动态频谱管理过程如图4所示，

非授权用户申请过程和频谱动态调度管理中心分配过程完全依靠网络自动实现，一个完整的频谱动态调度管理过程体现了高度的自主性，一方面非授权用户的申请是自动的，另一方面频谱动态调度管理中心的受理过程和应答也是自动的，

在系统运行过程中，无线频谱环境时刻在发生变化，如某授权用户结束业务释放频谱出现新的频谱空洞，频谱侦测设备会立刻侦测到此频谱空洞，并据此更新频谱使用状况数据库，数据库将此频段的状态由忙碌改为空闲，

3.结论

本文研究了一种静态和动态相结合的认知无线电电磁频谱管理方法，该方案兼容现有的频谱管理体系，又能实现对非授权用户的频谱动态调度管理，大大提高了频谱利用率，是一种易于实施且效益明显的改进电磁频谱管理方案，然而所设计的改进频谱管理方法还有以下几点需要深入研究：①针对不同业务，如话音、数据等，频谱动态调度管理系统对授权用户恢复频谱使用时非授权用户的退出策略应该不同，这样是为了保障话音业务的连续性和数据通信的高效性，②侦测模块采用何种策略实现对整个无线电频谱的侦测工作，侦测效率和实时性能否满足要求，又是如何将侦测结果报告给频谱使用状况数据库的，需要进一步深入研究。