基于策略的频谱资源动态分配技术

王 琳，刘 为，唐瑞波

(中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310)

0 引 言

传统的无线通信系统采用的是静态(固定)频谱分配政策，即授权用户对其频谱具有独占性，不允许其它用户使用。这种频谱分配方式虽然有利于保证系统的服务质量，但由于通信业务在时域、地域、频域上的不均衡性，频谱资源并没有得到充分利用。随着无线通信业务需求的快速增长，无线频谱资源显得日益缺乏[1]。

面对复杂的电磁环境，近年来，在频谱管理应用方面，人们提出了频谱资源动态分配和动态频谱接入的概念，并已成为无线通信领域的研究热点。动态频谱接入是指根据电磁环境和使用目标的变化，以实时或准实时方式动态调整频谱的接入和使用的一种频谱管理机制。由于环境的频谱特性随时间、空间和频率在不断变化，动态频谱接入相比以往静态的频率分配要更为复杂。

本文提出一种基于策略的频谱资源动态分配技术，采用基于策略的方法使得频谱管理的架构重心从管理中心向用频设备感知侧转移，针对认知用户的有限感知结果，制定频谱管理策略并下发到用频设备，用频设备按照给定的策略进行动态频谱接入。

1 动态频谱管理

频谱管理策略是一套指导和决定如何管理、控制和分配频谱资源的业务规则，这些规则描述了在用频场景发生变化时，用频系统应该采取动作的具体运行方式和方法。频谱管理策略主要包括频率资源、应用域、频率资源在不同应用域的使用策略、不同应用域之间的优先级关系矩阵，以及对频率、位置、时间、设备能力、节点身份、感知数据等进行限制或许可等内容，基于策略的频谱资源动态分配技术通过策略机制将频谱管理和执行分开，用频设备根据预先定义好的策略自适应执行任务。

目前，无线通信系统的动态频谱管理方法主要有，一是基于频谱资源池的集中动态分配方法，可以方便地协调各个节点，使频谱分配方案不会产生用频冲突，缺点是频谱接入对中心节点的依赖使得系统容易形成单点故障，抗毁性较差；二是基于认知的分布式动态分配方法，仅利用本地感知数据进行频谱接入可以摆脱对中心节点的依赖，缺点是分布式动态分配方法一般采用无中心节点的自组织方式，仍然存在一定概率的用频冲突，且不易实现用户优先级控制[1-2]。

基于策略的频谱管理可采用集中处理和分布式两种方式来实现。集中处理方式中，策略的生成、存储、执行均在网络中心节点进行，网络其它节点均需与中心节点交互后方可使用频率资源。这种方式对设备软硬件要求低，容易实现，策略更新速度快，但对传输链路可靠性要求过高，任务可靠性和抗毁性较差。因此，本文提出的频谱策略动态匹配技术采用网络中心节点集中管理、网络一般节点分布式接入的频谱管理设计思想 ，见图1。

图1 集中管理分布式接入设计

如图所示，策略生成后在网络中心节点的策略库进行存储，并下发到网络一般节点，然后在网络一般节点的本地库进行策略本地存储。网络一般节点使用频谱资源时，在本地进行频谱策略的执行，而不与网络中心节点联系。

2 系统组成和配置

提高通信效能及频率使用效率，要求更灵活的频谱接入，无线通信网间协调、区域频率保护(禁用)、资源优化配置等问题，需要集中处理，因此适合在网络中心节点集中管理频谱的前提下，网络一般节点采用分布式接入方式进行频谱动态接入控制。系统组成逻辑模型见图2。

网络节点分三层部署，网络中心节点包括一级网络中心节点和二级网络中心节点，一级网络中心节点进行频谱管理服务，二级网络中心节点进行频谱接入控制服务，网络一般节点执行频谱接入控制代理。

在无线通信网之间，由一级网络中心节点或者各无线通信网指定的协调者(某个二级网络中心节点)通过公共信道进行网间协调，解决网间用频冲突问题。协调者的指定标准是：首先感知发现网间冲突的二级网络中心节点向一级网络中心节点提出协调者身份的申请，一级网络中心节点同意申请后，该二级网络中心节点被指定为协调者身份，向其它二级网络中心节点发送协调者召集指令，进行网间协调[3]。

图2 频谱动态接入系统组成逻辑模型图

二级网络中心节点包括策略制定模块、策略分发模块、用频控制系统，以及业务信道和广播信道。网络一般节点包括策略推理执行模块、频谱接入控制模块和用频设备。

3 频谱动态管理实施过程

在无线通信网内部，一级网络中心节点基于网间协调结果，通过公共信道集中管理频谱，生成频谱管理信息，二级网络中心节点通过公共信道集中控制频谱，根据频谱管理信息和频谱感知数据(网级)，生成频谱管理策略，并下发给网络一般节点。频谱管理策略包括频谱资源的细划分、频谱资源的分配、不同应用域的使用条件和使用约束、优先级划分等内容。网络一般节点的用频设备生成频谱感知数据(节点级)，二级网络中心节点将网络一般节点的频谱感知数据(节点级)进行汇总处理，形成频谱感知数据(网级)，作为频谱管理策略的生成依据。如果网络受扰，网络一般节点根据频谱管理策略动态接入频谱，自动换频[4-5]。

频谱动态管理活动模型如图3所示。

图3 频谱动态管理活动模型

本文对频谱动态管理过程进行仿真，通过数据业务收发实例，验证了采用动态频谱接入的方法基于频谱策略成功地选频换频，具体实施过程如下：

(1)网间频谱协调

对于无线通信网内部的拓扑和冲突相对稳定，无线通信网间冲突经常发生的情况，虽然各无线通信网能够通过自身的动态频谱接入能力进行通信，但根据频谱感知数据生成频谱管理策略的时间及频谱接入时间将增加，通信效能下降。

为了解决这种情况，需要通过网间频谱协调，快速生成新的频谱管理策略，来消除用频冲突。当网间冲突消失后，又恢复原来的频谱管理策略，获取更好的通信质量。

网间频谱协调只需要在频谱冲突的各无线通信网(二级网络)，由协调者进行交互协商频谱的划分和使用。一级网络中心节点基于协调结果调整网内频谱管理策略，实现网间频率兼容。这种协调方式下大多数的成员只参加网内部的频谱协调，可以显著减少协调的信息交互量，提高协调效率，避免了交互时由于高速相对移动性造成的协调失效。整个协调均基于公共信道完成，不占用业务信道，比利用业务信道的方式要节省时间，显著提高协调效率。如果不建立公共信道，只利用业务信道进行网间频谱协调，要在业务信息中穿插协调信息，效率较低[6-7]。

网间频谱协调流程见图4。

图4 网间频谱协调流程示意图

步骤说明如下：

步骤1：网内某个二级网络中心节点率先感知发现网间冲突。

步骤2：率先发现网间冲突的二级网络中心节点在网内广播冲突预警，以避免多个子网同时发起协调者申请。

步骤3：该二级网络中心节点向一级网络中心节点申请协调者身份。

步骤4：一级网络中心节点接收申请后，查看该二级网络中心节点状态，如果该二级网络中心节点状态正常，并且没有其它二级网路中心节点申请协调者身份的冲突，同意其申请，并标记该二级网络中心节点的协调者身份。

步骤5：协调者向其它无线通信网(二级网络)发出协调参与者召集信号。

步骤6：其它无线通信网(二级网络)派出协调参与者进行网间协调。网间协调一般根据无线通信网(二级网络)的优先级、使用频谱资源的时长和网间冲突的原因等因素，由网络管理者制定网间协调准则。

步骤7：协调者将协调结果上报一级网络中心节点。

步骤8：各无线通信网(二级网络)基于协调结果约定的频谱管理策略重新分配频谱资源，协调完毕。

(2)频谱管理策略的下发及执行

频谱管理策略由二级网络中心节点的策略制定模块定义生成，生成的步骤包括：

首先，录入用频设备、用频参数和电磁环境参数等内容；

其次，制定用频规则，包括用频时间、频率间隔、优先级等；

然后，制定用频保护和限制条件；

最后，生成频谱管理策略集合。频谱管理策略的内容主要包括：用频设备类型，用频设备名称，工作模式，用频参数，用频时间，用频优先级等。

频谱管理策略生成后通过策略分发模块下发给网络一般节点的策略推理执行模块。频谱管理策略的下发及执行流程见图5[8-9]。

步骤说明如下：

步骤1：二级网络中心节点策略制定模块通过策略应用域定义过程，定义频率资源、应用域以及频率资源在不同应用域(如时间、地点、组织等)的使用策略(允许/禁止、限制条件等)以及不同应用域之间的优先级关系矩阵，并设置初始的频谱管理策略。

步骤2：策略制定模块策略逻辑验证过程按照规定的策略语法规则验证输入的频谱管理策略逻辑上的正确性，根据结果给出接受或者拒绝的响应。

步骤3：策略制定模块策略冲突检测过程将新输入的频谱管理策略与策略库中已有的频谱管理策略进行冲突检测，根据冲突结果进行冲突消解。

步骤4：策略制定模块策略存储过程将结果更新至频谱管理策略库。

步骤5：策略制定模块将要下发的频谱管理策略交由策略分发模块。

步骤6：策略分发模块策略分解打包过程将频谱管理策略按组织域分解，形成不同组织域的频谱管理策略文件，压缩打包。

步骤7：策略分发模块策略下发过程将打包后的频谱管理策略文件，下发到二级网络中心节点用频控制系统。

图5 频谱管理策略的下发及执行流程示意图

步骤8：用频控制系统返回接收消息。

步骤9：用频控制系统解压缩频谱管理策略文件，根据初始的频谱管理策略设置公共信道用频参数。

步骤10：策略分发模块策略下发过程将收到的频谱管理策略文件，下发到网络一般节点策略推理执行模块。

步骤11：策略推理执行模块返回接收消息。

步骤12：策略推理执行模块策略接收存储过程将在线接收的频谱管理策略解压缩后存入频谱管理策略本地库，根据初始的频谱管理策略设置公共信道用频参数。

步骤13：用频设备在使用频谱资源时向策略推理执行模块提出用频请求。

步骤14：策略推理执行模块用频请求处理过程解析该用频请求。

步骤15：用频设备定时将频谱感知数据(节点级)发给策略推理执行模块。

步骤16：策略推理执行模块根据频谱感知数据(节点级)，对可用的频谱管理策略进行排序，并定时将网络一般节点的频谱感知数据(节点级)上报给二级网络中心节点的用频控制系统。

步骤17：用频控制系统汇总处理网络一般节点的频谱感知数据(节点级)，形成频谱感知数据(网级)。

步骤18：策略推理执行模块认知策略推理过程在频谱管理策略本地库中按照16排序结果检索并匹配与用频请求符合的应用域，有匹配的则通过，无匹配的则不通过。

步骤19：策略推理执行模块策略一致性推理过程遍历频谱管理策略本地库中的使用约束，如果用频设备不违反相关使用约束则通过，违反使用约束则不通过。

步骤20：策略推理执行模块认知策略执行过程控制对应的用频设备执行通过的频谱管理策略。

步骤21：用频设备根据频谱管理策略设置业务信道用频参数。

(3)频谱动态接入

在无线通信网条件下，网络拓扑、网络成员相对位置、地形、用频约束、电磁环境等都将动态变化，需要通过基于策略的频谱动态接入技术，高效完成对网络成员频谱访问的控制，以快速适应这些变化。

网络受扰及自动换频的频谱动态接入流程见图6。

图6 频谱动态接入流程示意图

步骤说明如下：

步骤1：网络一般节点用频设备定时计算接收的信号强度指示(RSSI)电平值和丢包率。

步骤2：用频设备将RSSI电平值和丢包率定时发给频谱接入控制模块。

步骤3：频谱接入控制模块计算RSSI电平值和丢包率是否超过门限值，超过则节点脱网。

步骤4：二级网络中心节点的业务信道检测到该网络一般节点的节点状态发生变化，由在网变为脱网。

步骤5：二级网络中心节点的业务信道上报发生变化后的节点状态给用频控制系统。

步骤6：二级网络中心节点的业务信道定时上报网络一般节点频谱感知数据(节点级)给用频控制系统。

步骤7：用频控制系统将网络一般节点的频谱感知数据(节点级)进行汇总处理，生成频谱感知数据(网级)，对可用的频谱管理策略进行排序。

步骤8：用频控制系统进行受扰分析，做出换频决策：1)脱网节点数是否超过门限值，超过则换频；2)脱网节点优先级较高，则换频。

步骤9：如果换频，用频控制系统根据7的排序结果，下发新的频谱管理策略编码给广播信道。

步骤10：广播信道周期广播新的频谱管理策略编码。

步骤11：用频控制系统设置二级网络中心节点使用新的频谱管理策略。

步骤12：用频控制系统通知业务信道监听业务频率。

步骤13：业务信道按照新的频谱管理策略中的业务频率进行监听。

步骤14：网络一般节点的频谱接入控制模块搜索广播信令给用频设备。

步骤15：用频设备对广播信令进行解调。

步骤16：用频设备发给频谱接入控制模块新的频谱管理策略编码。

步骤17：频谱接入控制模块按照频谱管理策略编码搜索频谱管理策略本地库，设置网络一般节点使用新的频谱管理策略。

步骤18：频谱接入控制模块通知用频设备监听业务频率。

步骤19：用频设备按照新的频谱管理策略中的业务频率进行监听，完成换频。

4 仿真实现

本文根据基于策略的频谱资源动态分配技术进行了仿真实验，建立网络模型，包含10个二级网络中心节点，其中1个同时担任一级网络中心节点，100个一般网络节点，如图7所示。频率范围在30 MHz-88 MHz之间，一般网络节点的移动速度小于等于50 km/h，通过施加梳状干扰模型，对网络受扰及自动换频的频谱动态接入过程进行了仿真[10]。

图7 仿真模型图

在每次1小时，共10次的统计时间里，固定分配频率(不换频)、在三个给定频率中换频，以及基于策略的动态分配换频三种场景的平均通信成功率仿真结果如表1所示。

表1 仿真结果

平均通信成功率对比如图8所示。

图8 仿真结果对比图

可以看出在网络受扰的复杂环境下，基于策略的动态分配换频方式的平均通信成功率远远高于固定分配频率和给定频率换频两种频谱管理方式。

5 结 语

本文提出一种基于策略的频谱资源动态分配技术，采用基于策略的方法，制定频谱管理策略并下发到用频设备，用频设备按照给定的策略进行动态频谱接入，通过仿真数据业务收发，验证了采用动态频谱接入的方法基于频谱策略成功地选频换频，解决频谱资源利用率低下的问题，提供按需频谱接入能力。

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