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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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?？仗祀娋W(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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(lì)的變化相適應(yīng)，使通信系統(tǒng)的頻譜利用達(dá)到隨時(shí)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(shí)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(gè)基本的認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)周期要經(jīng)歷3個(gè)過程，分別是：

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

2）估計(jì)信道狀態(tài)并進(jìn)行預(yù)測建模：包含估計(jì)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(dòng)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(gè)完整的認(rèn)知環(huán)路如圖1所示。

2.動(dòng)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(gè)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(gè)層次，這3個(gè)層次具體為：

1）頻帶劃分：制定頻率劃分表，將某個(gè)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(shí)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(shí)將頻道指配給某個(gè)無線電臺使用，

2.2靜態(tài)與動(dòng)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(shí)間處于空閑狀態(tài)，可以利用時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)更新數(shù)據(jù)庫，另外要實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)非授權(quán)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)規(guī)避，且非授權(quán)業(yè)務(wù)出現(xiàn)時(shí)不能影響其它用戶的正常通信，因此需要設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)的頻譜管理和分配方法，同時(shí)專門設(shè)置頻譜動(dòng)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(jì)一種頻譜動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)滿足頻譜管理的性能要求和實(shí)時(shí)性要求，本文設(shè)計(jì)了一種頻譜動(dòng)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(dòng)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(gè)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(bào)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(shí)更新，

整個(gè)頻譜動(dòng)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(shí)間、使用地點(diǎn)等，形成申請信令提交給動(dòng)態(tài)頻譜調(diào)度管理中心；

2）動(dòng)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(gè)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(dòng)態(tài)調(diào)度管理中心再將優(yōu)選頻譜集自動(dòng)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(gè)動(dòng)態(tài)頻譜調(diào)度管理過程中，頻譜偵測單元在滿足實(shí)時(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)度管理系統(tǒng)的具體構(gòu)成和動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)度管理中心分配過程完全依靠網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)完整的頻譜動(dòng)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(dòng)的，另一方面頻譜動(dòng)態(tài)調(diào)度管理中心的受理過程和應(yīng)答也是自動(dòng)的，

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，無線頻譜環(huán)境時(shí)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)態(tài)調(diào)度管理系統(tǒng)對授權(quán)用戶恢復(fù)頻譜使用時(shí)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(gè)無線電頻譜的偵測工作，偵測效率和實(shí)時(shí)性能否滿足要求，又是如何將偵測結(jié)果報(bào)告給頻譜使用狀況數(shù)據(jù)庫的，需要進(jìn)一步深入研究。