基于認(rèn)知無線電技術(shù)的動態(tài)頻譜管理構(gòu)想

陳 巖，唐 艷

（國家無線電監(jiān)測中心，哈爾濱 150010）

電波衛(wèi)士

基于認(rèn)知無線電技術(shù)的動態(tài)頻譜管理構(gòu)想

陳 巖，唐 艷

（國家無線電監(jiān)測中心，哈爾濱 150010）

本文介紹了認(rèn)知無線電的感知、分配及共享等相關(guān)技術(shù)，并針對其技術(shù)特點(diǎn)提出了一種以無線電管理機(jī)構(gòu)為感知主體，基于認(rèn)知無線電技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌分配的動態(tài)頻譜管理構(gòu)想。

無線電管理；動態(tài)頻譜管理；認(rèn)知無線電

1 引言

結(jié)合認(rèn)知無線電技術(shù)特點(diǎn)和當(dāng)前頻譜使用的現(xiàn)狀，本文試圖通過對認(rèn)知無線電主要技術(shù)的研究，給出一種借鑒相關(guān)激勵政策，以認(rèn)知無線電技術(shù)思想為基礎(chǔ)架構(gòu)的無線電頻譜動態(tài)接入管理機(jī)制構(gòu)想。立足于現(xiàn)有技術(shù)水平和政策制度，方案構(gòu)想希望在確保重要業(yè)務(wù)頻段權(quán)益不受影響下，具有現(xiàn)實的可行性和后續(xù)發(fā)展的預(yù)見性，為提高頻譜資源利用率提供新思路。

2 認(rèn)知無線電主要技術(shù)

2.1 頻譜感知

對認(rèn)知無線電來說，頻譜感知是一個重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，是進(jìn)行分配、共享及“歸讓”的基礎(chǔ)，為保證次級用戶不干擾主用戶，尤其在分級認(rèn)知無線電中的作用更為關(guān)鍵。目前，頻譜感知技術(shù)可劃分為發(fā)射機(jī)探測、合作探測和基于干擾的探測三種，如圖1所示。

圖1 頻譜感知技術(shù)的分類[1]

其中，發(fā)射機(jī)探測主要基于對主用戶發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號進(jìn)行探測，從而判斷某一頻段是否被使用；合作探測是一種為克服主用戶信息不透明而提出的一種對多個感知用戶探測信息進(jìn)行融合來探測主用戶的方式；基于干擾的探測是通過對主用戶接收機(jī)附近的無線射頻環(huán)境進(jìn)行干擾溫度探測以達(dá)到避免感知用戶發(fā)射對主用戶造成干擾的方法。

2.2 頻譜分配和共享

頻譜分配和共享所要解決的是在明確了空閑信道存在的前提下，以何種方式、何時接入才不會對主用戶和其他感知用戶造成使用沖突的問題。以下對在頻譜分配和共享方面涉及到的幾項重要技術(shù)做如下介紹：

2.2.1 資源分配和功率控制

為避免感知用戶對主用戶的干擾，在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)里提出了多種資源分配和功率控制的應(yīng)用場景方案，這里主要介紹四種[2]：

（1）單載波單天線系統(tǒng)，主要針對點(diǎn)對點(diǎn)的單天線系統(tǒng)應(yīng)用場景，確保感知用戶發(fā)射對主用戶的干擾限制（IPC）在一定的閾值以下。

（2）多載波或多信道系統(tǒng)，這種應(yīng)用場景下，需要從整個頻段/信道抑或分別從每個子頻段/子信道考慮由感知用戶對主用戶產(chǎn)生的干擾。

（3）多天線系統(tǒng)，多數(shù)研究致力于共同優(yōu)化功率分配和波束形成。

（4）多跳系統(tǒng)，在中繼系統(tǒng)中，所有中繼節(jié)點(diǎn)對主用戶接收機(jī)的影響也應(yīng)被考慮。

2.2.2 頻譜共享博弈

在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，利用博弈論的模型，可以對感知用戶競爭頻譜資源以最大化其各自的頻段利用率進(jìn)行分析，同時也適用于對主用戶和感知用戶試圖最大化各自利益的行為進(jìn)行研究。

從博弈論的角度，所有感知用戶通過控制其各自的發(fā)射功率來實現(xiàn)利用率最大化的活動就可以視為一種分布式博弈，當(dāng)這種博弈達(dá)到納什均衡，CR網(wǎng)絡(luò)就發(fā)揮了最大的工作效能。在公平的限制約束下，對上行多用戶CR系統(tǒng)應(yīng)用非合作式功率控制博弈可獲得能量效率的最大化。

2.2.3 頻譜決策

當(dāng)有多個空閑頻帶可用時，CR網(wǎng)絡(luò)為感知用戶選取最佳頻帶的過程稱之為頻譜決策。與通常意義上針對短時、快變而設(shè)計的頻譜共享相比，頻譜決策更關(guān)注長期的信道特性。一般而言，頻譜決策包含兩個步驟：信道特性分析和頻譜分配，對諸如路徑損耗、鏈路損失、連接延遲等信道特性，可通過感知用戶探測以及主用戶統(tǒng)計信息來獲取，然后將最適宜的頻帶分配給每個子用戶。

2.2.4 頻譜“傳遞”

在感知用戶進(jìn)行信號發(fā)射時，授權(quán)頻段的主用戶可能會出現(xiàn)，這時，感知用戶就需要停止發(fā)射，騰出信道并尋找其他信道繼續(xù)發(fā)射，這一過程頻譜“傳遞”。當(dāng)感知用戶改變其頻譜，那么發(fā)射就將暫停，從而對業(yè)務(wù)性能構(gòu)成影響，那么為保證平穩(wěn)、快速地轉(zhuǎn)換，就需要建立一個好的頻譜“傳遞”機(jī)制。一種合適的減輕延遲效應(yīng)的做法是為頻譜“傳遞”保留一定數(shù)量的子頻帶，這樣在必要時，感知用戶可以立即接入預(yù)留頻段。還有一種方式是在主用戶出現(xiàn)前釋放占用信道，當(dāng)然對于隨機(jī)接入系統(tǒng)而言，這是一種很理想化的模式，因為在對主用戶行為進(jìn)行預(yù)測時會存在較大的挑戰(zhàn)。

另外，為獲得可靠的連續(xù)發(fā)射條件，感知用戶也可以選擇歸屬于不同主用戶的頻帶。這樣的話，即使一個主用戶消失，感知用戶還可以選擇在其他頻帶進(jìn)行發(fā)射。

3 方案構(gòu)想

之前在介紹認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)時，感知用戶即為有頻段使用訴求的主體。這里，我們將轉(zhuǎn)換角度，把無線電監(jiān)測管理機(jī)構(gòu)作為感知主體，這樣在實現(xiàn)過程中將突破一些原有的技術(shù)限制，對認(rèn)知無線電技術(shù)的應(yīng)用推廣具有積極的促進(jìn)作用。方案構(gòu)想的基本框架如圖2所示。以監(jiān)測機(jī)構(gòu)為系統(tǒng)構(gòu)建核心，對共享認(rèn)知頻段和分級認(rèn)知頻段實施實時監(jiān)測，將空閑頻譜“注入”頻譜共享池，經(jīng)過統(tǒng)籌調(diào)配再分配給請求接入的用戶。

圖2 方案設(shè)想架構(gòu)圖

3.1 劃定認(rèn)知頻段及用戶權(quán)限

經(jīng)過實際監(jiān)測，根據(jù)相關(guān)頻段的占用情況確定可以作為認(rèn)知共享的頻段，此外，對授權(quán)頻段還可以通過政策激勵的方式，爭取授權(quán)用戶對所占用頻段進(jìn)行租賃并制定租賃使用協(xié)議以確保各方利益。將上述方式獲得的認(rèn)知頻段可以稱為開放式共享認(rèn)知頻段和分級使用式認(rèn)知頻段。另外，對于開放式共享的認(rèn)知頻段也應(yīng)對所有的認(rèn)知用戶權(quán)限進(jìn)行界定，建議可以依照業(yè)務(wù)特殊性或競拍等方式給予有特殊要求的用戶以更高的使用權(quán)限。

3.2 分級使用方式中對主用戶的頻譜感知

在之前提到的感知技術(shù)中，匹配濾波探測由于在實現(xiàn)過程中需要掌握較多主用戶先驗信息而成為其應(yīng)用的障礙。在這里，我們?nèi)绻员O(jiān)測機(jī)構(gòu)為感知主體，作為一個管理調(diào)度的第三方，就可以明確掌握主用戶的發(fā)射參數(shù)和位置等信息，可以通過發(fā)射機(jī)前端探測、接收機(jī)干擾探測等實時監(jiān)測方式準(zhǔn)確判斷信道是否可用，并將決策信息發(fā)送給請求接入的次級用戶。應(yīng)當(dāng)說由于感知主體的轉(zhuǎn)變，頻譜感知存在的技術(shù)障礙得到了改善。

3.3 頻譜共享池的構(gòu)建

監(jiān)測管理機(jī)構(gòu)可以通過構(gòu)建頻譜共享池來實現(xiàn)感知用戶使用頻段的切換，其概念類似于一個動態(tài)頻率數(shù)據(jù)庫，通過實時監(jiān)測共享式認(rèn)知頻段和分級使用頻段的使用情況，及時將出現(xiàn)的空閑信道“注入”頻譜共享池，作為分配調(diào)度和切換使用的備選頻段，其作用既能保證感知用戶的業(yè)務(wù)使用不受中斷又保證了主用戶在恢復(fù)使用頻段時不受干擾，避免頻譜“傳遞”對用戶使用造成的不利影響。這種工作模式屬于統(tǒng)籌統(tǒng)分，便于實現(xiàn)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)整體性能的最大化。

3.4 認(rèn)知用戶使用規(guī)則的確立

對于開放式共享認(rèn)知頻段的使用，所有的感知用戶擁有平等接入的權(quán)力。然而，為避免接入“擁塞”的發(fā)生，需要建立起一套接入秩序，監(jiān)測管理機(jī)構(gòu)可以先從技術(shù)實現(xiàn)的角度使適合接入的用戶先行使用，這里管理機(jī)構(gòu)扮演著“交通指揮”的角色。此外，對具備相似接入條件的用戶，則可以借鑒頻譜拍賣的機(jī)制，給予有更為強(qiáng)烈接入需求的用戶以一定的特權(quán)（優(yōu)先接入權(quán)、時限使用權(quán)等），根據(jù)優(yōu)先權(quán)級別將頻段分配給更高級的用戶。還有就是針對分級式認(rèn)知頻段，也應(yīng)建立使用規(guī)則，確保主用戶的使用不受干擾，可以遵照主用戶意愿制定頻譜租賃協(xié)議，對租賃方式（時長、接入條件等）、歸還方式都形成明確規(guī)定。

4 結(jié)束語

隨著認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用的成熟，感知用戶個體將具備可靠的獨(dú)立感知技術(shù)能力。屆時，這種以監(jiān)測管理機(jī)構(gòu)為感知主體的“統(tǒng)收統(tǒng)分”機(jī)制還可以作為一套專門的監(jiān)管系統(tǒng)，為處理日后可能發(fā)生的認(rèn)知無線電用戶間干擾提供有力的監(jiān)督保障。美國陸軍野戰(zhàn)頻譜管理條令中有一句經(jīng)典名言“頻譜和子彈一樣重要”，在移動寬帶急劇發(fā)展的今天，要充分認(rèn)識到頻譜資源的閑置與土地資源的閑置一樣，會產(chǎn)生昂貴的經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)會成本[3]。作為無線電技術(shù)管理者，應(yīng)開闊視野、創(chuàng)新思路，實現(xiàn)我國頻譜管理的跨越式發(fā)展，促進(jìn)頻譜的高效利用，推進(jìn)無線電管理事業(yè)對經(jīng)濟(jì)建設(shè)的服務(wù)。

[1] 周小飛，張宏綱．認(rèn)知無線電原理及應(yīng)用．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006（2008.5重?。?/p>

[2] Lu Lu,Xiangwei Zhou,Uzoma Onunkwo,Geoff-rey Ye Li,Ten years of research in spectrum sens-ing and sharing in cognitive radio[J],EURASIP Journal on Wireless Communication and Net-working 2012,2012:28

[3] 金耀星．創(chuàng)新管理方式 解決頻譜供需矛盾．人民郵電報，2013.1

Concept of Dynamic Spectrum Management Based on Cognitive Radio

Chen Yan,Tang Yan
(The State Radio Monitoring Center,Harbin,150010)

The article introduces the techniques such as spectrum sensing ,allocation and sharing belonged to Cognitive Radio.And base on CR (Cognitive Radio),proposing a plan as a whole- concept of Dynamic spectrum management ,which from the angle of the radio control agency.

radio management;Dynamic spectrum management;CR（Cognitive Radio）

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.05.020

TN014 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）05-0063-03

陳 巖，男，1985年生，碩士學(xué)位，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息與通信工程專業(yè)，現(xiàn)就職于國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，主要從事無線電波監(jiān)測及相關(guān)技術(shù)研究工作。

唐 艷，女，1987年生，碩士學(xué)位，畢業(yè)于北京交通大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)就職于國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，主要從事無線電波監(jiān)測及相關(guān)技術(shù)研究工作。