基于策略的頻譜資源動態(tài)分配技術(shù)

王 琳，劉 為，唐瑞波

(中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310)

0 引 言

傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)采用的是靜態(tài)(固定)頻譜分配政策，即授權(quán)用戶對其頻譜具有獨占性，不允許其它用戶使用。這種頻譜分配方式雖然有利于保證系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，但由于通信業(yè)務(wù)在時域、地域、頻域上的不均衡性，頻譜資源并沒有得到充分利用。隨著無線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長，無線頻譜資源顯得日益缺乏[1]。

面對復(fù)雜的電磁環(huán)境，近年來，在頻譜管理應(yīng)用方面，人們提出了頻譜資源動態(tài)分配和動態(tài)頻譜接入的概念，并已成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點。動態(tài)頻譜接入是指根據(jù)電磁環(huán)境和使用目標的變化，以實時或準實時方式動態(tài)調(diào)整頻譜的接入和使用的一種頻譜管理機制。由于環(huán)境的頻譜特性隨時間、空間和頻率在不斷變化，動態(tài)頻譜接入相比以往靜態(tài)的頻率分配要更為復(fù)雜。

本文提出一種基于策略的頻譜資源動態(tài)分配技術(shù)，采用基于策略的方法使得頻譜管理的架構(gòu)重心從管理中心向用頻設(shè)備感知側(cè)轉(zhuǎn)移，針對認知用戶的有限感知結(jié)果，制定頻譜管理策略并下發(fā)到用頻設(shè)備，用頻設(shè)備按照給定的策略進行動態(tài)頻譜接入。

1 動態(tài)頻譜管理

頻譜管理策略是一套指導和決定如何管理、控制和分配頻譜資源的業(yè)務(wù)規(guī)則，這些規(guī)則描述了在用頻場景發(fā)生變化時，用頻系統(tǒng)應(yīng)該采取動作的具體運行方式和方法。頻譜管理策略主要包括頻率資源、應(yīng)用域、頻率資源在不同應(yīng)用域的使用策略、不同應(yīng)用域之間的優(yōu)先級關(guān)系矩陣，以及對頻率、位置、時間、設(shè)備能力、節(jié)點身份、感知數(shù)據(jù)等進行限制或許可等內(nèi)容，基于策略的頻譜資源動態(tài)分配技術(shù)通過策略機制將頻譜管理和執(zhí)行分開，用頻設(shè)備根據(jù)預(yù)先定義好的策略自適應(yīng)執(zhí)行任務(wù)。

目前，無線通信系統(tǒng)的動態(tài)頻譜管理方法主要有，一是基于頻譜資源池的集中動態(tài)分配方法，可以方便地協(xié)調(diào)各個節(jié)點，使頻譜分配方案不會產(chǎn)生用頻沖突，缺點是頻譜接入對中心節(jié)點的依賴使得系統(tǒng)容易形成單點故障，抗毀性較差；二是基于認知的分布式動態(tài)分配方法，僅利用本地感知數(shù)據(jù)進行頻譜接入可以擺脫對中心節(jié)點的依賴，缺點是分布式動態(tài)分配方法一般采用無中心節(jié)點的自組織方式，仍然存在一定概率的用頻沖突，且不易實現(xiàn)用戶優(yōu)先級控制[1-2]。

基于策略的頻譜管理可采用集中處理和分布式兩種方式來實現(xiàn)。集中處理方式中，策略的生成、存儲、執(zhí)行均在網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點進行，網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點均需與中心節(jié)點交互后方可使用頻率資源。這種方式對設(shè)備軟硬件要求低，容易實現(xiàn)，策略更新速度快，但對傳輸鏈路可靠性要求過高，任務(wù)可靠性和抗毀性較差。因此，本文提出的頻譜策略動態(tài)匹配技術(shù)采用網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點集中管理、網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點分布式接入的頻譜管理設(shè)計思想 ，見圖1。

圖1 集中管理分布式接入設(shè)計

如圖所示，策略生成后在網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的策略庫進行存儲，并下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點，然后在網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點的本地庫進行策略本地存儲。網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點使用頻譜資源時，在本地進行頻譜策略的執(zhí)行，而不與網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點聯(lián)系。

2 系統(tǒng)組成和配置

提高通信效能及頻率使用效率，要求更靈活的頻譜接入，無線通信網(wǎng)間協(xié)調(diào)、區(qū)域頻率保護(禁用)、資源優(yōu)化配置等問題，需要集中處理，因此適合在網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點集中管理頻譜的前提下，網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點采用分布式接入方式進行頻譜動態(tài)接入控制。系統(tǒng)組成邏輯模型見圖2。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分三層部署，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點包括一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點和二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點進行頻譜管理服務(wù)，二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點進行頻譜接入控制服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點執(zhí)行頻譜接入控制代理。

在無線通信網(wǎng)之間，由一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點或者各無線通信網(wǎng)指定的協(xié)調(diào)者(某個二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點)通過公共信道進行網(wǎng)間協(xié)調(diào)，解決網(wǎng)間用頻沖突問題。協(xié)調(diào)者的指定標準是：首先感知發(fā)現(xiàn)網(wǎng)間沖突的二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點向一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點提出協(xié)調(diào)者身份的申請，一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點同意申請后，該二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點被指定為協(xié)調(diào)者身份，向其它二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點發(fā)送協(xié)調(diào)者召集指令，進行網(wǎng)間協(xié)調(diào)[3]。

圖2 頻譜動態(tài)接入系統(tǒng)組成邏輯模型圖

二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點包括策略制定模塊、策略分發(fā)模塊、用頻控制系統(tǒng)，以及業(yè)務(wù)信道和廣播信道。網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點包括策略推理執(zhí)行模塊、頻譜接入控制模塊和用頻設(shè)備。

3 頻譜動態(tài)管理實施過程

在無線通信網(wǎng)內(nèi)部，一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點基于網(wǎng)間協(xié)調(diào)結(jié)果，通過公共信道集中管理頻譜，生成頻譜管理信息，二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點通過公共信道集中控制頻譜，根據(jù)頻譜管理信息和頻譜感知數(shù)據(jù)(網(wǎng)級)，生成頻譜管理策略，并下發(fā)給網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點。頻譜管理策略包括頻譜資源的細劃分、頻譜資源的分配、不同應(yīng)用域的使用條件和使用約束、優(yōu)先級劃分等內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點的用頻設(shè)備生成頻譜感知數(shù)據(jù)(節(jié)點級)，二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點將網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點的頻譜感知數(shù)據(jù)(節(jié)點級)進行匯總處理，形成頻譜感知數(shù)據(jù)(網(wǎng)級)，作為頻譜管理策略的生成依據(jù)。如果網(wǎng)絡(luò)受擾，網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點根據(jù)頻譜管理策略動態(tài)接入頻譜，自動換頻[4-5]。

頻譜動態(tài)管理活動模型如圖3所示。

圖3 頻譜動態(tài)管理活動模型

本文對頻譜動態(tài)管理過程進行仿真，通過數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)收發(fā)實例，驗證了采用動態(tài)頻譜接入的方法基于頻譜策略成功地選頻換頻，具體實施過程如下：

(1)網(wǎng)間頻譜協(xié)調(diào)

對于無線通信網(wǎng)內(nèi)部的拓撲和沖突相對穩(wěn)定，無線通信網(wǎng)間沖突經(jīng)常發(fā)生的情況，雖然各無線通信網(wǎng)能夠通過自身的動態(tài)頻譜接入能力進行通信，但根據(jù)頻譜感知數(shù)據(jù)生成頻譜管理策略的時間及頻譜接入時間將增加，通信效能下降。

為了解決這種情況，需要通過網(wǎng)間頻譜協(xié)調(diào)，快速生成新的頻譜管理策略，來消除用頻沖突。當網(wǎng)間沖突消失后，又恢復(fù)原來的頻譜管理策略，獲取更好的通信質(zhì)量。

網(wǎng)間頻譜協(xié)調(diào)只需要在頻譜沖突的各無線通信網(wǎng)(二級網(wǎng)絡(luò))，由協(xié)調(diào)者進行交互協(xié)商頻譜的劃分和使用。一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點基于協(xié)調(diào)結(jié)果調(diào)整網(wǎng)內(nèi)頻譜管理策略，實現(xiàn)網(wǎng)間頻率兼容。這種協(xié)調(diào)方式下大多數(shù)的成員只參加網(wǎng)內(nèi)部的頻譜協(xié)調(diào)，可以顯著減少協(xié)調(diào)的信息交互量，提高協(xié)調(diào)效率，避免了交互時由于高速相對移動性造成的協(xié)調(diào)失效。整個協(xié)調(diào)均基于公共信道完成，不占用業(yè)務(wù)信道，比利用業(yè)務(wù)信道的方式要節(jié)省時間，顯著提高協(xié)調(diào)效率。如果不建立公共信道，只利用業(yè)務(wù)信道進行網(wǎng)間頻譜協(xié)調(diào)，要在業(yè)務(wù)信息中穿插協(xié)調(diào)信息，效率較低[6-7]。

網(wǎng)間頻譜協(xié)調(diào)流程見圖4。

圖4 網(wǎng)間頻譜協(xié)調(diào)流程示意圖

步驟說明如下：

步驟1：網(wǎng)內(nèi)某個二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點率先感知發(fā)現(xiàn)網(wǎng)間沖突。

步驟2：率先發(fā)現(xiàn)網(wǎng)間沖突的二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點在網(wǎng)內(nèi)廣播沖突預(yù)警，以避免多個子網(wǎng)同時發(fā)起協(xié)調(diào)者申請。

步驟3：該二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點向一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點申請協(xié)調(diào)者身份。

步驟4：一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點接收申請后，查看該二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點狀態(tài)，如果該二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點狀態(tài)正常，并且沒有其它二級網(wǎng)路中心節(jié)點申請協(xié)調(diào)者身份的沖突，同意其申請，并標記該二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的協(xié)調(diào)者身份。

步驟5：協(xié)調(diào)者向其它無線通信網(wǎng)(二級網(wǎng)絡(luò))發(fā)出協(xié)調(diào)參與者召集信號。

步驟6：其它無線通信網(wǎng)(二級網(wǎng)絡(luò))派出協(xié)調(diào)參與者進行網(wǎng)間協(xié)調(diào)。網(wǎng)間協(xié)調(diào)一般根據(jù)無線通信網(wǎng)(二級網(wǎng)絡(luò))的優(yōu)先級、使用頻譜資源的時長和網(wǎng)間沖突的原因等因素，由網(wǎng)絡(luò)管理者制定網(wǎng)間協(xié)調(diào)準則。

步驟7：協(xié)調(diào)者將協(xié)調(diào)結(jié)果上報一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點。

步驟8：各無線通信網(wǎng)(二級網(wǎng)絡(luò))基于協(xié)調(diào)結(jié)果約定的頻譜管理策略重新分配頻譜資源，協(xié)調(diào)完畢。

(2)頻譜管理策略的下發(fā)及執(zhí)行

頻譜管理策略由二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的策略制定模塊定義生成，生成的步驟包括：

首先，錄入用頻設(shè)備、用頻參數(shù)和電磁環(huán)境參數(shù)等內(nèi)容；

其次，制定用頻規(guī)則，包括用頻時間、頻率間隔、優(yōu)先級等；

然后，制定用頻保護和限制條件；

最后，生成頻譜管理策略集合。頻譜管理策略的內(nèi)容主要包括：用頻設(shè)備類型，用頻設(shè)備名稱，工作模式，用頻參數(shù)，用頻時間，用頻優(yōu)先級等。

頻譜管理策略生成后通過策略分發(fā)模塊下發(fā)給網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點的策略推理執(zhí)行模塊。頻譜管理策略的下發(fā)及執(zhí)行流程見圖5[8-9]。

步驟說明如下：

步驟1：二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點策略制定模塊通過策略應(yīng)用域定義過程，定義頻率資源、應(yīng)用域以及頻率資源在不同應(yīng)用域(如時間、地點、組織等)的使用策略(允許/禁止、限制條件等)以及不同應(yīng)用域之間的優(yōu)先級關(guān)系矩陣，并設(shè)置初始的頻譜管理策略。

步驟2：策略制定模塊策略邏輯驗證過程按照規(guī)定的策略語法規(guī)則驗證輸入的頻譜管理策略邏輯上的正確性，根據(jù)結(jié)果給出接受或者拒絕的響應(yīng)。

步驟3：策略制定模塊策略沖突檢測過程將新輸入的頻譜管理策略與策略庫中已有的頻譜管理策略進行沖突檢測，根據(jù)沖突結(jié)果進行沖突消解。

步驟4：策略制定模塊策略存儲過程將結(jié)果更新至頻譜管理策略庫。

步驟5：策略制定模塊將要下發(fā)的頻譜管理策略交由策略分發(fā)模塊。

步驟6：策略分發(fā)模塊策略分解打包過程將頻譜管理策略按組織域分解，形成不同組織域的頻譜管理策略文件，壓縮打包。

步驟7：策略分發(fā)模塊策略下發(fā)過程將打包后的頻譜管理策略文件，下發(fā)到二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點用頻控制系統(tǒng)。

圖5 頻譜管理策略的下發(fā)及執(zhí)行流程示意圖

步驟8：用頻控制系統(tǒng)返回接收消息。

步驟9：用頻控制系統(tǒng)解壓縮頻譜管理策略文件，根據(jù)初始的頻譜管理策略設(shè)置公共信道用頻參數(shù)。

步驟10：策略分發(fā)模塊策略下發(fā)過程將收到的頻譜管理策略文件，下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點策略推理執(zhí)行模塊。

步驟11：策略推理執(zhí)行模塊返回接收消息。

步驟12：策略推理執(zhí)行模塊策略接收存儲過程將在線接收的頻譜管理策略解壓縮后存入頻譜管理策略本地庫，根據(jù)初始的頻譜管理策略設(shè)置公共信道用頻參數(shù)。

步驟13：用頻設(shè)備在使用頻譜資源時向策略推理執(zhí)行模塊提出用頻請求。

步驟14：策略推理執(zhí)行模塊用頻請求處理過程解析該用頻請求。

步驟15：用頻設(shè)備定時將頻譜感知數(shù)據(jù)(節(jié)點級)發(fā)給策略推理執(zhí)行模塊。

步驟16：策略推理執(zhí)行模塊根據(jù)頻譜感知數(shù)據(jù)(節(jié)點級)，對可用的頻譜管理策略進行排序，并定時將網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點的頻譜感知數(shù)據(jù)(節(jié)點級)上報給二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的用頻控制系統(tǒng)。

步驟17：用頻控制系統(tǒng)匯總處理網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點的頻譜感知數(shù)據(jù)(節(jié)點級)，形成頻譜感知數(shù)據(jù)(網(wǎng)級)。

步驟18：策略推理執(zhí)行模塊認知策略推理過程在頻譜管理策略本地庫中按照16排序結(jié)果檢索并匹配與用頻請求符合的應(yīng)用域，有匹配的則通過，無匹配的則不通過。

步驟19：策略推理執(zhí)行模塊策略一致性推理過程遍歷頻譜管理策略本地庫中的使用約束，如果用頻設(shè)備不違反相關(guān)使用約束則通過，違反使用約束則不通過。

步驟20：策略推理執(zhí)行模塊認知策略執(zhí)行過程控制對應(yīng)的用頻設(shè)備執(zhí)行通過的頻譜管理策略。

步驟21：用頻設(shè)備根據(jù)頻譜管理策略設(shè)置業(yè)務(wù)信道用頻參數(shù)。

(3)頻譜動態(tài)接入

在無線通信網(wǎng)條件下，網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)成員相對位置、地形、用頻約束、電磁環(huán)境等都將動態(tài)變化，需要通過基于策略的頻譜動態(tài)接入技術(shù)，高效完成對網(wǎng)絡(luò)成員頻譜訪問的控制，以快速適應(yīng)這些變化。

網(wǎng)絡(luò)受擾及自動換頻的頻譜動態(tài)接入流程見圖6。

圖6 頻譜動態(tài)接入流程示意圖

步驟說明如下：

步驟1：網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點用頻設(shè)備定時計算接收的信號強度指示(RSSI)電平值和丟包率。

步驟2：用頻設(shè)備將RSSI電平值和丟包率定時發(fā)給頻譜接入控制模塊。

步驟3：頻譜接入控制模塊計算RSSI電平值和丟包率是否超過門限值，超過則節(jié)點脫網(wǎng)。

步驟4：二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的業(yè)務(wù)信道檢測到該網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點的節(jié)點狀態(tài)發(fā)生變化，由在網(wǎng)變?yōu)槊摼W(wǎng)。

步驟5：二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的業(yè)務(wù)信道上報發(fā)生變化后的節(jié)點狀態(tài)給用頻控制系統(tǒng)。

步驟6：二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的業(yè)務(wù)信道定時上報網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點頻譜感知數(shù)據(jù)(節(jié)點級)給用頻控制系統(tǒng)。

步驟7：用頻控制系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點的頻譜感知數(shù)據(jù)(節(jié)點級)進行匯總處理，生成頻譜感知數(shù)據(jù)(網(wǎng)級)，對可用的頻譜管理策略進行排序。

步驟8：用頻控制系統(tǒng)進行受擾分析，做出換頻決策：1)脫網(wǎng)節(jié)點數(shù)是否超過門限值，超過則換頻；2)脫網(wǎng)節(jié)點優(yōu)先級較高，則換頻。

步驟9：如果換頻，用頻控制系統(tǒng)根據(jù)7的排序結(jié)果，下發(fā)新的頻譜管理策略編碼給廣播信道。

步驟10：廣播信道周期廣播新的頻譜管理策略編碼。

步驟11：用頻控制系統(tǒng)設(shè)置二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點使用新的頻譜管理策略。

步驟12：用頻控制系統(tǒng)通知業(yè)務(wù)信道監(jiān)聽業(yè)務(wù)頻率。

步驟13：業(yè)務(wù)信道按照新的頻譜管理策略中的業(yè)務(wù)頻率進行監(jiān)聽。

步驟14：網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點的頻譜接入控制模塊搜索廣播信令給用頻設(shè)備。

步驟15：用頻設(shè)備對廣播信令進行解調(diào)。

步驟16：用頻設(shè)備發(fā)給頻譜接入控制模塊新的頻譜管理策略編碼。

步驟17：頻譜接入控制模塊按照頻譜管理策略編碼搜索頻譜管理策略本地庫，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點使用新的頻譜管理策略。

步驟18：頻譜接入控制模塊通知用頻設(shè)備監(jiān)聽業(yè)務(wù)頻率。

步驟19：用頻設(shè)備按照新的頻譜管理策略中的業(yè)務(wù)頻率進行監(jiān)聽，完成換頻。

4 仿真實現(xiàn)

本文根據(jù)基于策略的頻譜資源動態(tài)分配技術(shù)進行了仿真實驗，建立網(wǎng)絡(luò)模型，包含10個二級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，其中1個同時擔任一級網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，100個一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，如圖7所示。頻率范圍在30 MHz-88 MHz之間，一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動速度小于等于50 km/h，通過施加梳狀干擾模型，對網(wǎng)絡(luò)受擾及自動換頻的頻譜動態(tài)接入過程進行了仿真[10]。

圖7 仿真模型圖

在每次1小時，共10次的統(tǒng)計時間里，固定分配頻率(不換頻)、在三個給定頻率中換頻，以及基于策略的動態(tài)分配換頻三種場景的平均通信成功率仿真結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果

平均通信成功率對比如圖8所示。

圖8 仿真結(jié)果對比圖

可以看出在網(wǎng)絡(luò)受擾的復(fù)雜環(huán)境下，基于策略的動態(tài)分配換頻方式的平均通信成功率遠遠高于固定分配頻率和給定頻率換頻兩種頻譜管理方式。

5 結(jié) 語

本文提出一種基于策略的頻譜資源動態(tài)分配技術(shù)，采用基于策略的方法，制定頻譜管理策略并下發(fā)到用頻設(shè)備，用頻設(shè)備按照給定的策略進行動態(tài)頻譜接入，通過仿真數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)收發(fā)，驗證了采用動態(tài)頻譜接入的方法基于頻譜策略成功地選頻換頻，解決頻譜資源利用率低下的問題，提供按需頻譜接入能力。

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