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今日薦文
今日薦文的作者為中國電子科技集團公司第七研究所專家王琳，劉為，唐瑞波。本篇節選自論文《基於策略的頻譜資源動態分配技術》，發表於《中國電子科學研究院學報》第13卷第1期。
摘 要：在頻譜管理領域，頻譜資源短缺和利用率低的問題長期存在，使得認知無線電中動態頻譜接入技術成為研究熱點。提出一種基於策略的頻譜資源動態分配技術，採用基於策略的方法使得頻譜管理的架構重心從管理中心向用頻設備感知側轉移，根據認知用戶的有限感知結果，制定頻譜管理策略並下發到用頻設備，用頻設備按照給定的策略進行動態頻譜接入，解決頻譜資源利用率低下的問題，提供按需頻譜接入能力。
1 引言
傳統的無線通信系統採用的是靜態（固定）頻譜分配政策，即授權用戶對其頻譜具有獨佔性，不允許其它用戶使用。這種頻譜分配方式雖然有利於保證系統的服務質量，但由於通信業務在時域、地域、頻域上的不均衡性，頻譜資源並沒有得到充分利用。隨著無線通信業務需求的快速增長，無線頻譜資源顯得日益缺乏。
面對複雜的電磁環境，近年來，在頻譜管理應用方面，人們提出了頻譜資源動態分配和動態頻譜接入的概念，並已成為無線通信領域的研究熱點。動態頻譜接入是指根據電磁環境和使用目標的變化，以實時或準實時方式動態調整頻譜的接入和使用的一種頻譜管理機制。由於環境的頻譜特性隨時間、空間和頻率在不斷變化，動態頻譜接入相比以往靜態的頻率分配要更為複雜。
本文提出一種基於策略的頻譜資源動態分配技術，採用基於策略的方法使得頻譜管理的架構重心從管理中心向用頻設備感知側轉移，針對認知用戶的有限感知結果，制定頻譜管理策略並下發到用頻設備，用頻設備按照給定的策略進行動態頻譜接入。
2動態頻譜管理
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務規則，這些規則描述了在用頻場景發生變化時，用頻系統應該採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、應用域、頻率資源在不同應用域的使用策略、不同應用域之間的優先級關係矩陣，以及對頻率、位置、時間、設備能力、節點身份、感知數據等進行限制或許可等內容，基於策略的頻譜資源動態分配技術通過策略機制將頻譜管理和執行分開，用頻設備根據預先定義好的策略自適應執行任務。
目前，無線通信系統的動態頻譜管理方法主要有，
一是基於頻譜資源池的集中動態分配方法，可以方便地協調各個節點，使頻譜分配方案不會產生用頻衝突，缺點是頻譜接入對中心節點的依賴使得系統容易形成單點故障，抗毀性較差；
二是基於認知的分佈式動態分配方法，僅利用本地感知數據進行頻譜接入可以擺脫對中心節點的依賴，缺點是分佈式動態分配方法一般採用無中心節點的自組織方式，仍然存在一定概率的用頻衝突，且不易實現用戶優先級控制 。
基於策略的頻譜管理可採用集中處理和分佈式兩種方式來實現。集中處理方式中，策略的生成、存儲、執行均在網絡中心節點進行，網絡其它節點均需與中心節點交互後方可使用頻率資源。這種方式對設備軟硬件要求低，容易實現，策略更新速度快，但對傳輸鏈路可靠性要求過高，任務可靠性和抗毀性較差。因此，本文提出的頻譜策略動態匹配技術採用網絡中心節點集中管理、網絡一般節點分佈式接入的頻譜管理設計思想 ，見圖1。
圖1 集中管理分佈式接入設計
如圖所示，策略生成後在網絡中心節點的策略庫進行存儲，並下發到網絡一般節點，然後在網絡一般節點的本地庫進行策略本地存儲。網絡一般節點使用頻譜資源時，在本地進行頻譜策略的執行，而不與網絡中心節點聯繫。
3系統組成和配置
提高通信效能及頻率使用效率，要求更靈活的頻譜接入，無線通信網間協調、區域頻率保護（禁用）、資源優化配置等問題，需要集中處理，因此適合在網絡中心節點集中管理頻譜的前提下，網絡一般節點採用分佈式接入方式進行頻譜動態接入控制。系統組成邏輯模型見圖2。
圖2 頻譜動態接入系統組成邏輯模型圖
網絡節點分三層部署，網絡中心節點包括一級網絡中心節點和二級網絡中心節點，一級網絡中心節點進行頻譜管理服務，二級網絡中心節點進行頻譜接入控制服務，網絡一般節點執行頻譜接入控制代理。
在無線通信網之間，由一級網絡中心節點或者各無線通信網指定的協調者（某個二級網絡中心節點）通過公共信道進行網間協調，解決網間用頻衝突問題。協調者的指定標準是：首先感知發現網間衝突的二級網絡中心節點向一級網絡中心節點提出協調者身份的申請，一級網絡中心節點同意申請後，該二級網絡中心節點被指定為協調者身份，向其它二級網絡中心節點發送協調者召集指令，進行網間協調。
二級網絡中心節點包括策略制定模塊、策略分發模塊、用頻控制系統，以及業務信道和廣播信道。網絡一般節點包括策略推理執行模塊、頻譜接入控制模塊和用頻設備。
4頻譜動態管理實施過程
在無線通信網內部，一級網絡中心節點基於網間協調結果，通過公共信道集中管理頻譜，生成頻譜管理信息，二級網絡中心節點通過公共信道集中控制頻譜，根據頻譜管理信息和頻譜感知數據（網級），生成頻譜管理策略，並下發給網絡一般節點。
頻譜管理策略包括頻譜資源的細劃分、頻譜資源的分配、不同應用域的使用條件和使用約束、優先級劃分等內容。網絡一般節點的用頻設備生成頻譜感知數據（節點級），二級網絡中心節點將網絡一般節點的頻譜感知數據（節點級）進行彙總處理，形成頻譜感知數據（網級），作為頻譜管理策略的生成依據。如果網絡受擾，網絡一般節點根據頻譜管理策略動態接入頻譜，自動換頻。
頻譜動態管理活動模型如圖3所示。
圖3 頻譜動態管理活動模型
本文對頻譜動態管理過程進行仿真，通過數據業務收發實例，驗證了採用動態頻譜接入的方法基於頻譜策略成功地選頻換頻，具體實施過程如下：
（1）網間頻譜協調
對於無線通信網內部的拓撲和衝突相對穩定，無線通信網間衝突經常發生的情況，雖然各無線通信網能夠通過自身的動態頻譜接入能力進行通信，但根據頻譜感知數據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，需要通過網間頻譜協調，快速生成新的頻譜管理策略，來消除用頻衝突。當網間衝突消失後，又恢復原來的頻譜管理策略，獲取更好的通信質量。
網間頻譜協調只需要在頻譜衝突的各無線通信網（二級網絡），由協調者進行交互協商頻譜的劃分和使用。一級網絡中心節點基於協調結果調整網內頻譜管理策略，實現網間頻率兼容。這種協調方式下大多數的成員只參加網內部的頻譜協調，可以顯著減少協調的信息交互量，提高協調效率，避免了交互時由於高速相對移動性造成的協調失效。整個協調均基於公共信道完成，不佔用業務信道，比利用業務信道的方式要節省時間，顯著提高協調效率。如果不建立公共信道，只利用業務信道進行網間頻譜協調，要在業務信息中穿插協調信息，效率較低。
網間頻譜協調流程見圖4。
圖4 網間頻譜協調流程示意圖
（2）頻譜管理策略的下發及執行
頻譜管理策略由二級網絡中心節點的策略制定模塊定義生成，生成的步驟包括：
首先，錄入用頻設備、用頻參數和電磁環境參數等內容；
其次，制定用頻規則，包括用頻時間、頻率間隔、優先級等；
然後，制定用頻保護和限制條件；
最後，生成頻譜管理策略集合。頻譜管理策略的內容主要包括：用頻設備類型，用頻設備名稱，工作模式，用頻參數，用頻時間，用頻優先級等。
頻譜管理策略生成後通過策略分發模塊下發給網絡一般節點的策略推理執行模塊。頻譜管理策略的下發及執行流程見圖5。
圖5 頻譜管理策略的下發及執行流程示意圖
（3）頻譜動態接入
在無線通信網條件下，網絡拓撲、網絡成員相對位置、地形、用頻約束、電磁環境等都將動態變化，需要通過基於策略的頻譜動態接入技術，高效完成對網絡成員頻譜訪問的控制，以快速適應這些變化。
網絡受擾及自動換頻的頻譜動態接入流程見圖6。
圖6 頻譜動態接入流程示意圖
5 仿真實現
本文根據基於策略的頻譜資源動態分配技術進行了仿真實驗，建立網絡模型，包含10個二級網絡中心節點，其中1個同時擔任一級網絡中心節點，100個一般網絡節點，如圖7所示。頻率範圍在30MHz-88MHz之間，一般網絡節點的移動速度小於等於50km/h，通過施加梳狀干擾模型，對網絡受擾及自動換頻的頻譜動態接入過程進行了仿真。
圖7 仿真模型圖
在每次1小時，共10次的統計時間裡，固定分配頻率（不換頻）、在三個給定頻率中換頻，以及基於策略的動態分配換頻三種場景的平均通信成功率仿真結果如表1所示。
表1 仿真結果
平均通信成功率對比如圖8所示。
圖8 仿真結果對比圖
可以看出在網絡受擾的複雜環境下，基於策略的動態分配換頻方式的平均通信成功率遠遠高於固定分配頻率和給定頻率換頻兩種頻譜管理方式。
結 語
本文提出一種基於策略的頻譜資源動態分配技術，採用基於策略的方法，制定頻譜管理策略並下發到用頻設備，用頻設備按照給定的策略進行動態頻譜接入，通過仿真數據業務收發，驗證了採用動態頻譜接入的方法基於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。
（參考文獻略）
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