基于無(wú)線電環(huán)境地圖的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)研究

李　偉，馮　巖，熊　能，楊　淼

(1. 國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037；2. 湖南省無(wú)線電監(jiān)測(cè)站，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

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基于無(wú)線電環(huán)境地圖的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)研究

李偉1，馮巖1，熊能2，楊淼1

(1. 國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037；2. 湖南省無(wú)線電監(jiān)測(cè)站，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

現(xiàn)有的頻譜分配模式限制了頻譜高效利用，束縛了無(wú)線電技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。頻譜共享被認(rèn)為是有效解決頻譜供需矛盾、提高頻譜使用效率的技術(shù)方案之一。在綜合論述歐美等國(guó)家關(guān)于頻譜共享研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無(wú)線電環(huán)境地圖和用戶分級(jí)的智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)可獲得完整準(zhǔn)確、及時(shí)可靠的頻譜信息，通過(guò)對(duì)用戶實(shí)行分級(jí)接入，實(shí)現(xiàn)不同用戶高效動(dòng)態(tài)地共享頻譜資源。重點(diǎn)介紹了架構(gòu)中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元的組成和功能，闡述了架構(gòu)中不同網(wǎng)絡(luò)單元之間的信息交互過(guò)程，最后剖析了架構(gòu)實(shí)現(xiàn)上待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。相關(guān)內(nèi)容為我國(guó)建設(shè)頻譜共享網(wǎng)絡(luò)提供了借鑒和參考。

頻譜資源；頻譜共享；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；無(wú)線環(huán)境地圖；用戶分級(jí)

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，無(wú)線電頻譜資源的需求與日俱增，可用的、好用的頻譜資源越來(lái)越少，并已基本分配殆盡，尋求新的頻譜資源舉步維艱[1]。美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)前主席William Kennard也曾提出“頻譜資源已枯竭”的觀點(diǎn)[2]。從中國(guó)、美國(guó)等國(guó)的頻率劃分圖可得出：從3 kHz到300 GHz的頻譜都已授權(quán)給各種不同的無(wú)線電業(yè)務(wù)，有些頻段如1 164～3 000 MHz異常擁擠[3-4]。因此，在當(dāng)前頻譜資源需求不斷膨脹，供求缺口不斷擴(kuò)大的形勢(shì)下，提高頻譜資源使用效率顯得尤為重要。

目前，提高頻譜資源使用效率主要有兩種途徑。一種是從設(shè)計(jì)無(wú)線通信新技術(shù)的角度，使每個(gè)無(wú)線信道占用的頻譜帶寬盡可能地少，或在給定的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)、給定的信道間隔條件下，使每一個(gè)無(wú)線信道能容納的用戶數(shù)盡可能地多，或能承載和完成的話務(wù)量盡可能地高。典型的技術(shù)有MIMO技術(shù)、高階調(diào)制技術(shù)、全雙工技術(shù)OFDMA技術(shù)等。另外一種是從創(chuàng)新頻譜資源管理新模式的角度，它主要是無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)根據(jù)不同無(wú)線電業(yè)務(wù)的技術(shù)特點(diǎn)、帶寬需求、業(yè)務(wù)能力等，以某種頻譜劃分方式，將頻譜資源劃分給不同的無(wú)線電業(yè)務(wù)。目前，世界各國(guó)主要采用靜態(tài)的、固定的、一維的頻譜資源管理模式[5-6]，即將可用的頻段分為授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段，在給定的區(qū)域內(nèi)，授權(quán)用戶對(duì)授權(quán)頻段具有長(zhǎng)期的絕對(duì)排他使用權(quán)。非授權(quán)頻段，即開放頻段，供非授權(quán)用戶競(jìng)爭(zhēng)使用。這種頻譜資源管理模式便于操作，易于管理，且能行之有效地解決不同無(wú)線電通信系統(tǒng)之間的干擾，有利于保證系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

然而，在無(wú)線新技術(shù)高速發(fā)展和業(yè)務(wù)流量急劇增加的今天，靜態(tài)的頻譜管理模式逐漸凸現(xiàn)出其不可避免的弊端。從2002年開始，許多國(guó)家的無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界和企業(yè)界陸續(xù)開展了頻譜資源實(shí)際使用情況的測(cè)量工作[7-9]。從測(cè)量結(jié)果可知：只有少部分頻段承載的業(yè)務(wù)量很大，非常擁擠；而相當(dāng)數(shù)量的頻段只有很少的業(yè)務(wù)量，甚至還有一些頻段基本上處于空閑狀態(tài)。由此可見，面臨的“頻譜匱乏”實(shí)際上并不是可用頻譜物理上的稀缺，而是頻譜資源管理模式上的桎梏。尋求頻譜劃分更靈活、頻譜效率更高效、頻譜分配更公平的管理模式具有非常積極的意義。

目前，頻譜共享被認(rèn)為是解決頻譜供需矛盾、提高頻譜使用效率的方案之一[10]。推行頻譜共享已經(jīng)成為國(guó)際主流趨勢(shì)，美國(guó)、歐盟等國(guó)在頻譜共享上做出了大量實(shí)質(zhì)性的研究。2012年7月，美國(guó)總統(tǒng)科技顧問(wèn)委員會(huì)提出了“頻譜高速公路”計(jì)劃。該計(jì)劃確定1 000 MHz的聯(lián)邦頻譜，通過(guò)改善頻譜管理手段，實(shí)施新的頻譜結(jié)構(gòu)和無(wú)線電系統(tǒng)架構(gòu)，使不同無(wú)線電業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)地共享相同頻段[11]。為實(shí)施這一計(jì)劃，美國(guó)進(jìn)行了3.5 GHz共享試驗(yàn)，并分別發(fā)布了3.5 GHz低功率無(wú)線接入節(jié)點(diǎn)部署、3.5 GHz牌照模型和技術(shù)需求、3.5 GHz民用寬帶無(wú)線服務(wù)3個(gè)規(guī)則提案公告。此外，美國(guó)在2014年召開了專題研討會(huì)，專門探討了3.5 GHz共享頻段的頻譜接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題[12]。歐盟提出了一系列頻譜共享方案，2007年，歐盟發(fā)布了第七框架計(jì)劃(2007—2013年)，投資大約5 000萬(wàn)歐元資助認(rèn)知無(wú)線電、動(dòng)態(tài)頻譜共享和頻譜整合等新技術(shù)的科研項(xiàng)目，力求通過(guò)這些項(xiàng)目促成頻譜共享技術(shù)的不斷進(jìn)步。2011年，歐盟頻率管理工作組提出了授權(quán)頻譜共享方案。該方案的核心在于使用共享頻段的用戶必須獲得授權(quán)，同時(shí)共享用戶不能影響此頻段原擁有者的通信服務(wù)質(zhì)量[13]。

基于以上分析，為了突破我國(guó)頻譜資源短缺瓶頸、提高頻譜利用效率和滿足信息通信寬帶高速的迫切需求，本文提出了一種智能頻譜共享的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)主要包含三部分功能：一是實(shí)時(shí)無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)的及時(shí)獲取；二是準(zhǔn)確、完整的頻譜信息儲(chǔ)存；三是頻譜資源的動(dòng)態(tài)分配。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取上，基于無(wú)線電環(huán)境地圖的理念[14]，該架構(gòu)通過(guò)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元(Sensors Network unit，SN)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)，并經(jīng)無(wú)線電環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元(Radio Environment Map data Collection and Processing unit，REMCP)進(jìn)行分析后，形成無(wú)線電環(huán)境地圖數(shù)據(jù)傳送至中心數(shù)據(jù)庫(kù)(Central DataBase，CDB)。在頻譜信息儲(chǔ)存上，除了儲(chǔ)存無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)信息，中心數(shù)據(jù)庫(kù)還包括無(wú)線電管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)線傳播模型數(shù)據(jù)庫(kù)和地理位置信息數(shù)據(jù)庫(kù)等，確保頻譜信息的準(zhǔn)確性、完整性、實(shí)時(shí)性。在頻譜動(dòng)態(tài)分配上，頻譜接入管理單元(Spectrum Access Management unit，SAM)利用中心數(shù)據(jù)庫(kù)和分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元(Classified Users Network unit，CUN)提供的信息為用戶動(dòng)態(tài)、合理、公平、高效地分配頻譜資源，其中，分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元由3個(gè)等級(jí)的用戶構(gòu)成，高級(jí)別用戶享有優(yōu)先接入和隨時(shí)用頻的權(quán)利。

1　智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)總體功能架構(gòu)

智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)如圖1所示。它主要由中心數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)線電環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元、頻譜接入管理單元、探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元和分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成。中心數(shù)據(jù)庫(kù)與無(wú)線電環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元連接，無(wú)線電環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元與探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元連接，中心數(shù)據(jù)庫(kù)與頻譜接入管理單元連接，頻譜接入管理單元與分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元連接，中心數(shù)據(jù)庫(kù)與現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如無(wú)線電管理信息網(wǎng)、無(wú)線電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)、國(guó)家相關(guān)政策信息網(wǎng)連接。

圖1　智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)總體功能架構(gòu)

1.1中心數(shù)據(jù)庫(kù)(CDB)

中心數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含無(wú)線電管理數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)用支撐平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，無(wú)線電管理數(shù)據(jù)庫(kù)由頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)、臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)組成，運(yùn)用支撐平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)由無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)線傳播模型數(shù)據(jù)庫(kù)和地理位置信息數(shù)據(jù)庫(kù)組成。運(yùn)用支撐平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)使得智能網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)掌握頻譜的使用情況，了解頻譜的利用現(xiàn)狀，以及動(dòng)態(tài)評(píng)估當(dāng)前頻譜使用的合理性。同時(shí)，中心數(shù)據(jù)庫(kù)建有與外部現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接的接口，比如無(wú)線電管理信息網(wǎng)、無(wú)線電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)、國(guó)家相關(guān)政策信息網(wǎng)等，用于從外部網(wǎng)絡(luò)中獲取無(wú)線電頻譜使用和無(wú)線電政策相關(guān)的數(shù)據(jù)。

在運(yùn)用支撐平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，最關(guān)鍵的是無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)庫(kù)(REMDB)，保存著探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元感知后并經(jīng)處理過(guò)無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要由無(wú)線設(shè)備數(shù)據(jù)、無(wú)線場(chǎng)景數(shù)據(jù)和無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)組成。無(wú)線設(shè)備數(shù)據(jù)包括發(fā)射機(jī)信息、接收機(jī)信息、探測(cè)器信息。其中，發(fā)射機(jī)信息主要有IP/MAC(Internet Protocol/Media Access Control)地址、位置、執(zhí)照信息、優(yōu)先級(jí)、性能參數(shù)(如發(fā)射功率、頻點(diǎn)、帶寬、發(fā)射機(jī)類型、發(fā)射時(shí)間)、當(dāng)前狀態(tài)、干擾保護(hù)要求等；接收機(jī)信息主要有IP/MAC地址、位置、執(zhí)照信息、優(yōu)先級(jí)、性能參數(shù)(如接收頻點(diǎn)、帶寬、接收機(jī)類型)、當(dāng)前狀態(tài)、干擾保護(hù)要求等；探測(cè)器信息主要有IP/MAC地址、位置、當(dāng)前配置、當(dāng)前狀態(tài)、性能參數(shù)(頻率掃描范圍、分辨率帶寬、掃描時(shí)間、測(cè)量能力、測(cè)量時(shí)間)等。無(wú)線場(chǎng)景數(shù)據(jù)包括當(dāng)前的政策信息、特定約束(特定地點(diǎn)約束、接入價(jià)格、干擾保護(hù)列表)等。無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)包括傳播模型、地理信息、無(wú)線干擾信息、可用頻譜信息等。

1.2無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元(REM CP)

無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元主要由探測(cè)器管理模塊、無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元用于與探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和信令交互，負(fù)責(zé)收集與處理探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元傳來(lái)的數(shù)據(jù)，形成準(zhǔn)確可靠的實(shí)時(shí)無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)，并及時(shí)上傳到中心數(shù)據(jù)庫(kù)，用于無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的更新。

探測(cè)器管理模塊負(fù)責(zé)管理探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元中的探測(cè)器。當(dāng)系統(tǒng)需要刷新無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)時(shí)，探測(cè)器管理模塊向探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元發(fā)出測(cè)量請(qǐng)求，啟動(dòng)新的感知過(guò)程。無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)匯集探測(cè)器信息，交給無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)處理模塊后續(xù)處理使用。無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)合新采集的無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)和中心數(shù)據(jù)庫(kù)中原有的無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)，通過(guò)一定算法，生成新的無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)，并傳給中心數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。該模塊通過(guò)計(jì)算，主要生成三類重要數(shù)據(jù)信息：無(wú)線傳播模型、無(wú)線干擾分布、地理位置信息。這些信息供頻譜決策系統(tǒng)使用。

1.3頻譜接入管理單元(SAM)

頻譜接入管理單元接收分級(jí)用戶的接入請(qǐng)求和頻譜需求，向中心數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送分級(jí)用戶信息，從中心數(shù)據(jù)庫(kù)獲取分級(jí)用戶所處地理位置的無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)、無(wú)線電臺(tái)站以及頻譜實(shí)時(shí)使用信息，控制分級(jí)用戶接入以及對(duì)分級(jí)用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜分配，在保證高等級(jí)用戶正常用頻的同時(shí)，接受其他授權(quán)用戶的接入和用頻。從而有效地避免用戶之間的相互干擾，高效地實(shí)現(xiàn)多用戶之間頻譜共享。

頻譜接入管理單元主要由頻譜決策模塊和用戶接入控制模塊組成。用戶接入控制模塊負(fù)責(zé)分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元中用戶的注冊(cè)、鑒權(quán)和執(zhí)照發(fā)放。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級(jí)用戶需要占用次優(yōu)先級(jí)頻段時(shí)，該模塊向次優(yōu)先級(jí)用戶發(fā)出命令，令其關(guān)閉發(fā)射或者更改相關(guān)參數(shù)，利用其他合理頻段通信。頻譜決策模塊負(fù)責(zé)根據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)中的可用頻譜資源、無(wú)線傳播模型、干擾場(chǎng)強(qiáng)分布、相關(guān)政策要求、特定約束條件等做出合理的決策，給待接入用戶提供最佳的信道資源，滿足其通信需求，同時(shí)避免對(duì)已有用戶的干擾，提高系統(tǒng)頻譜資源利用率。

1.4分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元(CUN)和探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元(SN)

分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元由分級(jí)用戶構(gòu)成，不同級(jí)別用戶擁有不同權(quán)限和性能參數(shù)，保證用戶間互不干擾，高級(jí)別用戶享有優(yōu)先接入和隨時(shí)用頻的權(quán)利。分級(jí)用戶發(fā)送接入請(qǐng)求和頻譜需求給頻譜接入管理單元。

探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元包括不同性能的探測(cè)器，是智能頻譜管理網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)的核心組成部分。它負(fù)責(zé)無(wú)線環(huán)境參數(shù)的采集和無(wú)線發(fā)射/接收機(jī)的定位。探測(cè)器主要采集的數(shù)據(jù)有：發(fā)射/接收機(jī)的特性參數(shù)，位置信息和活動(dòng)情況，無(wú)線干擾情況，信號(hào)覆蓋范圍等。

1.5系統(tǒng)間接口

智能頻譜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中各單元之間4種重要的接口：

1)無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元——探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元接口A1

每個(gè)無(wú)線電環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元與探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元都存在接口A1。在控制流層面，A1接口用于無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元對(duì)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元發(fā)送注冊(cè)/注銷、鑒權(quán)、監(jiān)控、配置/重配置和探測(cè)請(qǐng)求等控制信息。在數(shù)據(jù)流層面，該接口用于探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元向無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元傳送測(cè)量數(shù)據(jù)、探測(cè)器位置和測(cè)量時(shí)間等信息。

2)無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元——中心數(shù)據(jù)庫(kù)A2

每個(gè)無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元與中心數(shù)據(jù)庫(kù)都存在接口A2，接口A2用于無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元完善和更新中心數(shù)據(jù)庫(kù)中的無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)庫(kù)信息。

3)頻譜接入管理單元——分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元

每個(gè)頻譜接入管理單元和分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元都存在接口A4。頻譜接入管理單元通過(guò)該接口接收分級(jí)用戶的接入請(qǐng)求、頻譜需求等信息，以及向分級(jí)用戶發(fā)送注冊(cè)/注銷、配置和發(fā)放執(zhí)照、頻譜分配等管理信息。

4)頻譜接入管理單元——中心數(shù)據(jù)庫(kù)

每個(gè)頻譜接入管理單元與中心數(shù)據(jù)庫(kù)都存在接口A3。中心數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)該接口獲取頻譜接入管理單元發(fā)送的分級(jí)用戶信息，以及向頻譜接入管理單元發(fā)送分級(jí)用戶所處地理位置的無(wú)線環(huán)境地圖、無(wú)線電臺(tái)站和頻譜等數(shù)據(jù)信息。分級(jí)用戶信息包括分級(jí)用戶所處地理位置、所在等級(jí)以及用戶ID等。

2　智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)

智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一種具有中心控制節(jié)點(diǎn)、集中式架構(gòu)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)采用分層結(jié)構(gòu)：全局無(wú)線環(huán)境地圖系統(tǒng)和本地?zé)o線環(huán)境地圖系統(tǒng)，本地系統(tǒng)也由中心數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元、頻譜接入管理單元、探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元和分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成。智能網(wǎng)絡(luò)采取小區(qū)化的覆蓋模式，用戶通過(guò)公共協(xié)調(diào)信道接入所在小區(qū)的本地?zé)o線環(huán)境地圖系統(tǒng)。

圖2　智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)分層圖

如圖2所示，智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的用戶劃分為三個(gè)等級(jí)，即一級(jí)用戶、二級(jí)用戶和三級(jí)用戶，他們均需在分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元中進(jìn)行注冊(cè)登記。一級(jí)用戶在系統(tǒng)中擁有最高權(quán)限，優(yōu)先使用頻譜資源。當(dāng)一級(jí)用戶正在使用某段頻率時(shí)，其他等級(jí)用戶不能從中搶奪頻譜使用權(quán)，從而保證其在通信過(guò)程中不受其他用戶的有害干擾。二級(jí)用戶在系統(tǒng)中擁有次高級(jí)的權(quán)限，當(dāng)某段頻率未被一級(jí)用戶使用時(shí)，二級(jí)用戶可以正常使用，且其他二級(jí)用戶或三級(jí)用戶不能從中搶奪頻譜使用權(quán)，從而保證其不受同級(jí)或者三級(jí)用戶的有害干擾。一旦收到該頻段內(nèi)的一級(jí)用戶要求占用頻譜的通知，二級(jí)用戶需退讓該頻段，等待或轉(zhuǎn)移到其他可用頻段工作。三級(jí)用戶擁有最低的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)某個(gè)頻段沒(méi)有一級(jí)用戶和二級(jí)用戶登記使用時(shí)，三級(jí)用戶才能有機(jī)會(huì)申請(qǐng)接入。當(dāng)其與一級(jí)用戶、二級(jí)用戶用頻發(fā)生沖突時(shí)，三級(jí)用戶須騰出占用的頻譜，同樣是等待或轉(zhuǎn)移到其他可用頻段。三個(gè)級(jí)別用戶分類維度、接入權(quán)限等信息如表1所示。

表1用戶分級(jí)接入系統(tǒng)用戶分類一覽表

分級(jí)用戶接入權(quán)限同頻段用戶數(shù)量一級(jí)用戶原有用戶以及國(guó)家安全、應(yīng)急、重要政治、軍事部門最高級(jí)絕對(duì)一個(gè)或相對(duì)多個(gè)二級(jí)用戶促進(jìn)國(guó)家事業(yè)發(fā)展的公益部門或者企業(yè)專業(yè)用戶次高級(jí)多個(gè)共存三級(jí)用戶個(gè)人、家庭、團(tuán)體等信息消費(fèi)用戶最低級(jí)大量共存

如圖3所示，本地頻譜接入管理單元作為本地的信息和控制交換中心節(jié)點(diǎn)，記錄各頻段的注冊(cè)使用情況，裁決不同等級(jí)用戶在共享頻段的接入和使用。本地頻譜接入管理單元在保證高等級(jí)用戶用頻的同時(shí)，按規(guī)則接受其他等級(jí)用戶的注冊(cè)和用頻，達(dá)到頻譜的共享和高效利用。本地頻譜接入管理單元的核心是與之關(guān)聯(lián)的基于地理位置的本地中心數(shù)據(jù)庫(kù)，本地中心數(shù)據(jù)庫(kù)保存著探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元采集的，并經(jīng)后續(xù)處理過(guò)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括本地臺(tái)站數(shù)據(jù)信息、可用頻譜信息、接入價(jià)格、干擾保護(hù)的列表、頻段操作規(guī)則、本小區(qū)的傳播模型、干擾場(chǎng)強(qiáng)分布、政策法規(guī)和已經(jīng)接入系統(tǒng)的本地用戶信息等，本地頻譜接入管理單元讀取本地中心數(shù)據(jù)庫(kù)的這些信息做出最佳頻譜決策。同時(shí)，本地?zé)o線環(huán)境地圖系統(tǒng)和上一級(jí)或者全局無(wú)線環(huán)境地圖系統(tǒng)連接，及時(shí)交換數(shù)據(jù)，保持更新。

圖3　共享授權(quán)頻譜接入示意圖

3　智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的信息交互過(guò)程

在智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中，有3個(gè)比較重要的信息交互過(guò)程，即無(wú)線環(huán)境地圖信息數(shù)據(jù)獲取過(guò)程、分級(jí)用戶接入過(guò)程和低優(yōu)先級(jí)用戶頻譜切換過(guò)程。

3.1無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)獲取過(guò)程

無(wú)線環(huán)境地圖信息數(shù)據(jù)獲取過(guò)程其實(shí)就是頻譜感知過(guò)程，頻譜感知是智能頻譜管理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是頻譜決策、實(shí)現(xiàn)多用戶動(dòng)態(tài)共享的基礎(chǔ)。其基本原理則是依靠分布在小區(qū)中不同類型探測(cè)器感知，經(jīng)過(guò)處理生成新的無(wú)線電環(huán)境地圖數(shù)據(jù)。其獲取過(guò)程如圖4所示，包括如下步驟：

1)無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元向探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元發(fā)出測(cè)量請(qǐng)求，配置測(cè)量相關(guān)測(cè)量參數(shù)。

2)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元將測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳給無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元。

3)無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元讀取中心數(shù)據(jù)庫(kù)中原有無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)，結(jié)合新采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，產(chǎn)生新的無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)。

4)將新產(chǎn)生的無(wú)線環(huán)境地圖數(shù)據(jù)上傳給中心數(shù)據(jù)庫(kù)保存。

圖4　數(shù)據(jù)感知過(guò)程信息交互流程

3.2用戶接入過(guò)程

分級(jí)用戶接入過(guò)程也即頻譜決策過(guò)程，分級(jí)用戶接入過(guò)程則是通過(guò)頻譜接入管理單元的決策，分配最合適的頻譜資源給用戶使用，盡最大可能滿足其通信需求。分級(jí)用戶接入過(guò)程如圖5所示，包括如下步驟：

1)分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元中的待接入用戶向頻譜接入管理單元提出接入申請(qǐng)，上報(bào)自身各類信息等參數(shù)。

2)頻譜接入管理單元從中心數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取有關(guān)可用頻譜信息、干擾保護(hù)列表、頻段操作規(guī)則、無(wú)線傳播模型、干擾場(chǎng)強(qiáng)分布、其他用戶信息等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，選出合適的頻段和信道資源。

3)頻譜接入管理單元將頻段執(zhí)照和相關(guān)配置參數(shù)等發(fā)送給等待接入的用戶。

4)頻譜接入管理單元將分配給等待接入用戶的頻段和信道資源以及該用戶的性能參數(shù)等上報(bào)給中心數(shù)據(jù)庫(kù)保存。

圖5　用戶接入過(guò)程信息交互流程

3.3低優(yōu)先級(jí)用戶頻譜切換過(guò)程

智能頻譜管理網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻段資源的高效使用，一是得益于動(dòng)態(tài)頻譜分配算法，使各用戶能高效地使用頻譜資源，形成有序有效共享；二是得益于低優(yōu)先級(jí)用戶的頻譜移動(dòng)性，即當(dāng)高優(yōu)先級(jí)用戶需要占用自身頻段資源時(shí)，低優(yōu)先級(jí)用戶可以關(guān)閉發(fā)射或者轉(zhuǎn)移到其他頻段正常通信，保障高優(yōu)先級(jí)用戶通信需求。具體頻譜切換(頻譜移動(dòng))如圖6所示，包括如下步驟：

1)頻譜接入管理單元驗(yàn)證高優(yōu)先級(jí)用戶的合法性后，向中心數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送高優(yōu)先級(jí)用戶的頻譜接入請(qǐng)求。

2)中心數(shù)據(jù)庫(kù)將與高優(yōu)先級(jí)用戶的可用頻譜信息、干擾保護(hù)列表、頻段操作規(guī)則、傳播模型、干擾場(chǎng)強(qiáng)分布、其他用戶信息等參數(shù)發(fā)送到頻譜接入管理單元。

3)頻譜接入管理單元決策分析高優(yōu)先級(jí)用戶的可用頻譜候選集，如果發(fā)現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)用戶的頻段資源正在被低優(yōu)先級(jí)用戶使用，頻譜接入管理單元計(jì)算其他適合低優(yōu)先級(jí)用戶的頻譜資源，并告知低優(yōu)先級(jí)用戶進(jìn)行頻譜切換以及可用的頻譜資源。

4)低優(yōu)先級(jí)用戶將占用高優(yōu)先級(jí)用戶的頻譜退出后，發(fā)送頻譜移動(dòng)完畢信令給頻譜接入管理單元。

5)頻譜接入管理單元向高優(yōu)先級(jí)用戶發(fā)送頻譜執(zhí)照、信道資源等各項(xiàng)參數(shù)，滿足其通信需求。

6)頻譜接入管理單元將分配給高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)用戶的頻段和信道資源以及用戶的性能參數(shù)等上報(bào)給中心數(shù)據(jù)庫(kù)，更新數(shù)據(jù)庫(kù)信息。

7)頻譜接入管理單元利用中心數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)可以全面掌握各授權(quán)用戶頻譜的實(shí)時(shí)使用情況(如時(shí)間占用、空間占用等)，從而為存在頻譜缺口的用戶做出最佳頻譜分配。

圖6　頻譜切換過(guò)程信息交互流程

4　待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

從技術(shù)的可行性、通信有效性和可靠性出發(fā)，隨著認(rèn)知無(wú)線電、軟件無(wú)線電、頻譜動(dòng)態(tài)共享技術(shù)、無(wú)數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)等技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展成熟[15]，實(shí)現(xiàn)智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)基礎(chǔ)。但是，頻譜感知、頻譜決策、頻譜共享過(guò)程中的一些技術(shù)難點(diǎn)還有待進(jìn)一步探討。

1)頻譜感知過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

探測(cè)器受限于硬件和濾波器特性，如何做到大帶寬范圍的感知能力，且經(jīng)濟(jì)可行性好；探測(cè)器和用戶接收機(jī)沒(méi)有信息交互過(guò)程，如何精確估計(jì)所在小區(qū)接收機(jī)的地理位置信息。

2)頻譜決策過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

探測(cè)器受限于分辨率帶寬、掃描時(shí)間等特性，如何保證感知的數(shù)據(jù)是正確的，無(wú)線環(huán)境復(fù)雜多變；如何判斷決策時(shí)采用的數(shù)據(jù)有效；不同應(yīng)用的用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量要求不同，如何利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)保證不同用戶的需求，且避免干擾產(chǎn)生；如何定量計(jì)算目標(biāo)頻帶里可接受的干擾噪聲的水平，并預(yù)測(cè)自己的接入會(huì)對(duì)原有授權(quán)用戶接收機(jī)產(chǎn)生的干擾。

3)頻譜共享過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

低優(yōu)先級(jí)用戶必須具備頻譜移動(dòng)性的能力，如何適合大范圍的頻段調(diào)節(jié)，并無(wú)縫切換，保證通信不受影響；當(dāng)系統(tǒng)需要關(guān)閉低優(yōu)先級(jí)發(fā)射機(jī)的正常工作狀態(tài)時(shí)，如何避免這些用戶有自私行為，繼續(xù)擅自使用未經(jīng)批準(zhǔn)的頻段。

5　結(jié)束語(yǔ)

為了突破頻譜資源短缺瓶頸、提高頻譜利用效率和滿足信息通信寬帶高速的迫切需求，本文提出了一種新穎的智能頻譜共享網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元、無(wú)線電環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元、中心數(shù)據(jù)庫(kù)、頻譜接入管理單元和分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元5部分互聯(lián)構(gòu)成。采用無(wú)線環(huán)境地圖的理念，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)單元和無(wú)線電環(huán)境地圖數(shù)據(jù)采集和處理單元能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)地獲取無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)。結(jié)合用戶分級(jí)的思想，該網(wǎng)絡(luò)在利用中心數(shù)據(jù)庫(kù)和頻譜接入管理單元為用戶動(dòng)態(tài)、合理、高效分配頻譜的基礎(chǔ)上，還能保證高級(jí)別用戶擁有優(yōu)先接入和隨時(shí)用頻的權(quán)利。后續(xù)，將圍繞該架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)和協(xié)議設(shè)計(jì)進(jìn)一步開展工作。

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李偉(1984— )，工學(xué)博士，工程師，主研頻譜工程技術(shù)、頻譜共享技術(shù)、電磁兼容分析等；

馮巖(1984— )，女，工學(xué)博士，工程師，主研無(wú)線電新技術(shù)、頻譜管理技術(shù)、無(wú)線電管理數(shù)據(jù)庫(kù)等；

熊能(1984— )，工學(xué)碩士，助理工程師，主研頻譜管理技術(shù)、電磁兼容、信號(hào)處理等，為本文通信作者；

楊淼(1984— )，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，主研無(wú)線電新技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等。

責(zé)任編輯：許盈

Research of spectrum sharing network based on radio environment map

LI Wei1, FENG Yan1, XIONG Neng2, YANG Miao1

(1.TheStateRadioMonitoringCenter,Beijing100037,China; 2.RadioMonitoringStationinHunanProvince,Changsha410011,China)

The current mode of spectrum allocation has limited the efficiency of spectrum utilization, which also restricts the innovations on radio technologies. Spectrum sharing has been recognized as one of the technical schemes to solve spectrum scarcity and improve spectrum efficiency. On the basis of literature reviews of spectrum sharing developments in European and American countries, an intelligent spectrum sharing network architecture is proposed based on radio environment map and user classification. With complete and accurate spectrum information, the proposed network architecture makes different users share spectrum resources efficiently and dynamically through user classification access. Firstly, the components and functions of network elements in this architecture are emphatically introduced. Moreover, the procedure of information interaction among different network elements is discussed in detail. Finally, as a reference for spectrum sharing development in China, the key technologies to realize this architecture are also deeply analyzed.

spectrum resource; spectrum sharing; network architecture; radio environment map; user classification

TN92

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.10.013

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA01A706；2015AA01A705)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2015ZX03002008)

2016-03-16

文獻(xiàn)引用格式：李偉，馮巖，熊能，等. 基于無(wú)線電環(huán)境地圖的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)研究[J].電視技術(shù)，2016，40(10)：60-66.

LI W，F(xiàn)ENG Y，XIONG N，et al. Research of spectrum sharing network based on radio environment map [J].Video engineering，2016，40(10)：60-66.