试论动态频谱接入中“云计算”的应用前景

何廷润

摘要文章在分析实现动态频谱接入计算与管理难点以及云计算特征的基础上，提出了基于云平台的动态频谱接入架构：同时，明确了宽带智能网络性能和基于动态频谱接入的安全威胁成为其制约因素。

关键词动态频谱接入云计算云平台宽带智能安全性

1引言

动态频谱接入是未来缓解频谱资源紧短、提高频谱资源利用效率的主要方式，将云计算与动态频谱接入相结合，克服了动态频谱接入高复杂度计算与管理的难点，提高了动态频谱接入的可实现性，也为云计算的应用开辟了新的领域。

2实现动态频谱接入的计算与管理难点

实现动态频谱接入首先需要无线设备具备无线环境感知能力，而无线环境感知包括对无线环境的分析，主要是对无线传播环境干扰度的估计以及频谱空穴的检测，以及对无线信道的确认，即对信道状态信息的估计以及对信道容量的预测。其次需要无线设备对网络环境的感知，包括网络类型、网络柘扑、接口协议、可用资源、网络流量等影响端到端传输性能的网络工作状态。同时，还要包括对用户信息的感知，即用户类型、用户偏好、用户要求等。这许多感知信息都要求感知设备实时采集和处理，极大地增加了感知设备处理及计算的负荷，提高了设备及系统的成本。

以频谱感知为例，频谱感知目前有匹配滤波、波形感知、能量检测、小波检测、循环平稳检测、基于熵的检测、基于最大特征值检测、干扰温度、宽带感知及多维频谱感知等方法，由于都需要设计复杂的模型及算法，不但运算量大而且计算复杂度高。目前，这些计算及频谱管理信息的处理都由设备及系统的物理层、网络层和传输层来承担，而单个DSP无法完成这些复杂算法的实时运算，而需要多个DSP协同完成。但由于多个DSP的协同集成途径面临许多尚未解决的棘手问题而缺乏实用价值；而且即使多个DSP的协同集成途径可以实现，也要占用无线网络大量信道、传输及核心网资源。因为一个认知无线设备完成一次动态频谱的过程，应包括频谱检测、频谱管理、频谱共享和频谱移动性等四项内容，如图1所示：

当前动态频谱架构的设计及能力，尚无法支持在3G、4G等广域网络中的实现，仅在如IEEE 802.22标准(无线区域网)实现了认知无线电的初级功能。其重要原因之一就是：认知无线电设备及网络本身无法支持复杂系统实现动态频谱，从而引发巨量计算和管理任务。

3云计算服务动态频谱接入的特征分析

云计算的出现与逐步成熟，为实现复杂无线网络系统的动态频谱接入提供了新的途径。云计算是以虚拟化技术为基础，以互联网为载体提供基础架构、平台、软件等服务为形式，整合大规模可扩展的计算、存储、数据、应用等分布式计算资源进行协同工作的超级计算模式。云计算最关键的特征是计算资源能够被动态地有效分配，用户能够最大限度地使用计算资源但又无需管理底层复杂的技术，这正是其核心价值之所在。

云计算的体系架构参照云服务的模型可以划分成3个层次，具体的体系架构如图2所示：

最底层为基础架构即服务层(infrastructure as aservice，IaaS)，在此将基础设施资源(计算、存储和网络)以服务的形式提供出来。IaaS具有在特定服务质量约束的情况下出租计算机或数据中心的能力，使之能执行任意操作系统和软件。除了资源的虚拟化(计算资源、网络、存储等不同类型的资源虚拟化)，同时还提供自动化管理能力，使得用户可以便捷地享有服务，包括有平台和应用的自动化部署、自动化规模伸缩、负载管理等。

平台即服务层(platform as a service，PaaS)，把基础架构资源变成平台环境提供给用户和应用，包括操作系统和围绕特定应用的必需服务，PaaS提供一个特定的应用程序集以及必要的服务(如SQL数据库或其他的能力)访问。

软件即服务层(software as a service，SaaS)，为终端用户提供各种应用服务。SaaS的典型表现是一组集中部署的应用，在云中远程地运行一个模型，由于是计量服务，允许出租任一应用程序。

除了这3个层次的服务之外，云计算还具有相关的管理功能，包括用户／服务管理、订阅和计费管理、监控和服务质量管理、配置和资产管理等。

云计算的结构特点显示，其特别适合负载变化大、管理成本高、资源平均利用率比较低、对资源有大规模海量需求的应用服务，而动态频谱接入所遇到的高复杂度的计算与管理恰恰符合这些特点。因此，将云计算应用于动态频谱接入领域应具良好发展前景。

4云计算用于动态频谱接入的方式与架构

应该看到，云计算的三层服务能力都可以支撑动态频谱接入所产生的高复杂度计算与管理需求。其中，软件即服务(SaaS)是在软件结构上采用云计算，通常不必在客户端安装和运行应用，所有操作维护和升级均在服务端进行，可以减轻客户端软件维护、操作和支持的负担。因此，其特点符合弥补动态频谱接入计算与管理能力不足，减轻认知无线设备及网络负担的述求。但是，当前软件即服务(SaaS)主要应用于互联网的在线应用服务，如电子邮件、即时通信、网络教育、日历工具、协同办公工具等，这些服务基本是尽力而为的服务，对服务质量缺乏切实的保障。而动态频谱接入是频谱资源重新调度和分配的过程，无论是电磁环境的感知、频谱空穴的检测与确认，还是动态频谱池的管理以及频谱的重配置都要求稳定和可靠；同时，将动态频谱接入视为某项业务与其他业务共用云计算平台，也增加了动态频谱接入的不安全性。因此，动态频谱接入中云计算的实现不宜采用SaaS层结构。

动态频谱接入采用平台即服务(Paas)云计算层结构是其中的一种选择。云平台即服务(PaaS)是将计算平台作为一项服务，通常基于云基础设施来支撑其上的云应用，它包括应用平台、数据库应用平台、存储应用平台、分析计算平台以及一些领域特定的应用平台等。现有云平台主要分为两类：解决方案栈和结构化存储。解决方案栈是指实现功能完备的解决方案所需要的软件子系统或组件i结构化存储是指基于云的数据库、文件存储和基于云的消息发送队列。图3是基于云平台的动态频谱接入架构。

在云平台中要建立匹配滤波、波形感知、能量检测、小波检测、循环平稳检测、基于熵的检测、基于最大特征值检测、干扰温度及多维频谱感知等方法的模型并形成可管理、可访问的软件子系统；形成频谱感知、频谱空穴检测及数据挖掘的分析处理子系统。同时，需要建立基于云计算的频谱资源数据库和支持动态频谱接入的决策数据库。由此，基于云计算的动态频谱接入服务平台才能完成高复杂度的计算与管理，从而支撑起动态频谱接入的环境感知、频谱空穴检测与认证、数据挖掘与分析、智能决策，直至实现频谱重配置的功能。

5基于云计算的动态频谱接入面临挑战

云计算应用于动态频谱接入领域也存在许多难题和挑战。其中除云计算本身的虚拟化技术以及云的体系架构等标准化方面存在重大挑战外，由于动态频谱接入的特点，在宽带智能网络和安全性上又有其特殊的要求。

首先，云计算对宽带网络提出了很高的要求，绝不是“尽力而为”的网络可以支持的。宽带网络问题的核心，一是带宽，二是时延，特别是时延的影响在云计算中将远远大于带宽的影响，因此拥有智能管道能力的宽带网是未来网络的发展方向。在基于云计算的动态频谱接入应用中，包括谱感知、频谱空穴检测及数据挖掘的分析处理，直至最终实现频谱重配置的所有信息与控制都要通过宽带网络传送，而时延对于动态频谱接入的实现更有着严格的限制。因此，可以说是否具有高速宽带智能网络的连接与运行，将是制约云计算在动态频谱接入领域应用的重要因素。

其次，安全性也是制约云计算在动态频谱接入中应用的关键所在。除了云计算采用虚拟化技术的安全性，以及连接“云端”的网络安全性外，由于动态频谱接入而引发新的安全威胁也会在云平台中显现，包括：模仿主用户攻击、干扰主用户、攻击频谱管理者、公共控制信道干扰、拒绝服务攻击、窃听、GPS信息干扰和路由安全攻击等。这些安全威胁本来存在于动态频谱接入的实现过程中，它们在云计算环境中的作用路径，反应规律及应对机制都将发生重大变化，而对其的研究还属空白，急需填补。

6结束语

云计算的特点非常适合动态频谱接入的需求，以云平台方式构建基于云计算的动态频谱接入系统是一种可选择和可实现的路径。同时，在云计算环境中实现动态频谱接入也存在着如宽带智能网络性能要求特殊以及安全性严峻的挑战。但是毋庸置疑，将云计算应用于动态频谱接入领域一定会大有前景。