认知无线网络区域内集中方式频谱分配＊

李仙茂 张东屹 刘晓东

（1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）（2.福州92403部队自动化站 福州 350007）

1 引言

动态频谱分配（DSA），主要是控制收发通信道（节点）执行。频谱分配的主要目的是通过一个自适应策略有效地利用射频频谱。频谱管理（分配）算法是以认知无线电频谱资源分配者对频谱空穴（频谱池）的侦察，以及对发射功率者实时可控为基础，选择一个适应无线电环境时间变化特征的频谱分配模式［1～2］。利用动态频谱管理可以提高无线通信的灵活性、信道利用率，可使主要用户和次要用户之间避免冲突并共存频谱［3］。DSA包括频率、空间、功率、极化、时间五种域分配。DSA可用频谱的辨认与描述、频谱可用性的持续时间以及频谱分配（监督），其中频谱分配（监督）是指根据需要接入到频谱的节点数目及其服务要求将频谱分配给一个或多个指定节点。DSA必须考虑目标节点可能的接收能力并提供源节点到目标节点的调整［4～5］，同时，要考虑认知无线电对主用户可能产生的干扰温度。动态频谱管理流程如图1所示。

2 无线电设备EMC检测

图1 动态频谱管理流程图

根据管理范畴和无线电设备的情况，对确定将要使用的设备进行电磁敏感试验（判定试件敏感与否的过程）、电磁抗扰试验（判定试件正常与否的过程）、敏感度测定（试件处在异常状态时的最小度量值）和抗扰度测定［6］（试件处在正常状态时的最大度量值），尤其强调对主用户设备的EMC检测，如果忽略了对主用户的EMC检测，将导致频谱分配的失败。

3 频谱分配技术

3.1 电磁频谱分配方式选择

电磁兼容分配包含频率、功率、极化、空间、时间五种域分配［7］。

1）频率分配：若能确定不同的通信节点（通信对）拥有不同的信道（频率），保证认知无线电设备对主用户无有效干扰，则根据电磁收／发设备的受控特点进行频率分配。

2）功率分配：主要应用于工作空域划分。针对无线电设备要求通信的距离范围，限制对其它空域工作的无线电设备产生不必要的干扰。

3）极化分配：主要是功率控制的一个倍增器。在其它条件不变的情况下，如果功率不满足要求，则通过极化差开，可降低二十几分贝的干扰。

4）空间分配：对两种相互照射会产生干扰的无线电设备对，可分别工作于不同的空间区域时；当其中一部天线为定向窄波束天线，且其旁瓣足够小时，均可进行空间管理。

5）时间分配：使产生相互干扰的电磁收发设备分时工作，是简便的电磁兼容管理方式，但也是使被管理设备工作效能损失最大的管理方式。

3.2 电磁频谱分配流程

电磁频谱管理系统依据当前任务，对频率资源、带宽资源、电磁兼容等进行有效管理，及时了解网络资源的使用情况，防止认知无线电与认知无线电设备、认知无线电与主用户的交互影响［8］。

电磁频谱管理系统按管理优先等级选择的原则进行管理，且不同的管理方式可联合使用或交叉使用，尽可能少地满足认知无线电设备的使用要求。管理系统将按图2流程进行设计。

图2 认知无线电频谱分配流程

根据管理的方便和有效性，一般采用如此的管理顺序。优先选择频域分配，频域分配不能解决则采用空域分配，还不能解决则采取功率管理，或极化分配，以上四种方法都无效时采用时间分配。

3.3 极化域对降低同频互扰的作用

同频无线电通信设备组之间采用不同极化，可降低通信组之间的互扰。极化损耗Lp（θp）是由两部无线电设备信号极化方式的差异引起的损耗。现代无线电设备使用的电磁波信号多采用线极化，如果两部设备极化方式相同，极化损耗Lp取0dB，如果极化方式正交，则极化损耗很大，一般为25dB。一般情况下，若两对无线电设备天线极化方向之间的夹角为θp，它们之间的极化损耗可按下式计算［9］：

部分无线电设备采用圆极化或椭圆极化，不同极化方式下的极化损耗如表1所示。

表1 极化损耗（dB）

3.4 不同类型设备间的空域分配方法

电磁频谱管理中存在的多种特殊情况的解决方法。主要有波束有方向性的设备和全向波束的设备。

1）波束有方向性的设备之间

图3 波束有方向性的设备间的空域分配方法

波束有方向性的设备的工作波束窄，搜索范围小，工作时所占空间范围小，它与其它波束有方向性设备的频谱冲突首先考虑采用空域划分的方法进行管理。在保证波束方向性设备照射波束的空间，与其形成干扰的波束方向性设备在对应空域不工作，从而避开波束方向性设备间的干扰。其示意图如图3所示。CR1、CR2、CR3和CR4同频工作，CR1、CR2组成的通信对与CR3、CR4组成的通信对互不影响。

2）波束有方向性的设备与波束全向设备之间

波束方向性设备的工作波束窄，工作时所占空间范围小，发射波束具有方向性。当它与另一波束全向设备同时发射信号时，可采用空域管理的方法解决。要求全向设备的接收方不在波束方向性设备的波束照射区域，从而避开波束方向性设备的对全向接收设备的干扰。波束具有方向性设备的接收方一般也具有方向性，则两个都具有方向性的设备间的收发天线的波束增益相加会形成一个很大的增益。接收方可通过降低接收机的灵敏度，使另一设备全向发射的干扰信号被滤除，从而也不形成对其干扰。其示意图如下图4。CR1、CR2、CR3和CR4同频工作，CR1、CR2组成的通信对与CR3、CR4组成的通信对互不影响。

图4 波束有方向性的设备与波束设备间的空域分配方法

下面举一实例用于第2）种情况的实现。取四个二组设备的各项参数如表2，另设有方向性设备的侧向接收增益为－3dB，四个设备都工作在450MHz，并考虑大气损耗和收发设备系统衰减。

表2 各电子设备主要参数表

仿真结果如图5所示，当各组通信设备组内设备之间小于5km，且全向设备距与有向设备之间的距离大于1km。此时，有向设备不会对全向设备形成干扰，而且全向设备对有向设备的干扰小于有向设备的接收机灵敏度，所以，可保证全向设备之间正常通信，有向设备之间正常通信，相互无干扰。

4 结语

论文研究认知无线电频谱分配方法，研究保证无线电设备的频谱最大的利用率，尽可能地满足管理区域内认知无线电的用频需求［10］。论文的研究的内容侧重于从频率、空间、功率、极化、时间五种域，对无线电设备的频谱进行多角度的划分管理，以满足更多设备的用频需求。本文理论虽然较为简单，但对于完善频谱分配的管理方法具有一定的参考价值和应用价值。

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