新一代频谱管理系统体系结构初探

陈砚圃，罗 林，谭 薇

(西安通信学院，陕西西安710106)

0 引言

在未来战场中，将得到广泛应用，战场电磁环境将变得更加复杂［1］。如何利用CR认知和可重配的特性，实现对CR的统一管理、远程管理、自主管理和与其他军事指挥系统的联合管理，满足军事频谱管理实时态势感知、按需分配和动态管控的需求，成为一个亟待解决的问题［2］。

为了实现对CR的频谱管理，认知无线网络频谱管理框架被提出［3］。该框架虽然能有效解决当前频谱资源稀缺和利用低效的问题，但是在战场中，指挥员不能依托该架构实时掌握战场频谱态势，不能满足动态管控的需求，具有一定的局限性。文献［4］提出了一种基于网管理念的频谱管理方法，介绍了网管理念在频谱管理中应用的总架构和实际应用中需要解决的问题，却没有详细分析该体系结构。

为此，在分析CR特性和网络管理的基础上，本文给出基于网管理念的频谱管理系统的体系结构，并详细分析了体系结构中的构成组件和相关功能。

1 认知无线电

美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)提出了相对简化的 CR 定义［5］:CR能通过感知周围环境，并利用交互活动探知“频谱空穴”(在特定时间和特定位置未被使用的授权频段)和获取信息，能在一定宽度的空域、时域和频域对相应授权用户频谱使用规律进行分析，并及时调整和配置传输功率、载频和调制方式等基本参数，高效利用频谱和适应运行环境的变化。

由定义可知，CR主要具有两大特性:① 认知能力，即通过与无线环境交互来实时感知特定的时间和位置上未使用的频谱部分;②可重配置性，即可以对CR动态配置，以便在各种频率上发送和接收信号。通过对感知的频谱信息综合分析，频谱管理系统可以选择最佳的频带和配置最佳的操作参数。同时，利用CR实时感知战场用频情况，有利于频管员进行干扰识别与处理。

2 网络管理

网络管理系统从逻辑上可抽象为4个部分［6］:网络管理工作站、被管设备、网络管理协议和网络管理信息库(MIB)。网络管理的一般结构如图1所示。

图1 网络管理的一般结构

任何一个网络管理域至少设有一个网络管理工作站，驻留在网络管理工作站上的网络管理进程负责网络管理的全部监视和控制工作。任一被管理的设备都有一个被管代理，被管代理时刻监听和响应来自网络管理器的网络管理查询或命令。被管代理与网络管理进程之间的信息交互的动作规则和数据格式等由网络管理协议来规定。通过管理信息库可以获知被管设备的工作状态和工作参数。

SNMP是Internet通常采用的网络管理协议，包括以下主要功能:① Get:由管理站去获取代理的MIB对象值;②Set:由管理站去设置代理的MIB对象值;③ Trap:使得代理能够向管理站通告重要事件。

以上关于管理站、代理、MIB以及SNMP协议的概念都可以相应地应用到频谱管理中来。

3 基于网管理念的频谱管理体系构架

基于网管理念的频管体系架构以CR状态监控和业务保障为核心，支持对战场电磁环境的实时态势感知以及对CR运行状态的远程监控和实时配置，并与其他军事通信系统协作，实现频管系统与其他军事通信系统的统一管理［7］，如图2所示。

基于网管理念的频谱管理系统主要包括4个部分:管理站、代理、管理信息库和通信协议。在任一个认知无线网络内至少设有一个频谱管理工作站，配置在频谱管理工作站上的管理站负责战场频谱态势分析和频谱管理。每一个CR都配置一个代理和一个管理信息库。代理实时监听和响应来自管理站软件的查询或命令，配置管理信息库。管理信息库是CR物理资源的抽象，通过配置管理信息库可以达到管理物理资源的目的。代理与管理站、管理站与管理站以及管理站与其他指挥系统之间的信息交互的动作规则和数据格式等由通信协议来规定。下面对该体系结构中各组成部分进行详细分析。

图2 基于网管理念的频谱管理体系架构

3．1 管理站

频谱管理工作站配置管理站软件。管理站是面向指挥员、频管员实现CR设备统一频谱管理的平台。管理站以数据库为支撑，通过整合和分析CR感知信息以及与其他管理站和军事通信系统的交互信息来实现实时战场频谱态势感知与共享，对CR实现统一的频谱管理。

3.1.1 通信组织规划

通信组织规划模块根据作战计划进行通信组网，模拟作战过程，形成频率分配方案。网络规划模块分析作战计划，对CR进行组网，确定组织结构和部署位置;对各台站和CR频谱需求分析，形成用频规划、分配方案。路径规划和时间规划定义作战过程中各台站和CR的行驶路径，将作战过程动态实现。协调管控根据网络规划模块分析结果形成用频协调方案、用频管制方案、频谱保护方案和频谱禁用方案，减小用频冲突［8］。

3.1.2 通信效果分析

通信效果分析模块通过数据库提供的设备、地理、监测和传播模型等信息对通信效果进行综合分析［9］，完成电磁环境效应评估和干扰评估。覆盖范围模块仿真分析单个或多个台站的覆盖范围。链路分析模块对通信链路上的性能进行分析。干扰计算模块通过对CR间的干扰的计算完成对各台站之间的电磁兼容分析。结合其他通信效果分析，效果评估模块完成对电磁环境效应评估以及通信组网和频管方案的评估分析［10］，选出最优、次优频管方案。

3.1.3 故障管理

故障管理模块实现对故障的监测告警、故障定位和业务恢复功能。监测告警模块监测整个战场电磁态势以及CR的工作状态和运作情况，监测数据包括位置信息、频率、功率、天线指向角、工作模式、信号强度以及管理信息库中其他参数。当CR未按频率分配计划运行或链路参数出现异常时，向用户发出警报及提示。故障定位模块结合故障树和通信效果分析模块，通过分析CR以及其他监测手段的监测数据对干扰以及其他故障进行快速定位。业务恢复模块完成对CR工作状态的恢复，通过改变CR工作状态、制定实时频率指配方案和解除干扰源等手段排除干扰，保证无线网络有序高效地运行。

3.1.4 频率指配

频率指配模块对CR指配频率［11］，以达到排除干扰或者减少干扰的目的。频率指配中有多种指配模型和优化算法，频管员可根据情况选择合适的模型和算法。

3.1.5 数据库

数据库为管理站其他模块提供数据支撑，主要有预置数据、实时数据和报告数据3类。预置数据包括地理数据、传播模型、台站数据、模板数据和CR检测数据等;实时数据包括监测台站的监测信息、探测站的探测信息、轮询CR的感知数据和状态信息等;报告数据主要备份各模块分析结果。

3.1.6 人机接口

人机接口为用户与管理站的交互界面，为用户提供分析过程和战场实时态势的可视化显示，通过其实现对管理站的操作。指挥员通过人机接口掌握战场实时电磁态势，包括CR的地理位置、运行状态、用频情况和电磁覆盖等信息;频管员通过监测数据对CR进行覆盖范围、干扰情况、链路性能、频率指配和效果评估等分析，形成实时频管方案。

3.1.7 通信接口

通信接口识别数据类型，分类接收和分发数据。如图2所示，接口1是管理站与CR信息交互的接口，该接口交互的数据主要是管理站向CR的管控信息、CR向管理站发的状态信息和感知信息;接口2是管理站之间信息交互的接口，该接口交互的信息主要是感知信息和干扰报告;接口3是频谱管理系统与其他军事通信系统交互信息的接口，主要是作战指令等其他信息。

3．2 代理和管理信息库

CR配置代理和管理信息库。管理站将配置信息和共享信息发送至代理，代理完成对CR设备的本地维护，对管理站轮询的工作状态、运行情况和感知信息做出响应，实现管理站对战场频谱态势的监测与共享;当CR感知到重要事件发生(如信号信噪比突然减小等)，代理主动将情况发送至管理站，实现对故障的监测告警。

代理是配置在CR上的软件，其主要由人机接口、分发处理和通信接口3部分组成。人机接口实现CR与用户的交互，为用户提供实时战场态势信息;分发处理对管理站的配置信息、共享信息、轮询信息以及代理的Trap消息进行分发处理;通信接口定义代理与管理站信息交互的协议。

MIB是CR被管对象的集合。被管对象是对物理资源的封装，频率、功率、天线指向角、工作模式和信号强度等参数以及感知信息均可抽象为被管对象。代理通过管理MIB实现对CR物理资源的管理。

3．3 通信协议

管理站与代理之间、管理站之间以及管理站与其他指挥系统之间由简单的SNMP协议［12］远程完成信息交互。管理站由Set消息设置代理中MIB值，通过对MIB的设置完成对CR设备的本地维护和战场态势共享;由Get消息获取代理中MIB值，得到CR设备的工作状态、运行情况以及感知信息。当CR感知到重要事件发生，Trap消息主动将情况发送至管理站。管理站之间、管理站与其他指挥系统之间信息交互均有Get消息根据信息需要获取。

对于新一代频谱管理体系结构的研究投入了大量的精力，但是到目前为止，尚未取得能够广泛推广的成果。新的体系结构应该建立在充分认识CR应用以及充分理解频谱管理系统的内在联系的基础上，对频管系统的结构功能模块进行更加合理的划分，构造适合CR的频管系统。由于战场电磁环境的多样性和电磁频谱管理的复杂性，频谱管理体系结构不应该是一种静态的结构，而是能够在不同层次进行动态数据共享的新型体系结构。

4 结束语

针对未来军事无线网络中CR频谱管理的需求，初步探索了新一代频谱管理系统体系结构。该体系结构支持对战场电磁环境的实时态势感知以及对CR运行状态的远程监控和实时配置，实现频管系统与其他军事通信网络的统一频谱管理，具有可扩展性，后续将对之进行验证、评估、改进与优化。下一步的工作主要包括通信协议研究、管理信息建模和频率指配技术研究等。

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