基于服务的动态频谱管理技术

【摘要】在现代战争中，战场频谱管理是夺取制电磁频谱权的重要保障。针对当前战场频谱管理的热点问题，通过介绍动态频谱管理因素、基于服务的动态频谱管理体系架构、动态频谱管理层次分析和动态频谱管理系统模型，对动态频谱管理技术进行研究，并详细分析了系统级动态频谱管理和网系级动态频谱管理。

【关键词】动态频谱管理系统级网系级

中图分类号：TN915文献标识码：A文章编号：1006-1010(2014)-10-0045-04

Service-Based Dynamic Spectrum Management Technology

WU Hao

(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

[Abstract] In modern warfare, spectrum management on battlefield is the important guarantee to seize electromagnetic rights. According to the current hotspot issues of spectrum management on battlefield, the basic factors, architecture, hierarchical analysis and system model of dynamic spectrum management are introduced to research dynamic spectrum management technology. Both system-level and network-level of dynamic spectrum management are analyzed in detail.

[Key words]dynamic spectrum managementsystem levelnetwork level

1 概述

随着现代无线电技术的迅猛发展，各种新的电子信息系统不断投入使用，无线电频谱资源的合理、有效使用成为保证所有系统正常工作的基本条件。但是，由于可用的频谱资源总量有限，随着基于频谱的服务和设备种类的不断增加，使得可供分配的频谱资源日益匮乏；同时，随着基于频谱的电子系统数量的增加、规模的扩大以及复杂程度的提高，使得系统的协调、布设和管理更加困难。这是由于当前普遍使用的频谱管理方式为集中式、静态的分配策略[1]，这种方式使得已分配给各种业务的频谱资源固化，无法实现动态复用，尤其是那些只应用于特定地理区域或特定时段的大量已分配频谱无法得到充分利用，从而导致了严重的频谱浪费现象。

目前的频谱管理更多的是静态管理模式，完成静态的频谱规划/指配。而在动态管理方面做得较少，主要频率使用用户在实际使用过程中，当自身受到干扰后通过人工方式/指令方式进行干扰申诉，频管系统在接到相关干扰申诉后进行频率重新指配。这种动态管理考虑比较局限，实际上受干扰只是引起需要动态管理的变化因素之一[2]。

所谓动态，是指对电磁环境、地理地形位置、进度、任务、策略等引起频率使用变化的因素的反应和适应能力。反应能力指在确认引起变化的因素产生是如何避免受到干扰或对其他频率造成干扰。完成适应比较困难的，系统必须能够在频域上实现平稳过渡，并对未来可能的变化进行预测。

随着频率使用用户的增多，用户面临的电磁环境越来越复杂，对频谱的动态管理能力提出了更高的要求，频谱的动态管理技术无疑将是频谱管理领域迫切需要解决的问题。

2 动态频谱管理技术总体研究

动态频谱管理技术研究是基于现有的频率使用系统情况下开展的[3]。目前，将动态频谱管理分为系统级的动态频谱管理和网系级的动态频谱管理。可从系统级（频谱管理的上层系统）和网系级（频谱管理的神经末梢）两个方向来研究频谱的动态管理。其中，系统级的频谱动态管理主要是解决宏观上的动态管理，掌握全局的频谱态势；网系级的动态频谱管理主要是解决微观上的局部动态接入管理，研究面向未来的自适应频谱接入技术[4]，是属于频率使用系统自身的动态管理，提高频率管理的灵活性，避免以往管得过死。

2.1动态频谱管理因素

引起频谱使用变化的因素除了受干扰外还有其他因素，具体如下：

（1）电磁频谱环境变化

电磁频谱环境是指综合电磁频谱态势。当频谱态势发生变化后，可能引起原发布的频谱使用方案需要调整。

（2）地理地形环境变化/位置变化

主要是解决机动用户位置变化，进而所处的地理地形环境变化。受到的影响有两个方面：一是新的地理地形环境对该用户的影响；二是该机动用户在新的环境对原有用户的影响。

（3）保障重点变化/任务变化

随着任务变化和阶段的前进，保障重点会产生变化，进而引起频谱使用资源的动态变化。为此可将保障重点分为紧急、重点和普通三个等级，针对不同的等级采用不同的频谱管理策略，紧急任务要求频谱管理系统能实时动态调整。

（4）频谱管理策略的变化

根据电子战和频谱战的需要制定一系列的频管策略，可根据需要对策略进行改变，从而调整频率的使用。

（5）干扰变化

频率使用系统在频率使用过程中，由于可能会受到敌对干扰、系统自扰等，导致频率使用质量下降。

（6）自身能力的变化

频率使用系统或设备，在使用过程由于自身的变化导致原定的频率不能使用。

2.2基于服务的动态频谱管理体系架构

根据需要适应上述这些变化因素，频谱管理系统要完成的工作分为系统级频谱管理系统和网系级频谱管理系统。其中，系统级动态频谱管理软件系统是在频率使用系统之上，根据需要完成相应的管理，并同频率使用系统的频管进行信息交互；而网系级频谱管理系统同频率使用系统紧密结合，根据干扰情况变化需要准实时完成动态管理。

频管系统节点提供的服务组成频谱管理核心服务网，频管系统节点在现有的有线和无线网络上构成一个频谱管理服务网络，频谱管理网络是一个扁平化的整体系统，与现有体制不冲突，为分层次的管理，如图1所示：

频管用户可定制业务逻辑组合核心服务网提供的服务，从而完成客户化的频管系统；频率使用用户通过服务接入设备进入核心服务网获取态势数据或策略，并且可将自身频率使用情况和感知信息通过服务接入设备完成数据的上传；分布式频谱感知网络通过服务接入设备将感知数据回传。

服务接入设备可定制网系级的业务逻辑，用户通过该设备接入核心服务网，快速获取自己所需要的服务。服务接入设备可提供有线和无线两种方式，如果服务用户通过无线方式使用，则服务接入设备是一个代理，服务用户到服务接入通过自定义格式，服务接入往上则采用标准格式。

2.3动态频谱管理层次分析

根据各自要完成的任务，对系统级动态频谱管理系统和网系级频谱管理系统进行对比，具体如表1所示：

表1动态频谱管理的层次分析

分类 动态程度 实时性 管理范围 频谱管理 灵活性

系统级动态频谱管理 弱 弱 强

（宏观） 弱 弱

网系级频谱管理 强 强 弱

endprint

（微观） 强 强

2.4动态频谱管理系统模型

在构建动态频谱管理系统体系结构时，应充分考虑动态频谱管理需求。动态频谱管理系统模型如图2所示。

从图2可知，由不同的系统/模块构成一个闭环整体系统，实现系统级的频谱动态管理，对由频谱管理决策系统生成的频谱使用计划进行调整，进一步控制频谱态势。

3 系统级动态频谱管理

系统级的动态频谱管理是依据实时频谱感知数据，按照不同变化因素引起的频谱资源调整做出决策以适应频谱使用的变化，完成对频谱预（静态）规划后的正在实施的频谱使用方案动态维护。相对于网系级频谱管理系统，系统级动态频谱管理实施性较弱。

动态频谱管理软件系统根据频谱管理作业系统完成的频谱预规划建立共享频谱资源池。动态频谱管理软件系统在共享频谱资源池的基础上，根据引起使用变化的因素的不同、所采集到的频谱态势，对正在执行的频谱管理使用方案做评估，完成动态频谱分配和指配。频谱资源动态使用过程如图3所示：

4 网系级动态频谱管理

通过实时感知频谱电磁环境，对感知数据进行处理，根据电磁环境的变化提出动态的频谱管理使用方案。网系级的动态频谱管理应是整个频谱管理系统的管理神经末梢，能根据给定的频段/频率集、网络信息、频谱管理策略实现对频谱资源的动态管理，从而真正实现频率的自适应动态调整。

使用一种开放式的频率管理系统，通过建立大型数据仓库[5]，建立用频信息数据仓库，将用频系统的相关信息全部进行存储并给其唯一标识，减少用频时的交互开销。建立频率资源仓库，建立频谱资源池，同时包含电磁环境、地理信息、网络信息等内容，当频率使用系统提出用频需求时，能立刻根据其需要从现有的动态频谱资源池里给出相应的频率资源，同时记录下其使用的特性，方便频率资源的回收再利用。

每个用频系统采用唯一标识作为其在频率使用信息数据库里的身份标识。通过该标识可在频率使用信息数据库里查找到一切和频率使用系统相关的信息，包括设备参数信息、频率使用信息等。同时，每个频率使用系统申请频率资源时应包含其频率使用策略，同步提交频率管理系统。如图4所示：

图4网系级动态频谱管理工作原理

频率管理系统收到频率使用系统提出的频率使用申请后，可根据其标识信息在频率使用信息数据库里查找到其相关信息，转换成频率使用需求，再将频率使用需求发给频率资源信息库，若频率资源信息库能根据频率使用需求提供相应的频率资源，则将该频率使用系统可以使用的频率资源释放，同时记录下该频率的使用情况，一方面考虑该频率资源可否在其他频率使用系统的复用，另一方面则考虑该频率资源后续的回收再利用。

5 总结

通过频谱管理技术，可以完成频谱动态感知、频管信息的分发以及频率的动态调整，需着重解决传统频谱管理系统“下不去”的问题，有助于构成频谱管理的闭环。

参考文献：

[1] 沈国勤. 电磁频谱管理技术构架体系探析[J]. 中国无线电, 2006(4): 20-24.

[2] 陈东. 军事电磁频谱管理概论[M]. 北京: 解放军出版社, 2007.

[3] 姚富强,张建照,柳永祥,等. 动态频谱管理的发展现状及应对策略分析[J]. 电波科学学报, 2013(4): 794-803.

[4] Kevin Zhang, Darcy Swain, Mary Lin. Dynamic Spectrum Access Enabled DoD Net-centric Spectrum Management[C]. Orlando: IEEE MILCOM, 2007: 1-7.

[5] 王珊. 数据仓库技术与联机分析处理[M]. 北京: 科学出版社, 1999.★

作者简介

吴皓：工程师，硕士毕业于武汉大学，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要从事频谱管理等方面的研究工作。

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（微观） 强 强

2.4动态频谱管理系统模型

在构建动态频谱管理系统体系结构时，应充分考虑动态频谱管理需求。动态频谱管理系统模型如图2所示。

从图2可知，由不同的系统/模块构成一个闭环整体系统，实现系统级的频谱动态管理，对由频谱管理决策系统生成的频谱使用计划进行调整，进一步控制频谱态势。

3 系统级动态频谱管理

系统级的动态频谱管理是依据实时频谱感知数据，按照不同变化因素引起的频谱资源调整做出决策以适应频谱使用的变化，完成对频谱预（静态）规划后的正在实施的频谱使用方案动态维护。相对于网系级频谱管理系统，系统级动态频谱管理实施性较弱。

动态频谱管理软件系统根据频谱管理作业系统完成的频谱预规划建立共享频谱资源池。动态频谱管理软件系统在共享频谱资源池的基础上，根据引起使用变化的因素的不同、所采集到的频谱态势，对正在执行的频谱管理使用方案做评估，完成动态频谱分配和指配。频谱资源动态使用过程如图3所示：

4 网系级动态频谱管理

通过实时感知频谱电磁环境，对感知数据进行处理，根据电磁环境的变化提出动态的频谱管理使用方案。网系级的动态频谱管理应是整个频谱管理系统的管理神经末梢，能根据给定的频段/频率集、网络信息、频谱管理策略实现对频谱资源的动态管理，从而真正实现频率的自适应动态调整。

使用一种开放式的频率管理系统，通过建立大型数据仓库[5]，建立用频信息数据仓库，将用频系统的相关信息全部进行存储并给其唯一标识，减少用频时的交互开销。建立频率资源仓库，建立频谱资源池，同时包含电磁环境、地理信息、网络信息等内容，当频率使用系统提出用频需求时，能立刻根据其需要从现有的动态频谱资源池里给出相应的频率资源，同时记录下其使用的特性，方便频率资源的回收再利用。

每个用频系统采用唯一标识作为其在频率使用信息数据库里的身份标识。通过该标识可在频率使用信息数据库里查找到一切和频率使用系统相关的信息，包括设备参数信息、频率使用信息等。同时，每个频率使用系统申请频率资源时应包含其频率使用策略，同步提交频率管理系统。如图4所示：

图4网系级动态频谱管理工作原理

频率管理系统收到频率使用系统提出的频率使用申请后，可根据其标识信息在频率使用信息数据库里查找到其相关信息，转换成频率使用需求，再将频率使用需求发给频率资源信息库，若频率资源信息库能根据频率使用需求提供相应的频率资源，则将该频率使用系统可以使用的频率资源释放，同时记录下该频率的使用情况，一方面考虑该频率资源可否在其他频率使用系统的复用，另一方面则考虑该频率资源后续的回收再利用。

5 总结

通过频谱管理技术，可以完成频谱动态感知、频管信息的分发以及频率的动态调整，需着重解决传统频谱管理系统“下不去”的问题，有助于构成频谱管理的闭环。

参考文献：

[1] 沈国勤. 电磁频谱管理技术构架体系探析[J]. 中国无线电, 2006(4): 20-24.

[2] 陈东. 军事电磁频谱管理概论[M]. 北京: 解放军出版社, 2007.

[3] 姚富强,张建照,柳永祥,等. 动态频谱管理的发展现状及应对策略分析[J]. 电波科学学报, 2013(4): 794-803.

[4] Kevin Zhang, Darcy Swain, Mary Lin. Dynamic Spectrum Access Enabled DoD Net-centric Spectrum Management[C]. Orlando: IEEE MILCOM, 2007: 1-7.

[5] 王珊. 数据仓库技术与联机分析处理[M]. 北京: 科学出版社, 1999.★

作者简介

吴皓：工程师，硕士毕业于武汉大学，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要从事频谱管理等方面的研究工作。

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（微观） 强 强

2.4动态频谱管理系统模型

在构建动态频谱管理系统体系结构时，应充分考虑动态频谱管理需求。动态频谱管理系统模型如图2所示。

从图2可知，由不同的系统/模块构成一个闭环整体系统，实现系统级的频谱动态管理，对由频谱管理决策系统生成的频谱使用计划进行调整，进一步控制频谱态势。

3 系统级动态频谱管理

系统级的动态频谱管理是依据实时频谱感知数据，按照不同变化因素引起的频谱资源调整做出决策以适应频谱使用的变化，完成对频谱预（静态）规划后的正在实施的频谱使用方案动态维护。相对于网系级频谱管理系统，系统级动态频谱管理实施性较弱。

动态频谱管理软件系统根据频谱管理作业系统完成的频谱预规划建立共享频谱资源池。动态频谱管理软件系统在共享频谱资源池的基础上，根据引起使用变化的因素的不同、所采集到的频谱态势，对正在执行的频谱管理使用方案做评估，完成动态频谱分配和指配。频谱资源动态使用过程如图3所示：

4 网系级动态频谱管理

通过实时感知频谱电磁环境，对感知数据进行处理，根据电磁环境的变化提出动态的频谱管理使用方案。网系级的动态频谱管理应是整个频谱管理系统的管理神经末梢，能根据给定的频段/频率集、网络信息、频谱管理策略实现对频谱资源的动态管理，从而真正实现频率的自适应动态调整。

使用一种开放式的频率管理系统，通过建立大型数据仓库[5]，建立用频信息数据仓库，将用频系统的相关信息全部进行存储并给其唯一标识，减少用频时的交互开销。建立频率资源仓库，建立频谱资源池，同时包含电磁环境、地理信息、网络信息等内容，当频率使用系统提出用频需求时，能立刻根据其需要从现有的动态频谱资源池里给出相应的频率资源，同时记录下其使用的特性，方便频率资源的回收再利用。

每个用频系统采用唯一标识作为其在频率使用信息数据库里的身份标识。通过该标识可在频率使用信息数据库里查找到一切和频率使用系统相关的信息，包括设备参数信息、频率使用信息等。同时，每个频率使用系统申请频率资源时应包含其频率使用策略，同步提交频率管理系统。如图4所示：

图4网系级动态频谱管理工作原理

频率管理系统收到频率使用系统提出的频率使用申请后，可根据其标识信息在频率使用信息数据库里查找到其相关信息，转换成频率使用需求，再将频率使用需求发给频率资源信息库，若频率资源信息库能根据频率使用需求提供相应的频率资源，则将该频率使用系统可以使用的频率资源释放，同时记录下该频率的使用情况，一方面考虑该频率资源可否在其他频率使用系统的复用，另一方面则考虑该频率资源后续的回收再利用。

5 总结

通过频谱管理技术，可以完成频谱动态感知、频管信息的分发以及频率的动态调整，需着重解决传统频谱管理系统“下不去”的问题，有助于构成频谱管理的闭环。

参考文献：

[1] 沈国勤. 电磁频谱管理技术构架体系探析[J]. 中国无线电, 2006(4): 20-24.

[2] 陈东. 军事电磁频谱管理概论[M]. 北京: 解放军出版社, 2007.

[3] 姚富强,张建照,柳永祥,等. 动态频谱管理的发展现状及应对策略分析[J]. 电波科学学报, 2013(4): 794-803.

[4] Kevin Zhang, Darcy Swain, Mary Lin. Dynamic Spectrum Access Enabled DoD Net-centric Spectrum Management[C]. Orlando: IEEE MILCOM, 2007: 1-7.

[5] 王珊. 数据仓库技术与联机分析处理[M]. 北京: 科学出版社, 1999.★

作者简介

吴皓：工程师，硕士毕业于武汉大学，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要从事频谱管理等方面的研究工作。

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