基于规则的动态频谱接入研究

杜　浩，毕大平，2

（1.电子工程学院，合肥　230037；2.安徽省电子制约技术重点实验室，合肥　230037）

基于规则的动态频谱接入研究

杜浩1，毕大平1，2

（1.电子工程学院，合肥230037；2.安徽省电子制约技术重点实验室，合肥230037）

摘要：动态频谱接入面临的关键技术之一是对接入时机和方式进行有效地管控，防止由于频谱的接入使用过于灵活造成用频的干扰和混乱。将频谱接入的时间和方式给予规则上的约束和指导，基于规则构建动态频谱管理框架可以有效实现频谱的实时管控。对动态频谱接入的规则及表述方式进行了讨论，分析了基于规则的动态频谱接入过程，最后结合美军XG项目的试验结果分析了基于规则的动态频谱接入的应用前景。

关键词：动态频谱接入，规则，认知无线电，频谱管理

0　引言

当前，电磁频谱的使用管理模式面临着两个突出问题：①授权用户对于划分给自己的频段拥有唯一的使用权，这种静态管理模式造成了调度部署的迟滞；②授权用户的频段在绝大多数的时间都处于空闲状态［1］，这种低效率使用造成了频谱资源的紧张。

基于认知无线电技术的动态频谱接入为解决频谱的使用管理问题提供了有效的解决思路：认知用户周期性地扫描频谱，发现可以动态接入的空闲频段，然后认知用户在不干扰授权用户的情况下使用这些空闲频段，一旦授权用户到来，认知用户则必须退让出信道给授权用户使用［2］。动态频谱接入可以有效提高频谱的使用效率，但也面临着许多新问题：频段在空闲多久之后允许动态接入，是不是每一个空闲频段都允许动态接入，当几个无线电设备同时发现一个空闲频段时如何协调等等。通过制定明确的规则，建立基于规则的频谱管理体系，可以有效解决动态频谱接入面临的新问题，实现频谱的动态使用和管理。

1　频谱接入的规则

由于动态频谱接入时，需要综合考虑信号特性、空间环境、地理位置、传输时间、上级指令等各种类型的数据信息，数据的种类繁多，数值也会因外界因素而常常变化。设计一个优化的算法使无线电能够长时间使用空闲的频段在短期内是难以实现的［3］，为此可以选择采用基于规则的动态频谱管理框架：频谱的管理和监测机构根据某一区域、某段时间的频谱使用情况和使用需求制定出频谱使用规则，认知用户只有在满足规则时才可以接入空闲频段。规则的内容可以实时调整，无线电的接入行为受到规则的约束和规范，以规则内容的合理、灵活达到频谱使用高效、灵活的目的。

动态频谱接入的规则由若干条具体的规则共同构成，每一条规则根据频率、地理位置、传输时间等因素给出具体的要求和限制；规则有两种类型：允许类规则和禁止类规则，当规则间的内容存在冲突时，禁止类规则的优先级高于允许类规则；当规则之间的内容不存在逻辑冲突时，这些规则可以共同作用。

例如，图1所示为某片地域，该区域上建有一处基础设施，为了提高该片地域的频谱利用率同时考虑该设施对于频段的特殊使用要求，可以采用基于规则的动态频谱接入。认知用户根据探测到的空闲频段生成频谱的使用方案，频谱管理机构综合各方面因素制定出频谱动态使用的规则，如果使用方案满足规则的要求，即可实现频谱的共享。

图1　动态频谱接入的试验场地

此外，关于频谱的动态接入规则可以分类设置平时、战时、训练等不同的等级模式，不同等级下对动态接入的门限值、接入的自由度等设置不同的要求。例如战时模式下，允许军用电台使用GSM的信道，而在平时模式下，这种行为是不被允许的。在实际使用中，只要根据现实情况调出相应等级模式下的规则数据库，就可以对频谱的动态接入行为提供初步的指导，随着外界环境和使用需求的变化再针对性地写入或删除规则，即可实现对频谱的动态、高效管理。

2　规则的表述

为了让规则能够通用于各类无线电设备中，生成的规则需要规范、易识别，方便不同的设备进行查询、参照。因此，需要使用格式规范、表述清晰的描述语言。

现有的规则描述语言包括：KaOS，CoRaL，Rei，Ponder等。其中，CoRaL语言（Cognitive Radio Policy Language）是专为认知无线电设计的语言，可对频谱领域的各种规则进行有效的描述和解释，是可扩展的一阶逻辑语言，允许算法和新函数的创建［5］。美国国防部DARPA的XG项目采用的就是CoRaL语言。CoRaL语言使用Ontology进行频谱概念模型的建立，使用基于类型（types）、术语（terms）和标准（formula）等模块构成的语句对规则进行描述。

2.1概念模型的建立

首先需要对动态频谱接入进行概念上的建模和数据格式的规范，借助Ontology可以很好地实现。Ontology是一种能在语义和知识层次上描述信息系统的概念模型建模工具，具有良好的概念层次结构和对逻辑推理的支持，因而在信息检索，特别是在基于知识的检索中得到了广泛的应用［6］。

在动态频谱接入中，设备只有在无线电的参数、传输的参数要求、现实环境特点等一系列内容与要求相符之后，才能对频谱空穴进行动态接入。接入之前，设备首先会对相关信息进行查询。如何才能迅速、准确地将相关信息及时反馈给设备，这其中涉及频谱领域相关信息的组织、管理和维护问题等信息系统相关的问题。通过使用Ontology，可以在语义和知识层次上对动态频谱接入的规则进行概念上的建模和数据格式的规范。

基于Ontology的频谱管理规则的基本设计思想如下：

（1）在领域专家的帮助下，建立频谱领域的Ontology。

（2）收集所需要的空间、地域中的频谱实时使用情况的数据，并参照已建立的Ontology，把收集来的数据按规定的格式存储在元数据库中，元数据库的数据实时更新。

（3）方案生成模块发出对所需工作频段的使用请求，判决模块按照Ontology把使用请求转换成规定的格式，在Ontology的帮助下生成同意使用或者拒绝使用的信息。

（4）方案的处理结果返回给设备。

下页图2所示为美军XG项目的部分Ontology示意图，每一个方格代表一个Ontology，方格上方是相应的名称，箭头指向的Ontology需要使用箭头尾端的Ontology中的数据信息［7］。

图2　Ontology示意图

2.2CoRaL的语句结构

通过Ontology可对动态频谱接入的相应规则进行概念上的建模和数据格式的规范，而规则的具体表示需要借助描述性语言。

CoRaL语言是专为认知无线电设计的语言，共有3种基本语句：declarations语句、rules语句和use语句［8］。

declarations语句是声明语句，当用户使用自己定义的数据类型、运算符和函数时，需要首先用declarations语句进行声明。rules语句中有两种判定语句：allow语句和disallow语句。当allow if后面的条件成立时，频谱接入行为得到允许。当disallow if后面的条件成立时，频谱接入行为不被允许。当一条规则中需要使用ontology的数据库时，用use语句进行引用。

通过上述格式的语句可以将动态频谱接入的规则进行规范详尽的描述。

3　基于规则的频谱接入过程

明确了规则的内容，并通过特定的语言将规则的内容转换成规范、易识别的格式，就能够以规则为媒介，进行无线电设备的动态频谱接入。动态频谱接入有两种常见的思路，一种是中心控制，另一种是本地控制［9］。

中心控制，即频谱的使用方案由一个外部的无线电设备终端产生，再将产生的方案通过网络传输，应用于相关的无线电设备。这种体系框架可以将多个无线电设备的频谱使用方案统筹得出，方案内容通常可以最大程度地兼顾不同设备的用频需求。存在的缺点是，这种框架体系需要无线电设备将所处环境、使用需求等信息上报给终端设备，时效性差，对终端设备的依赖程度高。

本地控制，即频谱的使用方案由无线电设备自身经过动态计算，根据探测到的空闲频段，生成自己适用的频谱方案。这种方式可以根据所处环境的变化进行快速反应，可以最大程度地防止频率间的冲突、干扰，无需依赖终端设备，战场生存能力强，符合实时高效管控频谱的初衷。如美国国防部DARPA的XG项目［10］，波兰Military Communication Institute的有关项目［9］。

基于规则的动态频谱接入就是采用本地控制的思想，下面结合美国国防部DARPA的XG项目，讨论基于规则的频谱接入过程。如图3所示，XG的组成结构［12］包括：射频前端（RF）、感受器（Sensors）、系统策略推理机（SSR）和规则推理机（PR）。

图3　XG的结构

具体的工作流程是：射频前端和感受器分别将控制信息和外界的信号、电磁环境参数传输给系统策略推理机（SSR）。SSR根据接收到的信息，生成频谱的使用方案，并将方案传输给规则推理机（PR），方案获得PR允许后，无线电设备才可以依据该方案使用频谱。PR根据规则的要求对系统策略推理机的请求进行裁决，如果方案和规则的要求相符合，则发出允许指令；如果方案和规则的要求相违背，则发出拒绝指令；如果PR提供的信息不充分，无法根据规则作出裁决，则要求SSR补全传输信息以便能够作出裁决。为了提高SSR和PR之间信息沟通的效率，信息传输时可以借助规则描述性语言等工具。图4所示为基于规则的动态频谱接入流程图。

4　基于规则频谱接入的场地试验

2008年3月美国Shared Spectrum Company以四节点的认知无线电网络为框架，首次进行了基于规则的动态频谱接入的场地试验［13］。试验结果显示，基于规则的认知无线电网络能够有效避免其他信号的干扰，对于实时变化的规则能够迅速作出反应。试验表明，将基于规则的控制方式应用于认知无线电设备是可行的。

图5所示为动态频谱接入的试验效果图。试验中，根据该片地域的频谱使用要求和信号的衰减特性，规则推理机（PR）先后生成了3条使用规则。规则1：在圆形区域内，禁止频段5、6的使用，允许频段1、2、3、4的使用；规则2：在圆形区域外，禁止频段1、2、3、4的使用，允许频段5、6的使用；规则3：在所有区域内允许频段1、2、3的使用。上述3条规则共同作用，最终的动态频谱接入要求变为：认知用户在圆形区域外禁止使用频段4，允许使用频段1、2、3、5、6；在圆形区域内禁止使用频段5、6，允许使用频段1、2、3、4。系统策略推理机（SSR）的频谱使用方案只要满足上述规则即可获准使用。

图4　动态频谱接入流程图

图5　基于规则频谱接入的效果图

5　结论

频谱的使用和管理需要依据一定的规则要求。在法规政策的框架下，如果规则的内容能够根据现实环境和使用情况及时调整，准确执行，频谱使用管理的灵活性、针对性即可显著提高。相关规则的内容可以由频谱检测部门、作战指挥机构进行调整，调整后的规则需要相关设备能够迅速辨识、准确执行，只有这样才能达到灵活高效使用频谱的目的。

通过使用规则描述语言和本地控制的思想，可以使认知无线电设备的各环节间进行高效的沟通，提高了无线电的认知水平和频谱的使用效率，为频谱的管理使用提供了设计与开发的新思路。

参考文献：

［1］MCHENRY M，MCCLOSKEY D.Multiband，Multi-locationspectrum occupancy measurements［C］//Proc.Intl.Symp on Advanced Radio Tech，2006，3（7）：167-175.

［2］党建武.认知无线电技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2012.

［3］Draft Standard for Wireless Regional Area Networks Part 22：Cognitive Wireless RAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）specifications：Policies and procedures for operation in the TV Bands［R］.IEEE 802.22 Working Group，v2.08，May 2009.

［4］PERICH F，FOSTER R.Experimental field test results on feasibility of declarative spectrum management［C］//New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks.DySPAN 2008.3rd IEEE Symposium，2008：1-10.

［5］DENKER G，ELENIUS D.CoRaL-An XG policy language request for comments［R］.SRI International Tech Rep，2007.

［6］邓志鸿唐世渭.Ontology研究综述［J］.北京大学学报：自然科学版，2002，38（5）：730-738.

［7］BOKSINER J，POSHERSTNIK Y.Policy-based network management for next generation spectrum access control［C］//Military Communications conference，2012-Milcom，2012：1-6.

［8］ELENIUS D，DENKER G，STEHR M.CoRaL-Policy language and reasoning techniques for spectrum policies［J］.In Eighth IEEE International Workshop on Policies for Distributed Systems and Networks POLICY，2007：261-265.

［9］SONG Q J，HAN Y N.A centre controlled strategy for adaptive spectrum access［C］//Environmental Electromagnetics，the 2006 4th Asia-pacific conference 2006：771-774.

［10］SUCHANSKI M，KANIEWSKI P.Policy-based spectrum management architecture［C］//Communications and Information Systems Conference，2012：1-5.

［11］周来秀，邓曙光，黄卫立，等.基于马尔可夫链的动态频谱接入模型［J］.四川兵工学报，2009，30（4）：39-41.

［12］PERICH F.Dynamic spectrum management in legacy military communication systems［C］//New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks，2007.DySPAN 2007.2nd IEEE International Symposium：496-506.

［13］GRIT D，DANIEL E.A policy engine for spectrum sharing ［C］//New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks，2007.DySPAN 2007.2nd IEEE International Symposium：55-65.

中图分类号：TN925

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）04-0077-05

收稿日期：2015-03-04修回日期：2015-04-07

作者简介：杜浩（1990-），男，山东莱州人，硕士研究生。研究方向：电子对抗系统。

Analysis of Policy-based Dynamic Spectrum Access

DU Hao1，BI Da-ping1，2
（1.Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China；2.Key Laboratory of Electronic Restriction，Anhui Province，Hefei 230037，China）

Abstract：One of the most difficult tasks ahead of dynamic spectrum access is to manage the cognitive systems.Rules or"policies"must be used to control them.Policy-based dynamic spectrum access can make the spectrum real-time control effectively.This work first introduces dynamic spectrum access policy and policy languages，then analyzes procedure of the policy-based dynamic spectrum access in details.This paper ends with a short conclusion according to the experimental field test results on XG project.

Key words：dynamic spectrum access，policy，cognitive radio，spectrum management