基于认知无线电技术的动态频谱管理构想

陈 岩，唐 艳

（国家无线电监测中心，哈尔滨 150010）

电波卫士

基于认知无线电技术的动态频谱管理构想

陈 岩，唐 艳

（国家无线电监测中心，哈尔滨 150010）

本文介绍了认知无线电的感知、分配及共享等相关技术，并针对其技术特点提出了一种以无线电管理机构为感知主体，基于认知无线电技术进行统筹分配的动态频谱管理构想。

无线电管理；动态频谱管理；认知无线电

1 引言

结合认知无线电技术特点和当前频谱使用的现状，本文试图通过对认知无线电主要技术的研究，给出一种借鉴相关激励政策，以认知无线电技术思想为基础架构的无线电频谱动态接入管理机制构想。立足于现有技术水平和政策制度，方案构想希望在确保重要业务频段权益不受影响下，具有现实的可行性和后续发展的预见性，为提高频谱资源利用率提供新思路。

2 认知无线电主要技术

2.1 频谱感知

对认知无线电来说，频谱感知是一个重要的技术环节，是进行分配、共享及“归让”的基础，为保证次级用户不干扰主用户，尤其在分级认知无线电中的作用更为关键。目前，频谱感知技术可划分为发射机探测、合作探测和基于干扰的探测三种，如图1所示。

图1 频谱感知技术的分类[1]

其中，发射机探测主要基于对主用户发射机发出的信号进行探测，从而判断某一频段是否被使用；合作探测是一种为克服主用户信息不透明而提出的一种对多个感知用户探测信息进行融合来探测主用户的方式；基于干扰的探测是通过对主用户接收机附近的无线射频环境进行干扰温度探测以达到避免感知用户发射对主用户造成干扰的方法。

2.2 频谱分配和共享

频谱分配和共享所要解决的是在明确了空闲信道存在的前提下，以何种方式、何时接入才不会对主用户和其他感知用户造成使用冲突的问题。以下对在频谱分配和共享方面涉及到的几项重要技术做如下介绍：

2.2.1 资源分配和功率控制

为避免感知用户对主用户的干扰，在认知无线电网络里提出了多种资源分配和功率控制的应用场景方案，这里主要介绍四种[2]：

（1）单载波单天线系统，主要针对点对点的单天线系统应用场景，确保感知用户发射对主用户的干扰限制（IPC）在一定的阈值以下。

（2）多载波或多信道系统，这种应用场景下，需要从整个频段/信道抑或分别从每个子频段/子信道考虑由感知用户对主用户产生的干扰。

（3）多天线系统，多数研究致力于共同优化功率分配和波束形成。

（4）多跳系统，在中继系统中，所有中继节点对主用户接收机的影响也应被考虑。

2.2.2 频谱共享博弈

在认知无线电网络中，利用博弈论的模型，可以对感知用户竞争频谱资源以最大化其各自的频段利用率进行分析，同时也适用于对主用户和感知用户试图最大化各自利益的行为进行研究。

从博弈论的角度，所有感知用户通过控制其各自的发射功率来实现利用率最大化的活动就可以视为一种分布式博弈，当这种博弈达到纳什均衡，CR网络就发挥了最大的工作效能。在公平的限制约束下，对上行多用户CR系统应用非合作式功率控制博弈可获得能量效率的最大化。

2.2.3 频谱决策

当有多个空闲频带可用时，CR网络为感知用户选取最佳频带的过程称之为频谱决策。与通常意义上针对短时、快变而设计的频谱共享相比，频谱决策更关注长期的信道特性。一般而言，频谱决策包含两个步骤：信道特性分析和频谱分配，对诸如路径损耗、链路损失、连接延迟等信道特性，可通过感知用户探测以及主用户统计信息来获取，然后将最适宜的频带分配给每个子用户。

2.2.4 频谱“传递”

在感知用户进行信号发射时，授权频段的主用户可能会出现，这时，感知用户就需要停止发射，腾出信道并寻找其他信道继续发射，这一过程频谱“传递”。当感知用户改变其频谱，那么发射就将暂停，从而对业务性能构成影响，那么为保证平稳、快速地转换，就需要建立一个好的频谱“传递”机制。一种合适的减轻延迟效应的做法是为频谱“传递”保留一定数量的子频带，这样在必要时，感知用户可以立即接入预留频段。还有一种方式是在主用户出现前释放占用信道，当然对于随机接入系统而言，这是一种很理想化的模式，因为在对主用户行为进行预测时会存在较大的挑战。

另外，为获得可靠的连续发射条件，感知用户也可以选择归属于不同主用户的频带。这样的话，即使一个主用户消失，感知用户还可以选择在其他频带进行发射。

3 方案构想

之前在介绍认知无线电关键技术时，感知用户即为有频段使用诉求的主体。这里，我们将转换角度，把无线电监测管理机构作为感知主体，这样在实现过程中将突破一些原有的技术限制，对认知无线电技术的应用推广具有积极的促进作用。方案构想的基本框架如图2所示。以监测机构为系统构建核心，对共享认知频段和分级认知频段实施实时监测，将空闲频谱“注入”频谱共享池，经过统筹调配再分配给请求接入的用户。

图2 方案设想架构图

3.1 划定认知频段及用户权限

经过实际监测，根据相关频段的占用情况确定可以作为认知共享的频段，此外，对授权频段还可以通过政策激励的方式，争取授权用户对所占用频段进行租赁并制定租赁使用协议以确保各方利益。将上述方式获得的认知频段可以称为开放式共享认知频段和分级使用式认知频段。另外，对于开放式共享的认知频段也应对所有的认知用户权限进行界定，建议可以依照业务特殊性或竞拍等方式给予有特殊要求的用户以更高的使用权限。

3.2 分级使用方式中对主用户的频谱感知

在之前提到的感知技术中，匹配滤波探测由于在实现过程中需要掌握较多主用户先验信息而成为其应用的障碍。在这里，我们如果以监测机构为感知主体，作为一个管理调度的第三方，就可以明确掌握主用户的发射参数和位置等信息，可以通过发射机前端探测、接收机干扰探测等实时监测方式准确判断信道是否可用，并将决策信息发送给请求接入的次级用户。应当说由于感知主体的转变，频谱感知存在的技术障碍得到了改善。

3.3 频谱共享池的构建

监测管理机构可以通过构建频谱共享池来实现感知用户使用频段的切换，其概念类似于一个动态频率数据库，通过实时监测共享式认知频段和分级使用频段的使用情况，及时将出现的空闲信道“注入”频谱共享池，作为分配调度和切换使用的备选频段，其作用既能保证感知用户的业务使用不受中断又保证了主用户在恢复使用频段时不受干扰，避免频谱“传递”对用户使用造成的不利影响。这种工作模式属于统筹统分，便于实现认知无线电网络整体性能的最大化。

3.4 认知用户使用规则的确立

对于开放式共享认知频段的使用，所有的感知用户拥有平等接入的权力。然而，为避免接入“拥塞”的发生，需要建立起一套接入秩序，监测管理机构可以先从技术实现的角度使适合接入的用户先行使用，这里管理机构扮演着“交通指挥”的角色。此外，对具备相似接入条件的用户，则可以借鉴频谱拍卖的机制，给予有更为强烈接入需求的用户以一定的特权（优先接入权、时限使用权等），根据优先权级别将频段分配给更高级的用户。还有就是针对分级式认知频段，也应建立使用规则，确保主用户的使用不受干扰，可以遵照主用户意愿制定频谱租赁协议，对租赁方式（时长、接入条件等）、归还方式都形成明确规定。

4 结束语

随着认知无线电技术应用的成熟，感知用户个体将具备可靠的独立感知技术能力。届时，这种以监测管理机构为感知主体的“统收统分”机制还可以作为一套专门的监管系统，为处理日后可能发生的认知无线电用户间干扰提供有力的监督保障。美国陆军野战频谱管理条令中有一句经典名言“频谱和子弹一样重要”，在移动宽带急剧发展的今天，要充分认识到频谱资源的闲置与土地资源的闲置一样，会产生昂贵的经济发展机会成本[3]。作为无线电技术管理者，应开阔视野、创新思路，实现我国频谱管理的跨越式发展，促进频谱的高效利用，推进无线电管理事业对经济建设的服务。

[1] 周小飞，张宏纲．认知无线电原理及应用．北京：北京邮电大学出版社，2006（2008.5重印）

[2] Lu Lu,Xiangwei Zhou,Uzoma Onunkwo,Geoff-rey Ye Li,Ten years of research in spectrum sens-ing and sharing in cognitive radio[J],EURASIP Journal on Wireless Communication and Net-working 2012,2012:28

[3] 金耀星．创新管理方式 解决频谱供需矛盾．人民邮电报，2013.1

Concept of Dynamic Spectrum Management Based on Cognitive Radio

Chen Yan,Tang Yan
(The State Radio Monitoring Center,Harbin,150010)

The article introduces the techniques such as spectrum sensing ,allocation and sharing belonged to Cognitive Radio.And base on CR (Cognitive Radio),proposing a plan as a whole- concept of Dynamic spectrum management ,which from the angle of the radio control agency.

radio management;Dynamic spectrum management;CR（Cognitive Radio）

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.05.020

TN014 文献标示码：A

1672-7274（2016）05-0063-03

陈 岩，男，1985年生，硕士学位，毕业于哈尔滨工业大学信息与通信工程专业，现就职于国家无线电监测中心哈尔滨监测站，主要从事无线电波监测及相关技术研究工作。

唐 艳，女，1987年生，硕士学位，毕业于北京交通大学通信与信息系统专业，现就职于国家无线电监测中心哈尔滨监测站，主要从事无线电波监测及相关技术研究工作。