动态频谱资源共享（通用7篇）
动态频谱资源共享 篇1
摘要：提出了一种基于中继协作的动态频谱共享的算法系统模型与协议内容, 分别得出了在该模型下的主用户与认知用户的中断概率闭式解, 并且根据主用户中断概率闭式解设计了认知用户子载波比例分配依据;最后通过仿真结果验证了理论分析的正确性和协议的有效性, 在该协作频谱共享可以满足认知用户频谱接入的同时, 可以有效降低主用户的中断概率, 此外, 可以看到本文提出的算法有效的避免了主用户性能“溢出”的问题。
关键词：中继协作,动态频谱共享,算法
0 引言
认知无线网络频谱动态高效利用主要研究认知用户根据主用户系统的通信状态, 以及在Overlay和Underlay两种方式下, 调整其自身的通信参数, 以避免对主用户的干扰。文献[1]提出改变认知用户的被动地位, 使其以中继协作方式主动参与主用户的通信, 通过以自身无线资源中继协作主用户传输, 以换取主用户共享其频谱的机会。其本质是认知用户利用中继协作技术带来的分集增益补偿主用户因为共享其频谱可能带来的性能损失。相比起传统的频谱共享机制研究, 这种思路使认知用户以酬劳方式与认知用户共享其授权频谱, 符合频谱资源的价值特征, 为无线频谱动态高效利用提供了一条可行的产业化思路, 因此为广大研究人员所关注。
该领域目前的研究主要集中在两个方面:1认知用户以何种无线资源 (时隙[1,2]、功率[3]、多天线等) 协作主用户;2选择合适的主用户性能标准作为认知用户协作共享频谱算法的参数选择依据。
本文提出了一种基于子载波比例分配的协作式动态频谱共享机制, 利用中断概率往往被用来作为衡量协作式频谱共享策略与算法的性能标准, 相比已有研究, 避免了功率协作[3]下主用户中断概率性能提升的“溢出”。
1 基于子载波比例分配的协作式动态频谱共享机制
1.1系统模型与协作式动态频谱共享机制
本文应用场景如下图1所示, 主用户由一对源节点发信机 (PT) 和目的节点接收机 (PR) 组成, 系统工作在主用户授权频谱, 并且支持中继协作传输功能。认知用户由一对认知源节点发信机 (ST) 和认知目的节点接收机 (SD) 构成。认知系统没有专属的频谱分配, 只能够以频谱共享的方式工作在主用户授权频谱, 作为主用户共享其授权频谱的代价, 认知用户源节点需要作为主用户中继节点, 为其协作传输。假设主用户授权频谱被分为单位带宽的N个子载波, 并且主用户与认知用户均能够以正 交载波复 用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 的方式工作 , 用户的传输数据被分为若干比特流 , 分别在各子载波上传输。
本文采用两周期阶段中继方式, 即系统的每个传输周期被分为两个时隙, 在第一个时隙, PT在N个子载波上广播主用户信号, 该广播信号能够被PR, ST和SD分别收到。若ST能够成功解码, 且满足Pr (R2>Rpth) , 则在第二个时隙 , ST将N个子载波分为两部分 , 即N=Np+Ns, 其中在Np个子载波上, 以DF中继方式转发主用户信号至PR节点;并在Ns个子载波上传输自身认知信息。
PT———主用户发信机;PR———主用户接收机;di———无线链路i的归一化距离;ST———认知用户发信机;SD———认知用户目的节点接收机
1.2主用户与认知用户的中断概率分析
根据系统模型, 在子载波k上, 从节点a发射至节点b的信号为下式 (1) :
进一步得出本文基于子载波比例分配的协作式动态频谱共享机制步骤如下:
1) 第一步 :系统工作周期分为两个时隙 ; 在第一个时隙 , PT在所有N个子载波上广播其数据, PR和中继节点ST收到该广播数据并解码。
3) 第三步 :在第二个时隙 , 认知节点ST在Np个子载波上中继传输PT的数据给PR;并在Ns个子载波上中继传输自身的认知信息给SD。
2 仿真结果与分析
图2将本文提出的协作式频谱共享机制与文献[3]中的功率比例分配的协作频谱共享机制进行了比较。由仿真结果可以看出, 文献[3]的机制中认知用户以其功率资源为主用户中继协作, 然而当功率比例值增大至α≥0.75时, 主用户中断概率将不会继续减小, 即产生“溢出”现象, 协作将不再有意义。因此, 对于[3]的机制, 可协作的区域只有0.68≤α≤0.75;对于本文提出的机制, 用于中继主用户信息的认知子载波比例为β。与[3]的机制类似, 主用户的中断概率会随比例β的增大而一直减小, 但是, 本文的机制并不会产生“溢出”现象, 可以将主用户的中断概率优化至10-4以下。
图3和图4仿真了本文提出的机制在不同PT→ST (d2) 距离条件下, 主用户与认知用户的中断概率情况。可以看出, 在d2=0.5时 , PT→ST链路距离较近 , 可协作条件更好 , 因此在相同的认知子载波数目下, 本文机制的主用户性能能够得到更多的提升, 可以使认知用户分到更多的子载波来传输自身性能。
3 总结
本文提出了一种基于认知子载波比例分配的协作式动态频谱共享机制。通过认知用户基于子载波方式中继协作主用户传输, 在满足了认知用户自身传输的需求的基础上降低了主用户的中断概率, 另一方面。仿真结果显示, 本文提出的算法不仅在提升主用户性能方面 (降低主用户中断概率) 优于传统的功率比例方法, 而且有效抑制了功率比例方法中的主用户中断概率性能的“溢出”现象。
参考文献
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动态频谱接入技术综述 篇2
随着无线通信技术的飞速发展, 原本有限的无线频谱资源被划分给越来越多的用频用户, 致使用户可用的频谱资源日渐紧张。频谱紧缺的局面正是由传统的频谱分配方法所导致的, 传统的静态频谱分配模式将频段固定分配给用频用户, 只有被授予频谱使用权的用户才可以使用, 频谱利用率有待提高。动态频谱接入技术通过灵活利用授权用户空闲的频谱空穴, 使认知用户伺机分配到所需的频谱资源, 使频谱资源在时域和空域上得到充分利用, 提高了频谱利用率。
动态频谱接入研究现状
国外研究现状
现有动态频谱接入技术研究针对不同的研究目标, 提出了不同的研究方法。本文将多种技术通过抗干扰、提高频谱利用率、吞吐量最大化、公平性、延时性、能耗最小化、网络连通性这七个方面进行归类, 分别介绍新技术的特点, 并分析其优缺点。
1) 抗干扰
抗干扰指在有干扰的电磁环境中保障通信质量, 研究方法有:a) 2003年FCC推荐了干扰温度模型, 该方法通过制定干扰温度门限, 达到复杂电磁环境抗干扰的目的;b) A.Hoang和Y.Liang利用干扰图的方法来捕捉一对通信节点之间的是否存在干扰, 当动态干扰图上出现两个节点相连式, 可判定存在干扰情况;c) A.Hoang等利用信噪比的大小作为判断依据, 当信噪比值大于门限值时, 则判定可以正常通信, 该方法的缺点是当信噪比大于等于门限值与安全余量之和时才允许传送信息。
2) 提高频谱利用率
提高频谱利用率指将频谱最大限度地分配给认知用户, 研究方法有:a) X.Li等定义频谱效率为数据速率和信道带宽的比值, 通过最大化每个节点的发射功率以达到提高频谱利用率的目的, 该方法的缺点是会导致网络中更多的干扰;b) S.Byun等提出尽可能公平分配空闲频谱的方法, 但公平的方式并不总是达到最大化频谱利用率;c) L.Yu等提出最大化总的频谱利用率并最大化瓶颈用户的频谱利用率的方法。
3) 吞吐量最大化
吞吐量最大化指最大化网络或者单个节点的吞吐量, 研究方法有:a) X.Mao等采用节点为不合作方式的分布式频谱分配算法, 缺点是会导致在访问信道出现争用或者导致不公平;b) J.Wang等将所有节点总的吞吐量作为目标, 并可采用分布式或者集中式频谱分配算法以最大限度提高网络性能, 但缺点是会导致不公平, 使得一些节点无法传输信息;c) T.Kim等针对OFDMA认知无线网络, 通过认知节点从主用户网络借上行链路子载波上数据传输的最大化以实现吞吐量最大化。
4) 公平性
提高认知用户之间的公平性, 可以避免频谱分配的不公平现象, 研究方法有:a) S.Byun等利用集中式方法最大化每个认知用户的最小平均吞吐量, 但它没考虑高需求量应用用户的最低吞吐量的要求;b) Y.Ge等提出协同最大比例公平方法, 将认知用户根据的服务质量或不同吞吐量需求进行分组, 解决最低吞吐量的问题。
5) 延时性
延时的研究分为端到端延迟和切换延迟两种, 路由结合的频谱分配中通常需要考虑端到端延迟, 切换延迟时间是认知用户从一个频谱切换到另一个频谱的时间, 另外在切换过程中, 认知网络的发送或接收中断, 会导致在数据传输的额外延迟, 其研究方法有:a) G.Cheng通过合理的给节点分配频谱以使得路由内累积的延迟 (节点延迟与路径延迟之和) 最低;b) W.Lee提出了一个频谱决策框架, 考虑了切换延迟因素, 其目标是找到一个频谱分配方法, 将认知用户的归一化容量的总和最大化, 缺点是它使用固定宽度的频谱带, 与实际多数情况不相符;c) J.Wang提出了累积干扰和切换延迟最小化的度量, 允许权衡不同的干扰和切换延迟之间的权重, 在每一跳上分配信道和路径, 存在的问题是该方法只考虑了信道切换次数, 而不是在该路径上数据流的切换时延。
6) 能耗最小化
最小化认知用户能量消耗可以最大限度地提高总容量和最小化系统的总功耗, 研究方法有:a) S.Gao等, 提出了一个分布式频谱选择和功率分配算法, 并提出了一种分布式能量有效性频谱接入方案, 目的是最小化在所有子载波上每个比特的能量消耗, 因此目标就转换为找到次用户可选择的最佳信道数, 在保证其数据速率的要求时采用发送最小功率;b) L.Yu等提出了一种认知无线电Ad Hoc网络能量有效性频谱分配的方法, 利用信道最小化发射功率的思想, 将能量有效性问题转化为一个功率控制和信道优化相联合的问题;c) X.Li从能量有效性的角度研究了认知无线传感器网络中的信道分配问题, 提出了一种预测剩余能量的系数的方法, 但该算法并未考虑优于节点感知频谱所消耗的能量。
7) 网络连通性
为了保证用户服务质量 (Qo S) , 保持网络连通性至关重要。影响网络连通性的要素主要有通信链路使用频率、发射功率、节点距离和认知用户间干扰。针对网络连通性的研究方法有:a) A.Abbagnale等针对认知无线电Ad Hoc网络连通性的研究, 提出节点的距离、发射功率和频率选择会对网络连通性产生影响;2) Y.Li等利用图形着色规则, 提出认知用户之间的干扰对CRAHNs连通性有很大影响;b) M.Ahmadi和J.Pan建立了一个网络图, 以显示网络流量和认知用户之间的连接, 将信道分配给认知用户, 并最大限度地降低网络内的干扰。
国内研究现状
近年来国内也不断深入在动态频谱接入方面的研究, 针对不同的动态频谱接入研究目标, 提出了不同的研究策略。
以减小认知用户之间频谱共享时的干扰为目的, 贾蕴提出了认知无线电动态频谱接入的竞争与干扰规避策略, 减少认知用户的信道切换次数, 提高网络的稳定性。以能耗最小化为目的, 张旭等人提出了基于排队论的集中式频谱分配策略, 以授权和认知用户共存的复杂网络环境为背景, 基于排队论模型, 提出了一种效率高、能耗低的集中式频谱分配方案。以实现对认知网络的功率控制为目的, 张龙等人提出基于微分博弈的分布式非合作功率控制算法, 提出了一种认知网络的分布式动态功率控制方案, 控制平均功率门限, 提高认知用户通信质量。以提高认知用户吞吐率为目的, 彭晓东等人提出了一种鲁棒机会频谱接入策略, 较好的利用优质信道机会, 提高认知用户的吞吐率。
总结
本文简要介绍了国内外动态频谱接入技术的研究情况, 根据研究目标的不同将研究方法归纳分类, 并分析了各种研究方法的优缺点。可以看出, 动态频谱接入技术可以采用接近实时的频谱管理方式, 灵活分配频谱资源, 以适应不断改变的电磁频谱环境。但是现有研究方法仍存在不同程度的局限性, 因此进一步开展动态频谱接入技术研究具有较强的现实意义和应用价值。
动态频谱资源共享 篇3
本文用博弈论方法解决认知无线电网络中的动态频谱分配问题,将次用户的频谱分配模型转换为相应的博弈论模型,在完全信息和不完全信息环境下,分别用静态博弈和动态博弈对次用户的频谱分配进行分析,并考虑了频谱可置换参数v对次用户纳什均衡以及动态博弈稳定性的影响,最后给出改进博弈模型的仿真分析结果。
1 系统模型
1.1 认知网络模型
在认知网络中,认知用户能够伺机利用授权用户的空闲频谱。当授权用户重新占用该频谱时,认知用户需要切换到其他授权用户的空闲频谱上进行通信。文中考虑有M个授权用户和N个次用户的模型,每个授权用户拥有一个授权频谱,授权用户的频谱占用情况会随着时间及其空间变化而发生变化。次用户的行为是自私、理性的,次用户为了最大化自己的效用相互竞争并最终达到纳什均衡。纳什均衡点即为次用户的最佳频谱分配结果。如图1所示,基站把所有主用户的空闲频谱汇聚成一个频谱池,将频谱池中的频谱划分为若干个子信道,子信道是频谱分配的基本单位。主用户以每单位带宽价格p向次用户收费,p是频谱价格函数,与主用户提供的频谱数量以及次用户的频谱需求数量有关。
1.2 无线传输模型
通过采用自适应调制编码(AMC)技术,次用户可以根据信道质量情况动态调整传输速率从而适应周围的环境。采用正交幅度调制技术(如4-QAM和16-QAM),在单输入单输出高斯信道噪声中误码率可以近似为:。γ表示接收机信噪比,k为所用调制方式的频带利用率。不失一般性,设频带利用率为非负实数。为了满足特定的应用需求,BER需要维持在一个目标水平(即目标误码率BERtar),次用户i频谱传输效率为:ki=log2(1+Kγ)。其中K为一个常数,。
2 频谱分配的博弈模型
首先假定所有次用户都知道其他次用户在博弈中所采取的策略以及各自的效用函数信息,并用静态博弈模型分析次用户的行为。然而,由于在实际的认知无线电网络中,次用户并不知道或只知道一部分次用户的策略和效用信息,次用户需要不断调整自己的策略从而使自身的策略达到最优,因此,用动态博弈模型对次用户的策略调整行为进行分析。
2.1 静态博弈
在上面的系统模型中,博弈的参与者是次用户,策略是次用户的频谱请求大小,用bi表示,每个策略用户的效用函数与它所获得的总收益以及成本有关,用Ui表示。对参考文献[9]中的频谱价格函数进行改进,在主用户对频谱价格满意的基础上,考虑了频谱价格受到频谱供需关系的影响,即与主用户空闲频谱的数量以及次用户的频谱需求相关。频谱价格函数为:
其中,w为主用户单位频谱的成本价格,N为次用户的数量;M为主用户的数量;τ为非负常数,当τ叟1时,频谱价格函数是凸的;bi为次用户i的频谱请求;qj为主用户j的空闲频谱。
次用户的效用函数选择不是唯一的,本文要保证频谱分配算法能够达到均衡收敛。根据参考文献[10]中给出的二次效用函数做出适当修改如下:
将价格函数p代入上式得:
其中,ri为次用户i单位传输速率获得的收益,ki为次用户i的频谱传输效率,B为所有次用户的策略集合,B={b1,b2,…,bN},c为一常量。
效用函数中考虑了频谱置换参数v,v∈(-1,1)。当v=0时,次用户不能发生切换;当v=1时,次用户可以在工作频段自由切换;当v<0时,次用户共享的频谱是互补的,即当一个次用户使用一段频谱时,它需要同时购买一个或多个额外的频谱(也就是说,一段频谱用于上行链路传输,另一段用于下行链路传输,这些频谱可能来自同一个主用户或不同主用户的频谱)。
根据式(3)中得到的效用函数,将次用户i的效用函数对bi求偏导,即可得到次用户i的边缘收益函数:
令边缘收益函数等于0,即可求得次用户i的最佳响应函数为:
B-i表示除次用户i之外所有次用户的策略集合,当且仅当bi*=BRi(B*-i),∀i,次用户的博弈达到纳什均衡,纳什均衡解为B*={b1*,b2*,…,bN*),B*-i表示除次用户i之外所有次用户的最佳策略组结合。
2.2 动态博弈
由于在实际的认知无线电环境中,次用户只能观察到主用户的频谱定价信息,并不知道其他次用户所采取的策略以及它们的效用信息,所以每个次用户只能根据历史博弈信息选择自己的策略。这意味着,次用户采用分布式算法动态调整自己的频谱请求大小并最终达到纳什均衡。在这种不完全信息的情况下,次用户需要不断调整自己的策略从而使得自身的策略达到最优。次用户的频谱请求可以用动态博弈来描述:
其中,bi(t)为次用户i在时刻t的频谱请求,αi为次用户i的速率调整参数(即学习速率)。当bi(t+1)=bi(t)时,次用户的动态博弈达到均衡,此时,次用户的策略不再发生变化。
2.3 动态博弈的稳定性分析
在动态博弈算法中,次用户之间的博弈最终将达到纳什均衡,纳什均衡的稳定性与学习速率αi有关。通过使用雅克比矩阵和本征值的概念,可以研究文中提出的动态博弈算法的稳定性。当所有的本征值(λi)都位于单位圆内时(|λi|<1),博弈的结果是稳定的。
雅克比矩阵定义如下:
假定有两个次用户存在的情况下,通过求解下面方程得到雅克比矩阵的本征值:
因此有:
3 仿真分析
文中假设在一个认知无线电系统中有4个空闲的主用户频谱和多个次用户,每个主用户拥有的频谱为6 MHz。主用户单位频谱的成本价格w为5,目标误码率BERtar为10-4,采用线性定价,参数τ设置为1,c为0.5,次用户每单位传输速率所获得收益为ri=10,坌i。
3.1 次用户的最佳响应以及纳什均衡
图2是两个次用户的最佳响应函数曲线,一个次用户的最佳响应是其他次用户策略的线性函数,纳什均衡点位于次用户最佳响应函数曲线的交叉点。
图中纳什均衡点的位置与信道质量有关,信道质量越好,次用户的效用越大,频谱需求也越大。由于次用户之间是自私的并相互竞争频谱,所以,一个次用户的信道质量的好坏会影响其他次用户的策略。当一个次用户的信道质量变好时,它希望得到的频谱更多。而在实际的认知无线电系统中,主用户的空闲频谱是有限且随时间发生变化的,所以,次用户之间的频谱竞争会更加激烈从而影响它们所采取的策略。
3.2 次用户的效用
图3中显示了在次用户1的信道质量一定的情况下,次用户1和次用户2的效用与次用户2的信道质量相关,随着次用户2的信噪比不断增加,次用户2的信道质量越好得到的频谱会越多,因此次用户的收益会随着次用户2的信噪比的增加而增加。由于次用户1与次用户2之间是竞争的关系,次用户2得到的频谱越多,次用户1得到的频谱相应就会减小,因此,次用户1的收益会随着次用户2信噪比的增加而随之减小。
3.3 次用户的动态博弈
在实际的认知无线电中,由于次用户的策略和效用等信息相互之间不知晓,次用户根据历史博弈信息动态调整自己的策略并最终收敛到纳什均衡。图4显示了次用户策略的动态调整过程。从图中可以看出,动态博弈算法的收敛性与学习速率αi有关,设置合适的学习速率可以使博弈快速收敛到纳什均衡,当学习速率过大时,次用户的策略波动很大,甚至不能达到纳什均衡。当α1=α2=0.15时,次用户1和次用户2的策略能够较快地收敛到纳什均衡,而当α1=α2=0.22时,次用户1和次用户2的策略一直上下波动,不能较快收敛到纳什均衡。图5显示了多个次用户存在时动态博弈的收敛情况,可以得出,当次用户的数量增加时,每个次用户得到的频谱数量减少,博弈达到收敛的时间随之增加。
图6和图7分别从频谱利用率和次用户收敛到纳什均衡的时间与参考文献[9]的博弈算法进行比较,不难得出,本文提出的算法的频谱利用率高于参考文献[9]中的算法,并且能够更快收敛到纳什均衡。这里的频谱利用率定义为认知无线电系统中所有次用户得到的总频谱与所有主用户的空闲频谱之比。
3.4 次用户动态博弈的稳定区间
根据式(7)中得到的雅克比矩阵本征值,可以得到α1与α2之间的关系。从图8中可知频谱置换型参数ν对稳定区域的影响:ν值越大,次用户动态博弈的稳定区间越小,稳定区域指的是α1与α2之间的关系曲线和坐标轴之间所围成的区间。图9显示了稳定区间还与信道质量有关,信道质量越好,稳定区域会越小。当α1与α2在稳(上接第105页)定区间内取值时,次用户间的频谱共享是稳定的并最终可以达到纳什均衡,而在区间外取值时,次用户的策略会上下波动进而导致无法收敛到纳什均衡。
文中提出了一种改进的基于博弈论的动态频谱分配方案,考虑了存在多个主用户和次用户共享频谱的情形,在保证不对主用户产生干扰的前提下,利用Courno博弈模型对次用户间的竞争频谱行为进行了分析。改进了现有的频谱定价函数,并在次用户的效用函数中考虑了频谱置换参数v。最后分别用静态博弈和动态博弈分析了次用户的频谱分配行为。通过仿真验证证明,次用户的策略能较快收敛到纳什均衡,并且频谱利用率有一定的提高。
摘要：提出了一种改进的动态频谱分配博弈模型,对现有的频谱定价函数进行改进,在授权用户对单位频谱价格满意的条件下,频谱价格与授权用户提供带宽数量和次用户的频谱需求数量有关。此外,在次用户的效用函数中,考虑了频谱置换参数,并分析了置换参数和信道质量对次用户动态博弈以及次用户达到纳什均衡的影响。最后,分别用静态博弈和动态博弈分析了次用户之间的竞争频谱行为,并通过仿真验证,次用户的策略最终可以收敛到纳什均衡。
关键词：认知无线电,动态频谱分配,博弈论,纳什均衡
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动态频谱资源共享 篇4
我国对电磁频谱管理制度和技术方面的研究起步较晚, 军地需求相互交织, 且需求急剧上升, 矛盾凸显;部队使用的装备工作频谱时有重叠, 难免出现相互干扰, 导致频谱冲突现象严重。如何有效解决日益扩大的电磁频谱需求与频谱资源有限间的矛盾, 以及如何在复杂的电磁环境下提供合理高效的频谱服务, 关系到军事斗争中作战指挥是否畅通、装备效能能否充分发挥, 进而影响战争最终的胜负。
2 电磁频谱服务概述
2.1 电磁频谱服务的概念
电磁频谱是把电磁波按波长或者频率排列起来所形成的谱系[1], 即无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等电磁波所占用的不同频率范围构成波谱系。
2.2 电磁频谱服务的基本内容
电磁频谱服务的主要内容包括三项, 分别为:用频配置、访问控制及频谱调度。
3 电磁频谱服务存在的主要问题
3.1 电磁环境复杂, 频谱服务的实时性、动态性要求较高
在装备数量众多, 电磁环境复杂的情况下, 既要保证无线电通信畅通安全, 又要对广频域上的信号进行侦测识别, 做到可感知可管理, 因此, 对电磁频谱服务的实时性、动态性提出了较高要求。
3.2 军民用设备间相互干扰严重, 缺乏统一协调调度
当前, 供部队训练和执行任务时专用的电磁频谱资源十分有限, 而用频装备在各军队部门内分布广泛, 频谱服务协调难度大, 自干扰互干扰问题多。并且, 由于部分装备在生产时就未向频谱服务机构申报, 存在与民用设备竞争资源的问题, 更加增大了频谱调度的难度。
4 复杂电磁环境下的动态电磁频谱服务
4.1 动态电磁频谱服务
目前, 电磁频谱服务多采用静态固定的服务方式, 它适合于需求量较小的情况, 而武警部队执行任务常处于频谱高度密集且需求变换频繁的城市区域, 固定频谱服务利用率低下, 服务质量难以满足实际需求。
动态电磁频谱服务根据业务变化, 实时动态提供电磁频谱服务, 通过共享的方式增强服务效率和质量。在电磁频谱资源相对有限的条件下, 通过对电磁频谱进行预先感知探测, 实时监控, 实时配置电磁频谱, 为己方提供高效可靠地电磁频谱服务。
动态电磁频谱服务系统, 包括频率管理、设备工作计划、电磁干扰分析、频率选配、文件生成等模块和频率资源、无线电台站资料、设备参数、地形地貌等数据库, 及触发、跳频、匿影等控制子系统[4]。可实时监测和显示频谱使用情况, 实时分析设备之间的电磁兼容状况, 实时服务无线电子信息设备。
4.2 动态电磁频谱服务总体架构
本文构建的动态电磁频谱服务总体架构主要包括以下部分:
4.2.1 全时域电磁频谱监测分析系统。
获得战场电磁频谱态势是提供电磁频谱服务的基础性工作, 电磁频谱监测子系统采集的数据的完整性准确性直接关系频谱服务方案的合理程度与有效性。
4.2.2 完善的频谱管控行政法规和制度。
在频谱管理机构的领导下, 制定合理、有力的行政管理制度, 包括设立方向、确定标准及有线频谱技术投资的结构与流程。及时为电磁频谱服务的新领域新对象制定相关管理条例和技术标准, 并注重解决法规制度的融合性问题。
4.2.3 利用新兴技术开发更多的可用频谱资源。
如采用频域、时域和空域复用的方法增加频谱资源的共享能力, 利用压缩编码、自适应编码调制、分集技术、扩频传输、认知无线电等高级信号处理技术来提高频谱资源的利用率。
4.2.4 建立电磁频谱基本数据库。
电磁频谱基本数据库是动态电磁频谱服务的中心, 准确、完备、共享性强的频谱数据库、民用频谱数据库等基础数据库是实现动态频谱划分、高效的用频协调、科学的频管系统的保障, 应对已配发的装备开展深入细致的用频普查, 对在研装备做好用频参数检测和登记, 建设完善的频谱资源信息、用频装备信息、用频台站信息、电磁环境信息等基础数据库, 为频谱服务各项工作的开展提供依据。
4.2.5 以数据为中心的动态电磁频谱服务子系统。
其工作流程为:装备投入使用前统一向频谱服务系统提交用频需求, 频谱访问控制模块查询基础数据库, 将符合条件的用频申请提交给频谱调度模块, 用频调度通过算法来为设备创建、修改、更新和删除永久性或临时性频谱指配或建议, 频谱调度算法负责控制自扰互扰, 解决频谱兼容性问题, 提供最大效率的频谱复用, 实现频谱的动态分发。同时, 对外提供应用服务接口, 为电磁对抗、效能评估、频率协调和信息共享等提供查询。
4.3 动态电磁频谱服务系统设计
动态电磁频谱服务系主要包括物理层、逻辑层、应用层三个层面。
4.3.1 物理层。
物理层由电磁频谱数据库、电磁频谱感知网、电磁频谱监测网等模块组成, 每个模块负责进行相应频谱资源的监测分析, 并将频谱资源监测结果上传给逻辑层中相应模块, 并负责响应来自逻辑层的指令。
4.3.2 逻辑层。
逻辑层位于电磁频谱服务系统的核心位置, 包括频谱注册、频谱认证、频谱搜索、频谱调度、频谱分发、频谱管控和用户管理等功能, 最终实现安全、高效、可靠的频谱服务。
4.3.3 应用层。
应用层主要实现频谱信息向各级电磁频谱用户、电磁频谱服务机构提供友好的操作界面, 依靠一个一体化的智能信息服务平台模型, 该模型以电磁频谱数据库位基础, 通过网络构建电磁频谱资源服务模型, 最终用户通过应用系统访问所需的分布式异构频谱资源, 实现电磁频谱用户、频谱服务机构等各类用户的“一站式”服务。
结束语
本文针对电磁频谱服务的主要特点, 设计动态电磁频谱服务模型。随着军队信息化建设步伐的加快, 对战场电磁频谱服务的机动性、灵活性、实用性等指标提出了更高要求, 频谱服务质量对战争胜负起着直接作用。我们的电磁频谱服务的自动化、智能化、网络化研究工作尚不成熟, 还有许多需要深入研究并解决的具体问题, 在以后的研究中要完善体系结构, 增强动态电磁频谱服务系统的逻辑性、健壮性。
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动态频谱资源共享 篇5
伴随着信息时代的到来,无线服务和设备,如移动通信、广播电视等的出现和广泛使用,标志着无线频谱已成为现代社会不可缺少的、堪比土地矿产的宝贵资源。
当前无线频谱资源利用有两方面问题需要解决:(1)由于对无线频谱资源需求的不断增长,导致可用频谱资源的紧缺;(2)大量已授权的无线频谱利用率低或者被闲置。动态频谱接入技术被提出以解决当前频谱利用率不高的问题。可以通过不干扰主用户而随机接入的方式提高现存的频谱利用率。而感知无线电(Cognitive Radio,CR)被认为是解决上述无线频谱低利用率实现动态频谱接入问题的最佳方案。
2 动态频谱接入的网络模型和协议模型
2.1 网络模型
考虑一段频谱,这段频谱由N个信道组成,每个信道的带宽为Bi(i=1,…,N)。这N个信道授权给某个网络,该网络中的授权用户以同步时隙的方式进行通信。授权用户占用这N个信道的统计特性是一个离散时间马尔可夫过程,该马尔可夫过程有M=2N个状态。特别的,在t时隙网络状态由[S1(t),…,SN(t)]表示,其中Si(t)∈[0(occupied),1(idle)]。假定授权业务的统计特性在T个时隙内保持不变,当N=2时系统转移图以及频谱占用的演进如图1—2所示。
考虑一个次级用户网络,该网络在上述N个信道上寻求可用的频谱机会如图2所示。在点对点(AD HOC)网络中的次级用户在不交换局部信息的前提下,独立的加入/退出网络,感知/接入频谱。在每个时隙,选择一部分信道进行感知和接入。由于受到能量以及硬件的限制,假定每个次级用户在一个时隙内只能感知不超过L1(L1≤N)个信道,接入L2(L2≤L1)个信道。
2.2 协议模型的基本结构
对于AD HOC感知无线电网络来说,没有中心控制,因此设计一个分布式MAC协议至关重要。通过这个协议,次级用户能有独立寻找频谱的机会,同时使得自己的性能达到最优。
协议的基本结构是在每个时隙的一开始,有通信需求的次级用户首先选择一组信道进行感知,基于感知结果接入一组信道。频谱感知和信道接入的决策基于过去的感知历史和频谱占用的统计特性,目标是最大化次级用户的性能,同时最大程度地避免对授权用户造成干扰。在次级用户传输之前,首先产生一个随机的后退时间,在后退时间结束后仍然没有其他次级用户占用该信道时进行传输。在每个时隙的最后,接收端对成功传输的数据进行确认。基本的时隙结构如图3所示。
图4说明了AD HOC感知无线电网络中的马尔可夫特性。在每个时隙的开始,一个次级用户选择一组信道A1(|A1|≤L1)进行感知,在马尔可夫过程的当前状态为j时,次级用户的感知结果为θj,A1∈{0,1,}|A1|,它指示感知信道是否空闲。基于感知结果,次级用户选择一组信道进行接入A2⊆A1(|A2|≤L2)。系统的受益为rj,A1,A2。每个时隙的操作序列如图5所示。
每个时隙感知信道组和接入信道组{A1,A2}选择的目标是使得系统在T个时隙(在这段时间内频谱占用的统计特性保持不变)内总的受益最大化。受能量和硬件限制,次级用户只能感知部分信道,无法了解整个网络的状态,因此这里的网络模型是一个POMOP。
3 仿真结果与分析
在这些例子中,假定感知错误可以忽略不计,并侧重于一个次级用户。图6是针对不同的频谱占用特性对最优策略影响的表现。
假定3个相互独立的信道,每个信道带宽为B=l,状态转移概率{α,β}相同。比较了3种情况:(1)信道保持原来的状态不变的概率较大(0.8),这对应于授权业务的消息长度较大和消息到达间隔时间较长的情况;(2)与(1)完全相反,消息到达时间间隔和消息长度都较短;(3)信道状态保持不变和发生转变的概率相同(0.5)。图7比较了上述3种情况下,频谱占用特性对感知MAC的影响。分析图8可知,授权业务的特性对次级用户网络的传输速率有较大影响。当授权业务的消息长度和消息到达时间间隔较大时,次级用户网络的性能最佳。随着时间的增加,第一种和第二种情况下,每个时隙的传输速率增大。这是因为随着观察量的增加,对系统的状态有更多的了解。而对于第三种情况,马尔可夫过程退化为统计独立过程。从过去的观察量没办法得到更多的系统状态信息,所以最优策略退化为随机选择策略。
(N=3,B=[3/4,1,3/2],α=[0.8,0.6,0.4],β=[0.6,0.4,0.2])
(N=3,B=1,α=0.2,β=0.8)
在图7和图8中,研究随机、最优和次优贪婪策略的性能比较。可以看出,随着时隙增加,认知用户传输速率随之增加,直到增至最大。这是因为随着观察量的增加,对系统的状态有更多的了解。图7是N=3,B=[3/4,1,3/2],α=[0.8,0.6,0.4],β=[0.6,0.4,0.2]时随机,最优和次优的期望传输速率。在图8的参数条件下,次优策略与最优策略相比,期望传输速率的下降率在3%以内。在某些特殊条件下,最优和次最优策略的性能完全一致。图8中的参数条件下就是这种情况。
从图7和图8可推断,在某些情况下次最优策略与最优策略的性能相差不大。但是最优策略的信息向量维度随信道数呈指数关系,次优策略的信息向量维度与信道数呈线性关系,随着信道数增加,最优策略计算复杂度远远大于次优策略。因而次优策略的计算复杂度下降很多,实用性更强。在应用过程中应根据实际情况在降低复杂度的次优策略和最优策略之间进行选择。至于随机检测接入的算法从实际应用来看它是一种“盲目”的算法,所以它的性能是最差的。
4 结语
感知无线电技术是一种新兴的通信技术。它是在目前日益严重的频谱匮乏条件下产生的。高效的利用频谱资源,减小系统干扰水平,提高系统容量是它的目标。目前,POMDP方法已经成为求解动态不确定环境下规划和决策问题的一个主要方法,而无线通信领域新的感知无线电技术可以通过频谱感知来实现空闲频谱的动态接入。由于仅对部分频谱进行侦听,能有效降低功耗,缓减了由于无线设备能量受限的问题。效用函数采用基于贝尔曼方程的最优策略和基于贪婪算法的次优策略,由于最优策略吞吐量性能优于次优策略但以较高的计算复杂度为代价,POMDP通过规划选择不同的执行策略,以满足计算复杂度和吞吐量的不同需求。通过对最优和次优策略的传输速率性能进行仿真分析,可知在某些参数条件下,次优策略性能和最优策略相同。
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动态频谱资源共享 篇6
动态频谱分配作为认知无线电技术的关键技术之一,也是国内外研究的热点问题。目前常见的有四种频谱分配模型:1)基于图论的频谱分配模型,peng和zheng等人提出的标签机制将动态频谱问题归纳成一个对CSGC图的染色问题[2];2)基于博弈论的频谱分配模型,HuiyeMa采用博弈论方法研究了P2P网络中的带宽分配问题[3];3)干扰温度模型,吴等认为在满足干扰温度门限的用户中间,频谱可以再用[4];4)基于拍卖的频谱分配模型,
基于定价拍卖的系统模型
利用微观经济学中定价拍卖原理而定制的无线电资源分配机制在近几年得到广泛的研究,而且已经被证明是认知无线电网络的频谱分配问题的有效解决方法[5]。在这种基于拍卖的频谱分配模型中网络结构一般采用集中式结构,认知无线电用户是投标者,中心接入点(AP)或基站(BS)在一次拍卖中充当拍卖人。在一个拍卖轮回中,每个投标者为满足自身需要给频谱资源投标,由拍卖人根据认知无线电网络收益等原则确定胜利者[6]。
基于定价拍卖的频谱分配模型根据不同的网络效用需要来确定自身的目标函数,即确定赢家胜出的规则[7]。例如采用最大系统吞吐量原则将某段频谱分配给在其上吞吐量拍卖值最大的用户,利用效用公平原则和时间公平原则保证投标者在竞争频谱资源过程中的效用公平和时间公平。基于定价拍卖的频谱分配模型的特点:1)非合作的用户行为。2)分配算法需要合理的执行时间和合理的计算开销。3)信令开销小。
1 系统模型
本文采用系统模型如图1。
在一个认知无线电网络中,有多个主用户和多个次级用户。主用户可以是中心接入点(AP)或基站(BS)[8]。次级用户是一些移动的认知设备,主用户是授权用户,可以使用一定范围的频段,这些授权频段被分为若干互不重叠的子频段,当这些子频段空闲时,主用户希望将这些频段出租以获取收益;次级用户希望租赁这些空闲的子频段满足自己的需求。
假定一个认知无线电网络中共有M个相互正交的空闲子频段组成一个频谱池,有N个次级用户。假设子频段是完全相同的(相同的中心频率、带宽、调制方式等)。每个有者对空闲子频段的成本为ci,(i=1,2……M),第j个次级用户对于空闲子频段的估价为vji,(i=1,2,……M,j=1,2,……,N)
假设每个子频段只能分配给一个次级用户使用,且一个次级用户在同一时刻只能使用一个空闲的子频段。
定义:1)矩阵V={vji}N×M为次级用户和主用户之间的子频段估价矩阵
2)矩阵R={rji}N×M为分配矩阵,rji=1表示频谱拥有者i分配一个空闲频段给次级用户j使用,反之,不分配。
3)当频谱拥有者i分配一个空闲频段给次级用户j,则主用户的收益为pi-ci
4)当主用户以pi的价格将空闲频段卖给次级用户j,则次级用户的收益为vji-pi
次级用户的最大收益为:
则追求最大经济利益的目标函数为:
2 拍卖机制设计
多物品双向拍卖机制设计以确定市场出清价为中心,最长用的是马歇尔路径法[9],但该模型中每个买方卖方只交易一个物品。本文建立了一个简洁实用的模型以确定市场出清价,并在交易多个物品的买方和卖方中进行匹配。该模型假设交易的是无差别的同类物品,每个买方和卖方可交易多个物品,他们的出价可能相同。
一个多物品双向拍卖,有B个买家和S个卖家共有G=B+S个参与者,每个参与者各自出价,将所有的出价从大到小排列,假设参与者i出价pi交易xi个物品。卖方出价销售的物品总数为M,买方出价购买的物品总数为N,则M=∑xi,N=∑xi yj=∑xi。
规则求满足yt≤M
规则2求满足yt≤M
价格调整,随着时间的变化,频谱的数量和频谱需求也是不断变化的,为了追求利益的最大化,在供过于求时提高频谱的利用率,在供不应求时获得更高的经济利益。在上一次拍卖成交价的基础上,及时调整买家、卖家报价。买家的报价高于P的减小一个步长,p'=p-ε卖家报价低于p的,报价增加一个ε。
3 系统仿真
假设在一个100×100的区域内有B=5个频谱拥有者,每个频谱拥有者有4个可用空闲信道,有S=3到15个次级用户,用户需求频谱数为(1,2,3,4,5)中随机选取一个。假设频谱池中的频谱成本均匀分布在(5,15)范围内,估价均匀分布在(10,30)范围内,图1比较了轮流报价得到的总收益和竞争均衡得到的均衡收益,由图可以看出实际收益与均衡收益的俩条曲线基本保持平衡,这说明频谱分配基本接近理想的分配。图2是实际成交价格和均衡价格的比较。从图中可以看出,随着次级用户数的增加,实际成交价格和均衡价格曲线变化一致,成交价格的总体趋势是上升的,。这是由于次级用户的增加,频谱由供过于求向供求平衡改变,导致竞争加剧、价格上升,这一现象与经济学原理相符。
4 结束语
本文提出了轮流报价的双向拍卖模型运用经济学理论来解决非合作的动态频谱分配问题,仿真结果表明本文的快速出清算法具有很高的频谱分配效率。由于拍卖机制的自身的缺陷,买方卖方有可能串谋,从而降低分配效率,影响成交价格和总的收益,所以双向拍卖机制中如何避免用户的串谋,还有待进一步研究。
摘要：认知无线网络中,有多个主用户和次级用户。主用户是授权用户,当频谱空闲时希望出租这些空闲频谱以获取一定的收益,次级用户希望租赁这些空闲的频段满足自己的需求。基于微观经济学原理,提出轮流报价的双向拍卖策略。在频谱拍卖过程中,建立了一个简洁实用的模型以确定市场出清价,并在交易多个物品的买方和卖方中进行匹配,并在上一次拍卖成交价的基础上,及时调整买家、卖家报价,快速完成交易。
关键词：认知无线电,动态频谱分配,拍卖理论
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动态频谱资源共享 篇7
近年来, 伴随着无线技术的快速发展, 智能手机、平板电脑等设备使得移动信息接入逐步成为我们生活的中心。未来, 无线频谱接入将成为全球经济增长和技术引领的重中之重。从2008年到2011年, 全球移动数据连续四年实现翻倍增长。到2020年, 全世界连接到移动网络的设备数量预计增长到500亿。届时, 无线技术将扩大和催生更多的无线业务, 在全球将产生约4.5万亿美元的经济收益, 从而使得无线频谱的商业接入产生空前的需求。频谱的短缺会影响美国工业在世界范围内的竞争力。
为了提升美国经济竞争力, 创造就业机会, 激发创新, 加强国防, 总统奥巴马于2010年发布了“释放无线宽带革命”计划。该计划要在10年内将腾出500MHz频谱, 用于商业的移动和固定无线宽带业务。但美国国家和电信管理局 (NTIA) 研究发现, 清除现有业务系统, 重新分配联邦频谱 (联邦频谱是指有国家电信和信息管理局管理的美国联邦政府及各分支机构的用频) 是不可行的, 这会带来高成本开销、漫长的执行时间, 甚至影响现有联邦业务系统的运行。仅在1755~1850MHz回收95MHz频谱就需要耗费10年时间和180亿美元。
现今的频谱短缺, 是由于频谱未被充分管理所造成的。如果美国扩大对联邦频谱的管理范畴, 使频谱变得可重复使用或可经常性的重新发放执照, 便可以将频谱资源从稀缺变为富足。另外, 现行频谱细碎的静态划分和独占使用方式也导致了频谱使用的低效和人为稀缺性。
针对美国频谱使用现状, 弥补现行政策的不足, 有效解决“频谱短缺”问题, 促进美国经济发展和确保世界领先地位, 美国总统科技顾问委员会 (PCAST) 提出频谱高速公路计划, 该计划预计可以使现有频谱容量扩大10 0 0倍。
二、频谱高速公路概念
频谱高速公路计划是确定1000MHz的联邦频谱, 通过改善频谱管理手段, 实施新的频谱结构和无线电系统架构, 使不同无线业务在一段频谱内形成动态共享, 从而极大提高频谱的使用效率。
将无线通信和公路运输做类比, 宽带频谱可看作高速公路, 不同无线业务可看作是在高速公路上行驶的车辆 (如“联邦政府车辆”和“商用车辆”) , 频谱动态共享可看作机动车可以从一条车道切换到另一条车道。频谱管理系统可看作交通规则和指挥系统, 不同无线业务应遵守一定的管理规则, 才能避免碰撞, 有效共享。例如, 可以设置“无线信号灯”管理频谱接入, 另外出于国家和公共安全方面的考虑, 也可限定政府使用优先于商业使用。
根据美国频谱现有业务分配情况、频谱属性以及传播特性, PCAST建议选用2700~3700MHz的联邦频谱建立第一个频谱高速公路, 并以3550MHz~3650MHz作为验证频段。
频谱高速公路与国家宽带计划不同的是尽量保证现有无线业务不发生改变, 其他业务通过新的管理机制有秩序的接入使用。其重要特征为频谱的共享使用而不是独占, 通过大的频带划分, 使其可容纳各种兼容性应用以及各种适合宽带的新技术应用。
三、频谱高速公路的基本理念
要实现1000MHz联邦频谱的共享的频谱高速公路, 首先是将现在联邦频谱小而精的划分方式改为百兆赫兹级以上的大带宽的划分。这样可以更容易使频谱共享形成规模, 但需要各联邦机构的参与合作;其次需要建立等级接入制度和频谱接入系统, 以保障联邦业务系统不发生改变, 并使不同等级的无线业务形成有效共享, 扩展频谱容量;再次, 还需要确立接收机管理框架, 逐渐提高用频标准, 提高邻频带的可用性;最后, 为支撑频谱高速公路计划, 现有简单计算频谱效率已不再适用, 需要一种更全面的评估频谱使用的方法, 注重频谱使用的实际效益。
1. 频谱结构转变
为实施频谱高速公路计划, 实现宽带频谱动态共享, 需要新的频谱结构支撑 (见图1) 。
首先, 实现频谱共享要求频谱结构向大频谱带宽的划分转变, 并将频谱使用作为系统工程, 而不能将频谱活动进行细致分类。新的频谱结构的调整将有助于解决由于缺乏宽带频谱而无法研制大带宽、低功耗设备的问题。从而促进相关新技术的实现和应用。反过来, 此类新技术的不断涌现又会进一步促进新的频谱结构的形成。此外, 宽带频谱还有助于可以减少邻道干扰, 保持邻道的兼容性。
其次, 提高频谱利用率要求频谱结构向高频段、微小区转变。由于高频率对空气和建筑物的穿透性较差, 因此适合小范围的传输覆盖。而微小区的部署使得给定频谱更加容易实现空间复用, 并且微小区也更适合现代的收发一体的通信设备。虽然微小区需要更多的设备, 但是随着无线设备功耗的下降以及数据速率的增长, 这将不再是问题。
Wi-Fi的迅速崛起证明了新的频谱结构的诸多优点。首先是对干扰的容忍度的提高, 即在同一区域可以同时存在很多独立的Wi-Fi网络。尽管干扰对每个网络存在一定的影响, 但是与整体吞吐量的提升程度相比, 这种影响微乎其微。其次是宽的带宽可以提供更高数据速率。Wi-Fi的带宽需求从最初的20MHz增长到160MHz, 其数据传输速率也随之不断增长。
如何在新的频谱结构中实现共存, 需要详细的分析系统, 根据业务需求分类, 并考虑接收机和发射机特性, 为新进业务分配最合适的频带。另外从技术角度上, 可从地理空间、时间、码空间、极化和方向性等方面来实现共享。这些参数可以根据不同的行为进行调整, 最大化效率或其他优化目标。
2. 等级接入方式
为了使现有业务占用的频谱不产生变化, 就需要通过动态频谱共享技术来管理频谱。这里将介绍三层等级频谱使用模型 (见图2) 。
(1) 联邦主用户接入 (Federal Primary Access) :传统的联邦用户拥有最高的优先级, 需要在数据库登记其部署情况, 保障其不受来自其他系统的有害干扰。联邦主用户在实际使用时具有独占权, 但不能排除阻止其他联邦或个人用户的使用。
(2) 次用户接入 (Secondary Access) :次用户的优先级在联邦主用户之后, 这类用户在特定的区域拥有短期的频谱操作权利, 并被保护免受其他次用户接入的干扰。为了取得授权, 次用户必须在数据库进行登记。这些次用户可能需要付费, 并且可以使用高功率进行传输, 保证一定的服务质量。
(3) 一般授权接入 (General Authorized Access) :一般授权用户具有最低的优先级, 依赖于不同的策略, 他们的接入方式可能需要感知开放的频谱, 并在数据库进行登记。当在一个特定频段和区域内没有联邦主用户和次用户接入登记使用时, 一般授权用户才可接入。当与主用户和次用户产生突出时, 一般授权用户有义务腾出频谱使用权。一般授权接入设备应具备多频段操作能力和动态频谱选择功能, 当某一频段不可用时, 设备可以在不同的频带间切换, 以保证其正常的工作。一般授权用户只允许低功率发射, 但是不需要付费。
3. 频谱接入系统
为实现等级接入模型, 需要建立频谱接入系统 (SAS) 。联邦频谱接入系统, 作为信息和控制交换所, 记录各频段用户注册和使用情况, 并通过它决定联邦主用户、次用户及一般授权用户的在共享频段的接入和使用 (见图3) 。
当用户要共享联邦频谱时, 首先要通过与管理数据库通信进行注册, 然后统一协调, 完成频谱指配, 设备授权和发射允许。其优化原则依据给定区域的整体的频谱使用效率, 但是也要考虑联邦用频的优先权。
联邦主用户和次用户通过向SAS注册来获得干扰保护。主用户和次用户的列表应该实时更新, 并公开透明。各用户需要周期的与数据库进行通信, 更新注册信息, 并确保SAS不会错误判断设备的接入可能性。
SA S的核心是数据库, 它应该包含的信息有:频谱占用的时间和位置信息、信号参数 (如功率和带宽) 、特定地点的约束、接入的价格等。
频谱高速公路的实现是复杂的, 需要尽量确保联邦用频不受牵连, 这包括研究干扰限制、联邦优先权、频谱分配程序、新兴的联邦系统的保护以及执行机制等。总之, 要想使联邦用户和商业用户之间的频谱共享更加有效, SAS必须建立明确的规则来管理频谱, 当设备受到禁止发射的信号时, 必须有能力立即关闭其射频发射。
4. 接收机管理
传统的频谱管理主要集中在规范发射机的特性上, 但实际上接收机的性能同样也限制了频谱的使用。接收机不仅可以接收到目标频带内的信号, 而且还对邻频带信号作出响应。接收机性能不好可能会引起信号交调, 产生带内假信号, 导致接收机失谐, 即接收机过载或减敏。因此, 接收机的性能在一定程度上会限制邻频带信号的活动。
最近, 美国出现了一些由于政策或技术问题导致的信号干扰的案例。美国政府不得不进行频谱交换, 允许了频谱拍卖之外的频谱使用权的购买行为。为了减少Nexte蜂窝基站对公共安全频段的影响, 在公共安全方面作出了巨大的投入。由于使用了卫星频段, GPS系统接收机导致了光立方计划的停滞。FCC (Federal Communications Com m ission) 相关报告展示了更多复杂的例子, 这些都表明了接收机性能是影响新业务频谱接入的主要问题。
由于过去频谱使用情况不紧张, 不要求各业务系统的频谱离太近, 邻道信号导致的接收机干扰问题很少。如果现在不正视接收机干扰问题, 类似于光立方这样干扰情况会逐渐增多, 解决接收机干扰问题时十分必要的。
为了刺激无线领域的创新和投资, PCAST提出一种接收机管理框架, 这种框架不会对接收机造成过多的成本, 而是给出有害干扰的定义。对于要接入现有美国联邦系统相邻频段新系统, 提供清晰明确的干扰要求。这个框架可以让设备厂商在满足干扰要求的条件下, 自由选择适合他们设备的频段。限制低性能接收机对有害干扰的索赔的这一规划方式的改变, 是对现行发射机管理方式的必要补充, 这个补充的目标不是避免有害干扰, 而是决定谁来承担干扰的责任。
干扰门限可定义为频率和空间内的场强, 如图4所示。在给定频率和空间内, 只有当有害干扰超出指定的干扰程度时, 被授权者才可以投诉和索赔。在没有给出干扰门限的频率和空间中, 不提供干扰保护和索赔。
设定接收机干扰限制, 即描述有害干扰条件, 可以使新的无线系统提前预估在给定的频段上部署发射机的成本。接收机干扰限制也能确保邻频带的未来可用性。在联邦频谱内, 接收机的干扰限制可被预先设定, 这样现存的联邦无线系统无需做任何改变, 因此对现存系统不会造成任何影响。为了改善频谱使用效率, 随着新设备的出现, 可以不断的提高接收机干扰的门槛, 不符合要求的旧设备也会随之淘汰。
5. 频谱使用效率的度量
很多测试表明, 即使是在拥挤的城区, 绝大部分频带 (3.7GHz以下) 的频谱占用度也小于20%。频谱容量应该从时间维度上被充分利用, 为了支撑新的频谱共享计划, 灵活使用回收的频谱, 标记未充分利用的频谱, 需要一种能够评估频谱使用效率的度量方法。在新的频谱结构下, 简单的衡量频率效率已再适用, 新的度量方法要衡量频谱使用的实际效益。在影响频谱使用的相关因素中, 如传输速率、传输覆盖范围、排他性干扰等, 这些参数都只能反应频谱使用的一个侧面, 而新方法应综合考量所有因素。
通过这种度量方法, 不仅能知道用户如何完成通信, 而且要知道通信中是否会妨碍到其他用户。换言之, 度量应该平衡考虑频谱使用的质量和机会成本。这种度量不仅可以定量分析比较同一频谱中的不同系统的频谱使用情况, 也可以分析给定系统在不同频段的适用度。对于有益的行为或有效的调制机制, 通过技术手段实现的度量方法应给予激励。
PCAST给出了一种可能的有效性度量的频谱使用的方法, 该方法考虑了通信容量、通信范围、干扰范围、时间和频谱的排他性等方面。其公式如下:
式中, 表示频谱有效性, 它与数据传输的通信范围、占用频谱, 区域, 时间以及排他性有关;R (n) 表示用户n的实际通信范围;D (n) 为用户n的数据通信数据量;I2 (n) 为用户n的干扰范围, 在该范围内其他用户的通信将被阻止;T (n) 为用户n的实际通信时间;S (n) 为用户n实际独占的频谱;k为在特定的频段和区域总的频谱用户的个数。利用上式可以比较单蜂窝小区和Wi-Fi节点服务的有效性, 可以很好地解释为什么Wi-Fi是更有效的频谱使用方式的原因, 尽管它在覆盖性方面有限。
度量方法的重要性远超出工程应用和设计无线电设备的范围。公式中的每一因子都需要政策、投资和管理决策所驱动。这种度量表明无线宽带的解决办法是一个十分复杂的问题, 而不是简单的腾出专用频带那么简单。
度量要强调频谱重复利用的影响, 这是发展可扩展的无线网络的基础。发展越来越大范围的频谱分配无论是从频谱还是从服务角度都更加有效。
四、结束语
联邦频谱为美国应对频谱需求指数增长问题、在世界范围内确定频谱共享技术领先地位提供了独一无二的机会。而实现联邦频谱共享的基石是创造大划分范围的频谱。PCAST的报告表明存在开放1000MHz共享联邦 (非联邦) 频谱实现微小区低功率二次接入或一般授权接入的可行性。频谱可用性的扩张可以刺激企业在技术、设备和应用服务等方面的投资, 拉动二次接入设备和一般授权设备的设计和制造, 促进动态频谱接入, 最终实现联邦频谱潜在频谱容量的激增。
目前, 我国已划分的频谱资源的利用率也较低。随着无线技术和业务日新月异的发展, 我国频谱资源的紧张形势将会逐渐凸显。如何解决未来我国频谱资源需求激增的问题, 我们可以借鉴频谱高速公路计划中的管理方法和理念, 结合我国频谱使用情况, 进行相关试验, 验证动态频谱共享创新模式的可行性。一旦动态频谱共享形成广泛应用, 那么在频谱监测技术、设备检测规范以及台站管理等方面都需要作出相应的改进, 以适应新的频谱使用方式。
摘要：随着无线技术发展, 无线频谱的接入需求激增与现有无线系统的频谱利用率低下形成矛盾。为了解决该矛盾, 提升经济竞争力, 美国政府提出了1000MHz的宽带频谱共享计划 (即频谱高速公路计划) 。针对该计划, 本文介绍了其新的频谱结构、频谱使用的度量方法、等级接入方式和接入系统以及基于接收机管理等方面内容。最后给出了总结, 并阐述了该计划对我国无线电频谱管理的启示。