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无线通信的论文

摘要

当前广泛采用的频谱管理是基于命令控制机制的静态分配管理模式，无线电频谱按照不同的业务分配不同的频率，如水上、航空、广播无线电，蜂窝通信系统等都分配了固定的使用频率。

频谱静态分配模式保证了授权用户对频率的唯一性使用，有效地避免了干扰。

但是传统频谱静态分配管理模式并没有考虑到频谱的有效利用和新的技术和业务对频谱的需求变化，越来越不能满足日益增长的频谱需求。

根据2005年11月对美国芝加哥地区30MHz~2.9GHz的频段进行频谱占用度测量的结果表明，平均频谱占用约为6%，最高的即时占用度仅为17%。

一方面新的无线电技术和业务没有可用频谱，另一方面授权频谱在时间和空间上存在大量空闲。

出现这种矛盾，说明了频谱资源分配和利用不平衡，频谱资源并不是真正的短缺，其原因是由于静态分配频谱管理导致频谱资源没有被充分利用，而不完全是频谱本身的缺乏。

本文设计了一个整体方案，设立一个频谱管理机构，负责分配，管理频谱资源，用户通过申请的方式获得，充分利用了频谱资源。

ABSTRACT

StaticAllocationManagementmodulebasedonCommandcontrolmechanismisawidelyusedspectrummanagementModule.TheallocationofRadiofrequencyspectrumaccordingtothedifferentservicesofdifferentfrequencies,Water,theair,broadcastradio,cellularcommunicationsystemshaveafixedallocationofthefrequencyforuse.Staticspectrumallocationmodelensureuniquenessoftheuse,effectivelyavoidinterference,Butthetraditionalstaticallocationspectrummanagementmodeldoesnotconsidertheefficientuseofspectrumandnewtechnologiesandbusiness‘schangesindemandforspectrum,Increasinglyunabletomeetthegrowingdemandforspectrum.AccordingtotheUnitedStatesinNovember2005intheChicagoarea30MHz~2.9GHzbandspectrumoccupancymeasurementsrevealedthattheaveragespectrumoccupancyisabout6%,thehighestreal-timeoccupancyisonly17%.Ontheonehandnewradiotechnologiesandserviceshaveunavailablespectrum,ontheotherhandthereisalotofidleinlicensedspectrum.Thiscontradictionshowsthespectrumresourceallocationandutilizationareimbalance.Spectrumresourcesisnotreallyashortage.Thereasonisduetostaticallocationofspectrummanagementresultingspectrumresourcesarenotfullyutilized,ratherthansimplyalackofspectrumitself.

Thispaperpresentsaholisticapproachtoestablishaspectrummanagementorganizationresponsiblefortheallocationandmanagementofspectrumresources,usersobtainedthroughtheapplication,fulluseofthespectrumresources.

第一章频谱管理方法的提出

现有的无线电频谱管理方法适合对授权用户的固定频谱分配与指配。

而要考虑非授权用户对已分配频谱在未使用情况下的再次使用，考虑授权用户到达时非授权用户的实时退避，还要使非授权用户的接入不影响其它用户的正常通信，就要设计一种动态的频谱管理方法，同时设置专门的部门来为非授权用户指配频率，单靠现有的无线频谱管理方法是不能完成的。

因此，需要设计一种基于认知无线电技术的针对非授权用户的动态频谱管理方法，作为对现有无线电频谱管理方法的补充和修改。

改进后的频谱管理系统可以按照现有方式为授权用户提供频谱管理，同时按照动态频谱管理方式为非授权用户提供频谱管理。

第二章动态频谱管理系统

本文提出的动态频谱管理系统设置在无线电管理机构下，接受非授权用户的申请，同时在一定管理方法的指导下实现对已分配频谱在未使用时的再次利用来满足非授权用户的通信需求。

为了实现动态频谱管理，提出了动态频谱管理系统的自动分配和非授权用户的自动申请，用于申请的帧格式和指导分配的分配格式，以及用于自动分配的数据库查询方法和分配流程。

2.1动态频谱管理系统结构

现有的频谱管理体制是无线频谱管理部门将频段指配给运营商，再由运营商为授权用户分配频率，而本文设计的频谱管理体制是位于无线电频谱管理部门下的动态频谱管理系统直接为非授权用户指配频道，而免除频带分配过程。

二者的差异具体如图3.1所示。

既要满足频谱管理的性能要求，又要实现非授权用户频谱管理的实时性要求，本文设计了一种动态频谱管理系统，它由动态频谱管理中心、频率使用状况数据库、频谱监测单元三部分加上被监测的实际无线电频谱使用环境共同构成，整个频谱管理过程由申请帧格式、分配帧格式、数据库查询方式、动态频谱管理中心频谱分配方式等规则指导实施。

非授权用户和授权用户构成了实际的无线频谱使用环境，频谱监测单元周期性地监测无线环境的变化并将监测结果报告给频率使用状况数据库，根据报告内容数据库对其信息做相应改动。

整个非授权用户频谱管理过程叙述如下：

非授权用户一有频谱需求，就将自己的需求信息构成申请帧发送给动态频谱管理中心，中心接收到申请帧后，在查询规则指导下开始查询无线频谱使用状况数据库为非授权用户查找合适频谱，最后将查询结果构成分配帧发送给申请用户，等待申请用户的接入，整个频谱管理过程监测单元不停地做周期性监测，并将监测结果告知无线频谱使用状况数据库，以此来增加系统容量提高频谱利用率，具体动态频谱管理系统构成和频谱管理过程见图3.2所示。

图3.1现有频谱管理体系和动态频谱管理体系的差异

图3.2动态频谱管理系统构成及频谱管理过程

2.2动态频谱管理的实现

非授权用户申请过程和动态频谱管理中心分配过程完全依靠网络实现。

例如某授权用户结束业务传递释放其授权频段后，频段开始处于空闲状态，无线频谱使用状况发生改变，这一改变马上被做周期性监测的频谱监测单元捕捉，报告频谱使用状况数据库修改此频段的相关信息，数据库将此频段的空闲状态由忙碌改为空闲。

这时一个非授权用户产生频谱需求，将自己的申请信息（如主叫地点、所需带宽、所需空洞稳定度、业务类型、预约服务时间等）按照申请格式要求构成申请帧，通过网络自动发送给动态频谱管理中心。

动态频谱管理中心接到申请帧后，首先对申请用户的信息进行分析，然后在数据库查询方法的指导下查询频谱使用状况数据库，将用户要求与查询到的可利用的频谱资源进行对比，为申请用户选择合适的频段，最后将选择结果按照分配帧格式要求构成分配帧，通过网络自动发送给申请用户。

如果申请成功，非授权用户按照分配信息立即或延迟某一时间段开始接入使用，非授权用户的接入一定会影响无线频谱的使用状况，这一改变又被频谱监测单元察觉到，频谱使用数据库根据监测结果修改数据库中此频段的空闲状态，由空闲状态改为忙碌。

这就完成了非授权用户的自动申请和动态频谱管理中心的自动应答，也就构成了一个完整的动态频谱管理过程。

第三章动态频谱管理规则

如前所述动态频谱管理规则主要包括非授权用户申请帧格式，动态频谱管理中心分配帧格式，数据库查询流程，动态频谱管理中心分配流程等。

3.1非授权用户频率申请帧格式

非授权用户有频谱需求，但作为外网用户既没有授权频段可以直接使用，又对接入网情况一无所知更不知道接入网用于信令传递的公共信道，所以必须与动态频谱管理系统达成共识，通过某种双方都识别的形式传送信息到动态频谱管理中心实现频谱复用，这种公认的形式就是申请帧格式。

动态频谱管理中心只有通过非授权用户的申请帧才能了解申请用户的具体信息（如所需带宽、稳定度要求、预约时间等），为其查找合适的频道。

1）申请帧格式及参数

申请帧：

50比特。

帧头Head：

8比特

用户注册号Number：

7比特，申请用户位于申请队列中的位置。

用户到达后可按照业务类型、紧急程度等原则进入队列排队等待动态频谱管理中心的处理。

用户类别Type：

1比特，区别各类用户以确定用户是否需要动态频谱管理系统

辅助实现频谱复用。

1：

具有认知功能的用户。

此用户本身具有频谱监测和查找功能，能自动搜索合适频谱并接入使用，不依靠动态频谱管理中心在无线频谱使用状况数据库中为其查找空闲频段以供使用。

0：

不具有认知功能的用户。

此类用户依靠动态频谱管理中心在无线频谱使用状况数据库中为其查找空闲频谱以供利用。

申请数据Data：

使用带宽：

9比特，单位kHz，用于其业务传输的最小带宽。

本文假设GSM

为接入网，外网为其它任何网络，且非授权用户带宽需求不超过400kHz。

基于GSM系统的性能指标，申请带宽存在以下两种情况：

情况1：

小于等于200kHz

情况2：

大于200kHz且小于等于400kHz

以上2种情况的9比特表示法如下：

情况1：

0××××××××，最高位0表示带宽小于等于200kHz，实际值由后8比特计算得到

情况2：

1××××××××，最高位1表示带宽大于200kHz且小于等于

400kHz，实际值由200加上后8比特所示数字计算得到。

例如：

000100000表示带宽小于等于200kHz，后8比特00100000

计算得出所需带宽为64kHz

100100000表示带宽大于200kHz且小于等于400kHz，200加上后

8比特00100000所示数字，得所需带宽为200＋64＝264（kHz）

使用时间：

6比特，单位分钟（min），业务传输所需时间。

针对业务类型存

在以下3中情况：

情况1：

电话、传真等业务，传输时间很短，小于等于10min

情况2：

视频业务等，传输时间大于10min且小于等于60min

情况3：

一个小时以上传输时间

对应以上三种情况，6比特表示法如下：

情况1：

00××××，后四位表示小于等于10

情况2：

××××××，总共六位表示大于10，小于等于60

情况3：

111111，表示大于一小时

稳定度：

2比特，完成业务传输所需最低空洞稳定度。

00：

低稳定度

01：

中稳定度

10：

高稳定度

业务类型：

2比特。

00：

语音

01：

数据

10：

视频

语音业务：

业务流量小，空洞稳定度要求不高，实时性强，空洞

等级要求不高

数据业务：

业务流量居中，空洞稳定度要求居中，实时性要求不高，准确性要求居中，空洞等级要求居中

视频业务：

业务流量大，空洞稳定度要求高，实时性强，准确性

要求高，空洞等级要求高

主叫地理位置：

2比特，申请用户业务发生地，主要用于无线频谱使用状况数据库的选择。

不同区域无线频谱使用状况差异很大，甚至同一区域频谱状况也不相同，所以用于存储频谱使用状况信息的数据库内容也不同，只有明确申请发出地才尽可能为其选择合适的数据库，查询准确的频谱资源以供利用。

00：

东区

01：

南区

10：

西区

11：

北区

紧急程度Emergency：

1比特。

Emergency＝1紧急，需要马上处理的业务。

其具有最高的优先级，常常处于排队队列的队首位置。

Emergency＝0非紧急，按照正常业务优先级处理的业务。

功率下限PowerDown：

8比特，传输业务所需的最小发射功率。

其它Other：

保留2比特。

2）申请规定

•条件：

用户为具有捷变无线电能力的非授权用户。

•业务量：

不能太大，持续时间不能太长，主要因为频谱空洞出现不稳定且随

机性很强。

3.2动态频谱管理中心分配帧格式

为用户查找到了合适的频段，动态频谱管理中心就要通过某一途径将频段信息反馈给申请用户供其接入使用或与其进一步交流信息以求最合适的频谱分配，这一途径正是分配帧格式。

只有申请而无分配，申请就不存在意义，非授权用户也无法实现频率复用。

不同申请要求分配也不同。

如果申请成功分配帧反馈分配频段的信息，若申请不成功或申请信息不明确，分配帧反馈要求用户与动态频谱管理中心进行进一步交流的信息。

1）分配帧格式及参数

图3.4动态频谱管理系统分配帧格式及其参数

帧结构：

47比特。

帧头Head：

8比特。

用户注册号Number：

7比特，申请用户号。

应答状态Response：

3比特。

000未注册用户，无效

001已分配

010暂缓分配（推迟）

011全忙，拒绝

100有疑问，再协商

分配数据Data：

Response为001时有意义，19比特。

Response为其它，此

项无意义且为空。

中心频率13比特，分配频段的中心频率，单位MHz。

接入GSM系统中前10比特表示频率的整数位，后3比特表示小数位,两者之间用|隔开。

带宽1比特，分配频段的带宽，单位kHz。

接入网为GSM系统且申请频道带宽不超过400kHz时，表示意义如下：

0：

200

1：

400

空洞等级2比特，分配频段空洞等级。

00：

白空

01：

灰空

10：

黑空

空洞稳定度2比特，分配频段稳定度。

00：

低稳定度

01：

中稳定度

10：

高稳定度

最佳调制方式1比特，业务不同调制方式也就不同。

0：

OFDM调制

功率上限PowerUp：

8比特，单位W，不影响接入网中其它用户（授权用户和

非授权用户）正常通信可用的最大功率。

其它：

保留2比特。

3.3数据库查询方法

因为无线频谱使用状况不停地在发生变化，为了在接收到非授权用户申请后

给与最即时且准确的分配信息，设计合理的数据库查询方法就必不可少。

根据不

同业务需求为用户选择不同数据库查询方式以到达最迅捷最优化地查询功能是本文数据库查询方法设计的主旨。

以下设计了九种数据库查询方法及其查询准则：

1）根据非授权用户所需求的空洞的带宽和空洞的等级所提供的查询。

2）根据非授权用户所需求的空洞的稳定度和空洞的等级所提供的查询。

3）根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的稳定度和空洞的等级所提供的

查询。

4）根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的白空概率和空洞的等级所提供

的查询。

5）根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的灰空概率和空洞的等级所提供

的查询。

6）根据非授权用户所需求的空洞的稳定度、空洞的白空概率和空洞的等级所提

供的查询。

7）根据非授权用户所需求的空洞的稳定度、空洞的灰空概率和空洞的等级所提

供的查询。

8）根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的稳定度、空洞的白空概率和空

洞的等级所提供的查询。

9）根据非授权用户所需求的空洞的带宽、空洞的稳定度、空洞的灰空概率和空

洞的等级所提供的查询。

对应于每一个查询方法，查询准则如下:

1）查询准则1，如果可以找到符合条件的空洞，应该按照优先分配带宽小的空洞的原则进行空洞的分配。