基于頻譜地圖的區(qū)域動(dòng)態(tài)頻譜管理框架

基于頻譜地圖的區(qū)域動(dòng)態(tài)頻譜管理框架

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有無線通信服務(wù)的用戶數(shù)量迅速增加，新的無線通信技術(shù)和服務(wù)不斷出現(xiàn)，頻率需求顯著增加，頻率不足問題日益突出，已成為限制無線通信發(fā)展的重要瓶頸。同時(shí),大量測(cè)量結(jié)果表明,已分配頻段的利用率并不高。因此,頻譜稀缺并非頻譜資源本身的匱乏,而是由于當(dāng)前靜態(tài)、固定的頻譜管理模式難以充分利用頻譜造成的。認(rèn)知無線電(cognitiveradio,CR)提供了感知頻譜環(huán)境和伺機(jī)接入空閑頻譜的能力。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)頻譜環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等情況改變網(wǎng)絡(luò)配置,實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的頻譜資源動(dòng)態(tài)優(yōu)化。適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜管理(dynamicspectrummanagement,DSM),應(yīng)當(dāng)在遵循頻譜規(guī)劃的條件下,基于不同區(qū)域、不同時(shí)間和不同網(wǎng)絡(luò)需求動(dòng)態(tài)地分配頻譜,實(shí)現(xiàn)頻譜使用與需求的最優(yōu)搭配,從而達(dá)到頻譜資源的高效利用。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FederalCommunicationCommittee,FCC)2003年成立頻譜任務(wù)工作組,2010年正式批準(zhǔn)使用動(dòng)態(tài)頻譜接入設(shè)備。美國(guó)國(guó)防頻譜組織(DefenseSpectrumOrganization,DSO)2006年提出了全球電磁頻譜信息系統(tǒng)(globalelectromagneticspectruminformationsystem,GEMSIS),旨在由當(dāng)前的靜態(tài)頻譜管理到2020年轉(zhuǎn)變?yōu)殡S時(shí)隨地、自同步的頻譜接入。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DefenseAdvancedResearchProjectAgency,DARPA)資助的下一代無線通信計(jì)劃(neXtGeneration,XG),研究通過靈活的頻譜政策進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜管理,該項(xiàng)目在2006年進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了其提高頻譜利用率和組網(wǎng)部署的有效性。DARPA在2008年啟動(dòng)的下一步無線網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(WirelessNetworkafterNext,WNaN),將動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò),該項(xiàng)目在2010年的網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)中實(shí)現(xiàn)了在900MHz~6GHz范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)選擇信道組網(wǎng),2012年和2013年連續(xù)2次參與了美國(guó)陸軍網(wǎng)絡(luò)集成試驗(yàn),其技術(shù)成熟度已達(dá)到較高水平。及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得頻譜相關(guān)信息是進(jìn)行DSM的前提和基礎(chǔ)。獲取頻譜信息的途徑可以分為頻譜感知和接入數(shù)據(jù)庫(kù)2種。頻譜感知技術(shù)已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注和研究,主要通過協(xié)作感知調(diào)度和融合算法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提高感知的精確度、降低感知時(shí)間的目標(biāo)。為了保證授權(quán)用戶不受干擾,FCC要求所有工作在電視頻段的認(rèn)知無線電設(shè)備能夠檢測(cè)并保護(hù)最小功率為-144dBm的授權(quán)用戶。這種嚴(yán)格的要求使得頻譜感知的開銷和設(shè)備要求大大提高,同時(shí)也降低了空閑頻譜的利用率。因此,接入數(shù)據(jù)庫(kù)的方式成為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜管理更為現(xiàn)實(shí)的選擇。IEEE1900.5-2011標(biāo)準(zhǔn)中,將頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)作為支持設(shè)備快速獲得所處環(huán)境的射頻信息的備選模塊。2010年,FCC規(guī)定所有工作在TV頻段的動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)具有連接至頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)獲得頻譜可用性信息的功能,并指定微軟、谷歌等10家公司負(fù)責(zé)建立和運(yùn)營(yíng)頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)。維吉尼亞工學(xué)院提出綜合地理特征、頻譜政策和無線設(shè)備功能等信息建立無線電環(huán)境地圖(radioenvironmentmap,REM),為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)提供外部支持。文獻(xiàn)的仿真結(jié)果表明,在有REM支持的情況下空閑頻譜的利用率可以提高50%以上。文獻(xiàn)研究了REM設(shè)計(jì)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量與REM精確度的優(yōu)化問題。文獻(xiàn)提出利用分層REM支持異構(gòu)長(zhǎng)期演進(jìn)(longtermevolution,LTE)接入網(wǎng)絡(luò)的方案?？梢钥闯?利用無線電環(huán)境地圖、頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)等為網(wǎng)絡(luò)提供外部頻譜信息支持已經(jīng)成為動(dòng)態(tài)頻譜管理的主要研究方向。雖然在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中已經(jīng)出現(xiàn)關(guān)于頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和基于數(shù)據(jù)庫(kù)提高網(wǎng)絡(luò)性能的成果,但是對(duì)基于數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)頻譜管理架構(gòu)、頻譜地圖的分發(fā)使用方式等方面還未見系統(tǒng)性的研究成果。針對(duì)上述問題,本文在分析DSM系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上,綜合無線電環(huán)境地圖、頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)等系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),提出基于頻譜地圖的DSM系統(tǒng),并基于通用軟件無線電平臺(tái)建立了半實(shí)物仿真系統(tǒng),對(duì)該框架的可行性和有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。1基于譜圖的動(dòng)態(tài)譜分析1.1系統(tǒng)的基本能力為了提高頻譜利用率,頻譜管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對(duì)區(qū)域內(nèi)大量共存的動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管理,并提供必要的信息支持。為此,DSM系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足如下要求:(1)靈活性:系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)實(shí)時(shí)頻譜政策的要求和網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境的變化,并且能適應(yīng)頻譜管理部門下發(fā)的最新頻譜政策。(2)穩(wěn)定性:在復(fù)雜頻譜環(huán)境中,系統(tǒng)應(yīng)能為網(wǎng)絡(luò)提供相對(duì)穩(wěn)定的信息服務(wù)以支持網(wǎng)絡(luò)為用戶提供端到端服務(wù)質(zhì)量(qualityofservice,QoS)保障。(3)自主性:系統(tǒng)應(yīng)具有自主頻譜管理能力,在沒有基礎(chǔ)設(shè)施支持時(shí),也能在預(yù)置頻譜政策的約束下,實(shí)現(xiàn)自主、優(yōu)化的頻譜決策。(4)兼容性:頻譜管理模式的轉(zhuǎn)變是一個(gè)長(zhǎng)期的過程,因此系統(tǒng)應(yīng)能兼容現(xiàn)有的無線應(yīng)用系統(tǒng)。1.2區(qū)域頻譜地圖現(xiàn)有的方式(如基于REM和基于頻譜數(shù)據(jù)庫(kù))提供的信息有限或者靈活性難以適應(yīng)復(fù)雜、無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的需求,同時(shí)難以滿足上述4類需求。為此,本文針對(duì)區(qū)域頻譜管理問題,在綜合無線電環(huán)境地圖方式和頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)方式優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出基于頻譜地圖的DSM架構(gòu),如圖1所示。該架構(gòu)將頻譜政策信息、地理特征信息和頻譜可用性信息等抽象為頻譜地圖,由區(qū)域頻譜管理中心進(jìn)行維護(hù)和管理,并通過頻譜地圖對(duì)區(qū)域內(nèi)用頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管理和提供頻譜信息服務(wù)。(1)區(qū)域頻譜管理中心:負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的頻譜管理與頻譜地圖分發(fā)服務(wù),在信息基礎(chǔ)設(shè)施的支持下建立頻譜地圖,向該區(qū)域動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)下發(fā)頻譜地圖信息,并根據(jù)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)提交的用頻需求情況進(jìn)行頻譜資源的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)。(2)動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò):可以是集中式或分布式的網(wǎng)絡(luò),由基站或管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理,主要包括維護(hù)本網(wǎng)絡(luò)頻譜地圖信息,運(yùn)行動(dòng)態(tài)頻譜分配算法(dynamicspectrumallocation,DSA)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜分配。(3)用頻節(jié)點(diǎn):負(fù)責(zé)感知所處環(huán)境中的可用信道,并基于本網(wǎng)絡(luò)頻管節(jié)點(diǎn)提供的頻譜地圖信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜接入。在該架構(gòu)中,頻譜地圖是實(shí)現(xiàn)頻譜管理和系統(tǒng)提高頻譜利用率的核心,系統(tǒng)對(duì)具體的頻譜感知和接入算法不作限定,具有接收頻譜地圖和動(dòng)態(tài)頻譜接入能力的網(wǎng)絡(luò)均可以在該架構(gòu)下工作。2譜地圖的構(gòu)建和銷售機(jī)制2.1頻譜使用的性描述頻譜地圖是對(duì)帶有地理信息的頻譜環(huán)境的一種抽象性描述,主要描述與頻譜使用相關(guān)的頻譜政策、地理特征、頻譜可用性、功率限制、干擾限制和用頻經(jīng)驗(yàn)信息等要素。這些要素分為4類,如表1所示。(1)傳播特性及多徑效應(yīng)值區(qū)域被劃分成網(wǎng)格狀,每個(gè)網(wǎng)格稱為一個(gè)子區(qū)域,記錄其起止經(jīng)緯度,頻譜地圖的分發(fā)將以子區(qū)域?yàn)閱挝?。傳播特性是指該子區(qū)域的衰落系數(shù)以及多徑效應(yīng)相關(guān)的參數(shù)。用頻經(jīng)驗(yàn)主要包括該區(qū)域是否包含盲區(qū)、隱藏節(jié)點(diǎn)、接收機(jī)信息等。頻譜地圖的建立和分發(fā)以子區(qū)域?yàn)閱挝?網(wǎng)格越小,其信息越精確,同時(shí)其建立和維護(hù)的開銷越大,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,需要對(duì)精確度和復(fù)雜度進(jìn)行折中考慮。(2)采用網(wǎng)絡(luò)本體語言建立數(shù)字化頻譜政策記錄該區(qū)域內(nèi)頻段劃分、業(yè)務(wù)類型和存儲(chǔ)數(shù)字化政策等。借鑒XG項(xiàng)目研究成果,可以采用網(wǎng)絡(luò)本體語言建立數(shù)字化頻譜政策。此外,該數(shù)據(jù)庫(kù)還記錄政策的下發(fā)日期和有效期限。(3)用戶級(jí)內(nèi)限制c記錄信道信息,信道可用性分為可用、條件可用和不可用3種,前2種需要進(jìn)一步限制其功率門限和時(shí)間門限,以控制不同優(yōu)先級(jí)用戶的相互干擾。(4)頻譜地圖的長(zhǎng)期維護(hù)和更新記錄頻譜地圖的更新時(shí)間和下發(fā)時(shí)間,用以輔助地圖的分發(fā)。在頻譜地圖包含的信息中,地理特征和頻譜政策信息具有相對(duì)穩(wěn)定性,需要對(duì)建立頻譜地圖的區(qū)域內(nèi)的地理特征、頻譜政策和用頻經(jīng)驗(yàn)等信息的長(zhǎng)期收集和整理,可用信道信息可能會(huì)由于頻譜使用情況的時(shí)變性而頻繁更新。為此,頻譜地圖的信息維護(hù)和更新以單個(gè)子區(qū)域?yàn)閱挝?以避免局部信息的變化帶來的全局重構(gòu)。為建立信息完善并且具有實(shí)時(shí)性的頻譜地圖,可以借鑒FCC認(rèn)證的商業(yè)公司建立的模式,也可以通過部署傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)收集和更新。2.2機(jī)制2:按需傳統(tǒng),更新實(shí)時(shí)單一區(qū)域內(nèi)的頻譜地圖由區(qū)域頻譜管理中心建立、管理和維護(hù)。為了對(duì)區(qū)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的管理和提供及時(shí)的信息服務(wù),設(shè)計(jì)定期分發(fā)、按需分發(fā)和有更新實(shí)時(shí)分發(fā)3種頻譜地圖分發(fā)機(jī)制,如圖2所示。(1)定期分發(fā)。是指區(qū)域頻譜管理中心設(shè)置分發(fā)間隔,每隔一定周期向區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)分發(fā)最新的頻譜地圖信息。這種方式屬于定期維護(hù)機(jī)制,根據(jù)頻譜政策、區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量、干擾情況和分發(fā)的帶寬開銷等設(shè)置分發(fā)間隔,通過更新的頻譜地圖信息不斷提高頻譜管理的效能。(2)按需分發(fā)。是指當(dāng)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)提出需求時(shí),區(qū)域頻譜管理中心向該網(wǎng)絡(luò)定向發(fā)送頻譜地圖信息。為了提高對(duì)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)提供頻譜地圖的實(shí)時(shí)性,在任意時(shí)間網(wǎng)絡(luò)提出需求都會(huì)對(duì)其下發(fā)頻譜地圖。這種方式主要針對(duì)在該區(qū)域新投入使用的網(wǎng)絡(luò)、頻譜地圖數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)故障的網(wǎng)絡(luò)等。(3)更新實(shí)時(shí)分發(fā)。是指當(dāng)區(qū)域頻譜管理中心發(fā)現(xiàn)頻譜地圖數(shù)據(jù)庫(kù)有更新時(shí),向相關(guān)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送最新的頻譜地圖信息。這種方式主要針對(duì)頻譜地圖更新涉及的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送,且需要考慮更新的時(shí)間與下一個(gè)定期分發(fā)的時(shí)間、更新的緊急程度以及發(fā)送開銷等因素,如區(qū)域頻譜管理中心判定可以等待到下一個(gè)周期時(shí)定期分發(fā),則可以選擇不發(fā)送,以降低分發(fā)的開銷。3軟件實(shí)現(xiàn)方案在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,軟件仿真難以模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的不足,而實(shí)物網(wǎng)絡(luò)測(cè)試開發(fā)周期長(zhǎng),成本高。半實(shí)物仿真將實(shí)物節(jié)點(diǎn)和軟件仿真相結(jié)合,能夠克服上述2種方式的不足。因此,本文基于目前通用的USRP射頻前端和GNURadio軟件無線電平臺(tái)建立半實(shí)物仿真系統(tǒng),對(duì)提出的DSM框架進(jìn)行驗(yàn)證。半實(shí)物仿真系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。區(qū)域頻譜管理中心由一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn),主要的功能包括區(qū)域網(wǎng)絡(luò)管理、管理及下發(fā)頻譜地圖和頻譜實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)等。實(shí)物網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)由1臺(tái)計(jì)算機(jī)與1個(gè)通用軟件無線電外設(shè)(universalsoftwareradioperipheral,USRP)模塊組成。實(shí)物網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域頻譜管理中心通過以太網(wǎng)交換機(jī)組成局域網(wǎng)進(jìn)行通信,實(shí)物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通過無線通信。DSM半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案如圖5所示?；贛icrosoftAccess2003建立頻譜地圖數(shù)據(jù)庫(kù),包括地理特征子表、頻段政策子表、信道子表3個(gè)數(shù)據(jù)表,版本信息通過區(qū)域頻譜管理中心負(fù)責(zé)記錄和維護(hù);頻譜實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)算法程序基于Matlab軟件編寫,并由Matcom軟件編譯以供調(diào)用;區(qū)域頻譜管理中心在Windows系統(tǒng)下使用VisualStudio2010軟件基于C++語言實(shí)現(xiàn),通過開放數(shù)據(jù)庫(kù)互連模式(opendatabaseconnectivity,ODBC)方式調(diào)用頻譜地圖數(shù)據(jù)庫(kù),并建立相應(yīng)的類管理、維護(hù)和下發(fā)頻譜地圖,通過Matcom接口調(diào)用Matlab算法程序。為便于USRP數(shù)據(jù)讀取與編程,實(shí)物網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行Ubuntu10.04操作系統(tǒng),并基于GNURadio開源軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā),與區(qū)域頻譜管理中心的通信基于TCPSocket進(jìn)行。區(qū)域頻譜管理中心軟件主界面如圖6(a)所示,主要包括頻譜地圖管理、頻譜地圖分發(fā)與服務(wù)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)管理和頻譜資源協(xié)調(diào)等菜單。網(wǎng)絡(luò)管理功能如圖6(b)所示,可以設(shè)置區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量以及每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、組網(wǎng)方式等參數(shù)。頻譜地圖功能實(shí)現(xiàn)如圖7所示,可以對(duì)區(qū)域內(nèi)的頻譜地圖信息進(jìn)行管理和更新,實(shí)物用頻網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)所在區(qū)域和工作頻段提出頻譜地圖需求,區(qū)域頻譜管理中心根據(jù)需求進(jìn)行地圖分發(fā)。4ctrdp-cdsa算法的仿真為了比較動(dòng)態(tài)頻譜管理與靜態(tài)頻譜管理2種管理模式,基于半實(shí)物仿真系統(tǒng)對(duì)文獻(xiàn)提出的基于用頻請(qǐng)求動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度的協(xié)作頻譜分配機(jī)制(combinedterminalrequestdynamicprioritybasedcoordinateddynamicspectrumallocation,CTRDP-CDSA)與先來先服務(wù)策略的靜態(tài)頻譜分配算法(staticfrequencyassignmentwithfirstinfirstoutpolicy,SAFIFO)進(jìn)行仿真比較。在區(qū)域頻譜管理中心管理的區(qū)域內(nèi),可用頻譜分為54個(gè)信道,每個(gè)信道帶寬為1MHz,區(qū)域內(nèi)有包括實(shí)物網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的3個(gè)動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò),每個(gè)網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)業(yè)務(wù)周期(45s)內(nèi)的信道數(shù)量需求如圖8所示。仿真時(shí)間超過業(yè)務(wù)周期時(shí),循環(huán)生成信道需求。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的緩存均為30個(gè),即如果等待分配信道的請(qǐng)求大于緩存數(shù)量,則最先到來的請(qǐng)求將被刪除。SAFIFO算法將所有信道平均分配給各個(gè)網(wǎng)絡(luò)。CTDRP-CDSA算法采用動(dòng)態(tài)頻譜分配,每個(gè)信道分配周期設(shè)置為5s,仿真時(shí)間為180個(gè)時(shí)隙。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中,頻譜分配算法的設(shè)計(jì)通過修改.m文件實(shí)現(xiàn),其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在軟件界面中設(shè)置。本節(jié)中所有仿真結(jié)果均為500次仿真結(jié)果的均值。圖9給出了平均吞吐量的仿真結(jié)果,由圖可見,在系統(tǒng)中所有網(wǎng)絡(luò)的總需求(payloadSUM)大于總信道容量時(shí),CTRDP-CDSA算法能夠最大化地利用所有的信道容量,SAFIFO算法只有在總信道需求累積較多時(shí)能夠較好地利用所有的信道,CTRDP-CDSA算法的吞吐量提高大于20%。圖10給出了平均時(shí)延的仿真結(jié)果,可以看出,采用CTRDP-CDSA算法的平均時(shí)延遠(yuǎn)小于SAFIFO算法,這是因?yàn)榍罢卟捎昧寺?lián)合優(yōu)先級(jí)調(diào)度的動(dòng)態(tài)分配策