一种基于模型的频谱管理方法

一种基于模型的频谱管理方法

0基于数据的频率管理目前的频带管理模式主要包括国际分类、国家分类、频带分割、频率输入等模式。不同部门往往根据用频系统特点、使用环境等因素选择频谱管理工具。例如美国国防部有超过40种的频谱管理工具,用来辅助国防部频谱管理者针对不同场合进行频率指配。要在不同的管理工具之间实现对某一频率的重复指配,后面的指配决策需要完全理解前一个指配决策的详细信息。这包括前一个指配决策所用的数据、模型集合、对用频系统的理解等信息。目前,管理工具并不具备这类信息交互功能。不同部门使用的频谱管理工具之间所传递的只是指配结果,缺少过程信息,无法告知其他频谱管理工具该指配对于同频段其他用频系统的影响(见图1)。因此,其他系统难以重用已指配的频率。这就形成了频率专属专用的指配模式,仅通过对频谱的简单划分来实现频谱兼容共用,使得频谱资源利用率低、灵活性差。要改进上述问题,提升频谱管理的灵活性,提高频谱资源的使用效率,一是应突破专属专用的频谱管理方式,针对每一个用频任务收集、管理频谱资源;二是除了在不同的频谱管理者或工具间传递频率指配结果之外,还需要传递频率重复指配所需的过程信息。美国MITRE公司的研究人员于2011年提出了一种基于模型的频谱管理方法(ModelBasedSpectrumManagement,MBSM)。该方法的核心理念是将所需的这些不同信息规范为标准化的频谱消耗模型(SpectrumConsumptionModel,SCM),并依据SCM管理用频行为,从而实现更为灵活高效的频谱管理。1基于频谱消耗的频谱模型SCM旨在通过对用频系统产生的时域、频域、空域的频谱使用情况和使用范围建立模型,提供其他管理工具计算频谱重用所需的信息,无须在频谱管理工具之间或管理者之间共享用频系统的射频参数、使用方式等诸多细节(这些细节经过抽象后已经体现在模型中)。SCM作为频谱管理系统之间的核心接口,可以实现频谱管理工具和用频系统之间的“松耦合”,从而可以促进频谱管理和频率使用方式在各自领域内的技术变革。一个完整的SCM应能够描述发射机、接收机的用频特性,包含路径损耗、互调特性、运行地点、天线方向等信息,还应包含详细的用频策略。SCM共包含如下12类建模组件:(1)总功率:通常指由发射机天线发射或接收机天线接收到的总功率,表示为单一数值。(2)频谱掩模(spectrummask):在不同频段内相对于最大功率密度的功率谱密度,表示为可变长数组。(3)基底掩模(underlaymask):相对于最大功率密度允许干扰的相对功率密度,与频谱掩模共同定义了避免干扰所需的保护限值,表示为可变长数组。(4)功率地图:发射天线各个方向上相对于最大功率密度的发射功率密度,表示为可变长数组。(5)传播地图:各个方向上的路径损耗,表示为可变长数组。(6)互调特性:定义了由用频系统的非线性器件联合形成的、由发射机发射或被接收机接收到的同址信号特性,表示为可变长数组。(7)平台名称:包含特定系统所在的平台名称列表,这些名称用于确定何时多个系统同址且可能会产生互调和带外干扰,表示为名称列表。(8)开始时间:模型生效的时间,可以包括开始时间、使用周期等信息。(9)结束时间:模型停用的时间。(10)位置:用频系统的使用位置,可能是点、空间、轨迹或轨道。(11)最小功率谱通量密度:发射信号不再受到保护时的衰减程度,表示为单一数值。(12)策略或协议:用频系统使用方式和频谱共享要求的相关信息,对允许不同系统同址部署和同频共存的系统行为进行定义和说明。一个用频系统的频谱消耗模型SCM通常由发射机模型和接收机模型构成。发射机模型重点说明发射信号的范围和强度。必要的关键组件包括总功率、频谱掩模、功率地图、传播地图和位置。无线电信号可以从位置组件确定的空间任意一点发出,由总功率、频谱掩模和功率地图定义发射源的信号强度,传播地图定义信号沿传播路径的衰减速率。接收机模型重点说明什么是有害干扰。必要的关键组件包括总功率、基底掩模、功率地图、传播地图和位置。接收机可以位于由位置组件定义的空间任意一点上。通过某一个系统发射机模型和另一个系统接收机模型之间的交互,SCM构建了系统间频谱使用的界限,能够描述发射机和接收机的特定频谱特性对于频谱消耗的作用。频谱消耗的空间范围通过次要用户必须遵守的兼容性界限来确定。2基于scm的频谱管理基于模型的频谱管理(MBSM),是基于SCM描述用频设备或系统兼容共用的边界条件的频谱管理方式。在MBSM中,通过创建和交换SCM来实施频谱管理,MBSM分解了频谱管理的难题。频谱用户也可以对自己的用频进行建模而不依赖于其他用户,并将机器可识别的模型置入MBSM系统中,将频谱使用策略传递给用频设备,由通用的算法来判断其兼容性。频谱管理的关键是确定用频系统间的兼容性。计算工具可以通过SCM自动评估任意两个模型的兼容性。计算前先判断模型在时间和频率方面是否重叠,如果重叠,再进一步计算模型之间是否兼容。兼容性计算分两步进行:一是确定干扰信号到达接收机的强度,使用发射机模型的总功率、频谱掩模和功率地图组件,确定从发射机发出的在接收机方向上的信号强度。然后信号基于由发射机模型的传播地图所定义的方向性速率产生衰减。计算时考虑了最坏的情况以及二者之间的间隔距离。二是确定什么是可接受的干扰。这将由接收机在发射机方向上的总功率、功率地图和基底掩模计算得出。之后,通过简单的比较就可以确定兼容情况。这个过程如图2所示。SCM通过对频谱使用在时间和空间上的细分,描述了更加精细化的频谱使用方式,如图3所示。图3(a)代表了当前的频谱管理方法,即将一整块频谱资源固定指配给一个用频系统,满足系统在相当长一段时间内所有运行情况下的用频,直到该指配发生改变。事实上,可以基于频谱的实际使用情况通过对频谱进行细分来产生频谱重用机会,如图3(b)所示,将资源分成几个小块,让每个小块对应该系统一个独立的用频区间,可以分别用带有不同起止时间的独立SCM来表达。这样的好处是,这些小块为其他系统提供了重用同一段频谱资源的机会。因此,MBSM可以增强对频谱共享的管理能力。通过SCM获取时间、空间、频率维度的精细化用频情况,计算工具就能以此为手段计算最优化重用策略。MBSM并非完全颠覆现有的频谱管理方法和管理过程,它仍然要收集系统特征数据,管理者仍然要使用当前的地形及传播模型将用频系统部署效果可视化,并且仍然要评估频谱的可支持性,收集和提供频率分配指配策略,报告并解决用频冲突和干扰。建模的目的是简化这些任务,并增加一些额外的过程来提高频谱管理的有效性。SCM只是初步分析的产物,用于更有效地完成频谱管理的后续任务。MBSM具有三方面优势。第一,有效地兼顾了频谱管理的高效性和安全性,SCM利用地域、时间等极少量信息描述了用频系统的频谱使用方式,可以有效避免高保密性的用频系统和任务泄露过多敏感信息,促使更多保密性要求高的用户也能够进入频谱高效共享的范畴。第二,SCM实现了频管系统和用频系统之间的“松耦合”,如同IP对于Internet的作用一样,通过对通用信息进行简单定义,就可以实现系统集成和互操作。第三,提升了频谱管理工作的效率和质量,对于系统的操作运行最为熟悉的用频人员可以针对自己的用频活动构建模型,并将这些模型应用于频率指配,这样频率管理行为就可以分发给最能有效运行系统的用频人员来开展,频率管理者就可以从固定指配的困境中解脱出来。这种新方式会带来用频观念的转变,即从频谱使用者固守频谱资源并严防他人占用,转变为所有使用者力图将自身的频谱消耗最小化,并且挖掘更多模型来计算频谱重用时机,然后找到利用这些时机的方法,从而提高频谱使用效率,此外,将来有可能实现用频系统自主挖掘出模型集合并自主决策使用哪个频率。3频谱接入提供策略MBSM的目标是使用SCM为在频谱管理系统之间共享频谱使用信息和频谱动态接入提供策略和指南。实现这一目标必须经过一个稳步推进的过程,需要开展六个方面的推进工作。(1)scm的标准化SCM必须经过定义和固化,才能真正作为“松耦合”接口被频谱管理者和用频人员广泛使用,使对于频谱管理方式和用频方式的设计与更改不会影响到彼此的技术变革。因此要对SCM的建模过程进行标准化。目前,SCM相关组织已向IEEE动态频谱接入网络标准委员会提交了建模方法和数据结构的标准化提案。(2)频谱接入的能力模型的价值取决于使用模型进行自动化频谱管理和动态频谱接入的能力,因此应研究如何应用模型的算法,并与标准化工作同步开展。这一研究应贯穿建模方法标准化过程,并保持开放性,供各类人员使用和改进。(3)基于现有数学模型的频谱管理有了建模方法和相应的频谱管理算法,我们就可以将模型应用于频谱管理过程。下一步是将模型集成到现有的频谱管理工具之中,使频谱管理效率更高。集成后特定的建模方法将对应特定的用频系统,从而简化SCM的构建过程。(4)基于模型的频谱管理MBSM的目标之一是使SCM能够将频谱授权和策略向其他管理者或直接向用频系统传递。当建模方法足够成熟并进行标准化之后,用频系统的设计者就可以依据模型所提供的指南开发用频系统,基于模型的“协议和策略”组件对共享频谱的策略和协议进行进一步的开发和定义,从而促进基于策略的频谱管理技术的创新发展。(5)动态接入能力评估基于策略的频谱管理技术能够使用频设备具备自动而灵活的频谱动态接入能力,经过长期经验积累之后可以确定何种策略和协议与特定系统兼容,或能被特定系统更有效地实现,在此基础上就可以对用频系统及相关策略与其他系统的兼容性进行评估。(6)释放未用的频谱使用MBSM进行频谱管理的终极目标是实现频谱动态接入,使各用频系统协同工作的同时,释放出未用的频谱。假定已采用SCM作为频谱管理的核心手段,用户就可以通过模型提供的具体实现策略或指南的技术,自行实现动态频谱接入。4频率资源的动态管理本文介绍的基于频谱消耗模型的频谱管理方法,为实现频率资源动态使用和管理提供了一种解决方案。该方法对于优化改进现行的频谱管理模式、提高频谱资源利用效率、挖掘频谱资源潜在价值具有较大的参考意义,体现在以下几个方面:一是按照用频任务动态配置频率资源。以用频任务为单位,按需申请、合理指配、重复使用、及时回收频率资源,可改变专属专用的频谱管理方式,实现资源动态使用。二是以丰富、规范的指配信息动态管理频率。在说明频率指配结果时补充必要的过程性信息,用标准化方式描述用频设备的用频行为