基于频谱地图的区域动态频谱管理框架

基于频谱地图的区域动态频谱管理框架

随着无线通信技术的发展，现有无线通信服务的用户数量迅速增加，新的无线通信技术和服务不断出现，频率需求显著增加，频率不足问题日益突出，已成为限制无线通信发展的重要瓶颈。同时,大量测量结果表明,已分配频段的利用率并不高。因此,频谱稀缺并非频谱资源本身的匮乏,而是由于当前静态、固定的频谱管理模式难以充分利用频谱造成的。认知无线电(cognitiveradio,CR)提供了感知频谱环境和伺机接入空闲频谱的能力。认知无线电网络可以根据频谱环境和网络负载等情况改变网络配置,实现细粒度的频谱资源动态优化。适应这种网络的动态频谱管理(dynamicspectrummanagement,DSM),应当在遵循频谱规划的条件下,基于不同区域、不同时间和不同网络需求动态地分配频谱,实现频谱使用与需求的最优搭配,从而达到频谱资源的高效利用。美国联邦通信委员会(FederalCommunicationCommittee,FCC)2003年成立频谱任务工作组,2010年正式批准使用动态频谱接入设备。美国国防频谱组织(DefenseSpectrumOrganization,DSO)2006年提出了全球电磁频谱信息系统(globalelectromagneticspectruminformationsystem,GEMSIS),旨在由当前的静态频谱管理到2020年转变为随时随地、自同步的频谱接入。美国国防部高级研究计划局(DefenseAdvancedResearchProjectAgency,DARPA)资助的下一代无线通信计划(neXtGeneration,XG),研究通过灵活的频谱政策进行动态频谱管理,该项目在2006年进行的网络实测验证了其提高频谱利用率和组网部署的有效性。DARPA在2008年启动的下一步无线网络计划(WirelessNetworkafterNext,WNaN),将动态频谱接入技术应用于移动AdHoc网络,该项目在2010年的网络实测中实现了在900MHz~6GHz范围内动态选择信道组网,2012年和2013年连续2次参与了美国陆军网络集成试验,其技术成熟度已达到较高水平。及时、准确地获得频谱相关信息是进行DSM的前提和基础。获取频谱信息的途径可以分为频谱感知和接入数据库2种。频谱感知技术已经受到了广泛的关注和研究,主要通过协作感知调度和融合算法的设计实现提高感知的精确度、降低感知时间的目标。为了保证授权用户不受干扰,FCC要求所有工作在电视频段的认知无线电设备能够检测并保护最小功率为-144dBm的授权用户。这种严格的要求使得频谱感知的开销和设备要求大大提高,同时也降低了空闲频谱的利用率。因此,接入数据库的方式成为实现动态频谱管理更为现实的选择。IEEE1900.5-2011标准中,将频谱数据库作为支持设备快速获得所处环境的射频信息的备选模块。2010年,FCC规定所有工作在TV频段的动态频谱接入网络具有连接至频谱数据库获得频谱可用性信息的功能,并指定微软、谷歌等10家公司负责建立和运营频谱数据库。维吉尼亚工学院提出综合地理特征、频谱政策和无线设备功能等信息建立无线电环境地图(radioenvironmentmap,REM),为认知无线电网络提供外部支持。文献的仿真结果表明,在有REM支持的情况下空闲频谱的利用率可以提高50%以上。文献研究了REM设计中传感器节点数量与REM精确度的优化问题。文献提出利用分层REM支持异构长期演进(longtermevolution,LTE)接入网络的方案。可以看出,利用无线电环境地图、频谱数据库等为网络提供外部频谱信息支持已经成为动态频谱管理的主要研究方向。虽然在现有的文献中已经出现关于频谱数据库的建设和基于数据库提高网络性能的成果,但是对基于数据库的动态频谱管理架构、频谱地图的分发使用方式等方面还未见系统性的研究成果。针对上述问题,本文在分析DSM系统需求的基础上,综合无线电环境地图、频谱数据库等系统的优势,提出基于频谱地图的DSM系统,并基于通用软件无线电平台建立了半实物仿真系统,对该框架的可行性和有效性进行了仿真验证。1基于谱图的动态谱分析1.1系统的基本能力为了提高频谱利用率,频谱管理系统应当对区域内大量共存的动态频谱接入网络进行有效管理,并提供必要的信息支持。为此,DSM系统应当满足如下要求:(1)灵活性:系统应能适应实时频谱政策的要求和网络所处环境的变化,并且能适应频谱管理部门下发的最新频谱政策。(2)稳定性:在复杂频谱环境中,系统应能为网络提供相对稳定的信息服务以支持网络为用户提供端到端服务质量(qualityofservice,QoS)保障。(3)自主性:系统应具有自主频谱管理能力,在没有基础设施支持时,也能在预置频谱政策的约束下,实现自主、优化的频谱决策。(4)兼容性:频谱管理模式的转变是一个长期的过程,因此系统应能兼容现有的无线应用系统。1.2区域频谱地图现有的方式(如基于REM和基于频谱数据库)提供的信息有限或者灵活性难以适应复杂、无基础设施的网络场景的需求,同时难以满足上述4类需求。为此,本文针对区域频谱管理问题,在综合无线电环境地图方式和频谱数据库方式优点的基础上,提出基于频谱地图的DSM架构,如图1所示。该架构将频谱政策信息、地理特征信息和频谱可用性信息等抽象为频谱地图,由区域频谱管理中心进行维护和管理,并通过频谱地图对区域内用频网络进行有效管理和提供频谱信息服务。(1)区域频谱管理中心:负责区域内的频谱管理与频谱地图分发服务,在信息基础设施的支持下建立频谱地图,向该区域动态频谱接入网络下发频谱地图信息,并根据多个网络提交的用频需求情况进行频谱资源的实时协调。(2)动态频谱接入网络:可以是集中式或分布式的网络,由基站或管理节点负责网络的管理,主要包括维护本网络频谱地图信息,运行动态频谱分配算法(dynamicspectrumallocation,DSA)进行动态频谱分配。(3)用频节点:负责感知所处环境中的可用信道,并基于本网络频管节点提供的频谱地图信息进行动态频谱接入。在该架构中,频谱地图是实现频谱管理和系统提高频谱利用率的核心,系统对具体的频谱感知和接入算法不作限定,具有接收频谱地图和动态频谱接入能力的网络均可以在该架构下工作。2谱地图的构建和销售机制2.1频谱使用的性描述频谱地图是对带有地理信息的频谱环境的一种抽象性描述,主要描述与频谱使用相关的频谱政策、地理特征、频谱可用性、功率限制、干扰限制和用频经验信息等要素。这些要素分为4类,如表1所示。(1)传播特性及多径效应值区域被划分成网格状,每个网格称为一个子区域,记录其起止经纬度,频谱地图的分发将以子区域为单位。传播特性是指该子区域的衰落系数以及多径效应相关的参数。用频经验主要包括该区域是否包含盲区、隐藏节点、接收机信息等。频谱地图的建立和分发以子区域为单位,网格越小,其信息越精确,同时其建立和维护的开销越大,在实际设计中,需要对精确度和复杂度进行折中考虑。(2)采用网络本体语言建立数字化频谱政策记录该区域内频段划分、业务类型和存储数字化政策等。借鉴XG项目研究成果,可以采用网络本体语言建立数字化频谱政策。此外,该数据库还记录政策的下发日期和有效期限。(3)用户级内限制c记录信道信息,信道可用性分为可用、条件可用和不可用3种,前2种需要进一步限制其功率门限和时间门限,以控制不同优先级用户的相互干扰。(4)频谱地图的长期维护和更新记录频谱地图的更新时间和下发时间,用以辅助地图的分发。在频谱地图包含的信息中,地理特征和频谱政策信息具有相对稳定性,需要对建立频谱地图的区域内的地理特征、频谱政策和用频经验等信息的长期收集和整理,可用信道信息可能会由于频谱使用情况的时变性而频繁更新。为此,频谱地图的信息维护和更新以单个子区域为单位,以避免局部信息的变化带来的全局重构。为建立信息完善并且具有实时性的频谱地图,可以借鉴FCC认证的商业公司建立的模式,也可以通过部署传感器网络动态收集和更新。2.2机制2:按需传统,更新实时单一区域内的频谱地图由区域频谱管理中心建立、管理和维护。为了对区域内的动态频谱接入网络进行有效的管理和提供及时的信息服务,设计定期分发、按需分发和有更新实时分发3种频谱地图分发机制,如图2所示。(1)定期分发。是指区域频谱管理中心设置分发间隔,每隔一定周期向区域内所有网络分发最新的频谱地图信息。这种方式属于定期维护机制,根据频谱政策、区域内网络数量、干扰情况和分发的带宽开销等设置分发间隔,通过更新的频谱地图信息不断提高频谱管理的效能。(2)按需分发。是指当区域内的网络提出需求时,区域频谱管理中心向该网络定向发送频谱地图信息。为了提高对区域内网络提供频谱地图的实时性,在任意时间网络提出需求都会对其下发频谱地图。这种方式主要针对在该区域新投入使用的网络、频谱地图数据库出现故障的网络等。(3)更新实时分发。是指当区域频谱管理中心发现频谱地图数据库有更新时,向相关网络发送最新的频谱地图信息。这种方式主要针对频谱地图更新涉及的相关网络进行发送,且需要考虑更新的时间与下一个定期分发的时间、更新的紧急程度以及发送开销等因素,如区域频谱管理中心判定可以等待到下一个周期时定期分发,则可以选择不发送,以降低分发的开销。3软件实现方案在网络系统设计中,软件仿真难以模拟实际网络的不足,而实物网络测试开发周期长,成本高。半实物仿真将实物节点和软件仿真相结合,能够克服上述2种方式的不足。因此,本文基于目前通用的USRP射频前端和GNURadio软件无线电平台建立半实物仿真系统,对提出的DSM框架进行验证。半实物仿真系统的硬件实现方案如图3所示。区域频谱管理中心由一台计算机通过软件实现,主要的功能包括区域网络管理、管理及下发频谱地图和频谱实时协调等。实物网络由4个节点组成,每个节点由1台计算机与1个通用软件无线电外设(universalsoftwareradioperipheral,USRP)模块组成。实物网络与区域频谱管理中心通过以太网交换机组成局域网进行通信,实物网络内部通过无线通信。DSM半实物仿真系统实现效果如图4所示。系统软件实现方案如图5所示。基于MicrosoftAccess2003建立频谱地图数据库,包括地理特征子表、频段政策子表、信道子表3个数据表,版本信息通过区域频谱管理中心负责记录和维护;频谱实时协调算法程序基于Matlab软件编写,并由Matcom软件编译以供调用;区域频谱管理中心在Windows系统下使用VisualStudio2010软件基于C++语言实现,通过开放数据库互连模式(opendatabaseconnectivity,ODBC)方式调用频谱地图数据库,并建立相应的类管理、维护和下发频谱地图,通过Matcom接口调用Matlab算法程序。为便于USRP数据读取与编程,实物网络中运行Ubuntu10.04操作系统,并基于GNURadio开源软件平台进行开发,与区域频谱管理中心的通信基于TCPSocket进行。区域频谱管理中心软件主界面如图6(a)所示,主要包括频谱地图管理、频谱地图分发与服务、区域网络管理和频谱资源协调等菜单。网络管理功能如图6(b)所示,可以设置区域内网络数量以及每个网络的节点数量、组网方式等参数。频谱地图功能实现如图7所示,可以对区域内的频谱地图信息进行管理和更新,实物用频网络可以根据所在区域和工作频段提出频谱地图需求,区域频谱管理中心根据需求进行地图分发。4ctrdp-cdsa算法的仿真为了比较动态频谱管理与静态频谱管理2种管理模式,基于半实物仿真系统对文献提出的基于用频请求动态优先级调度的协作频谱分配机制(combinedterminalrequestdynamicprioritybasedcoordinateddynamicspectrumallocation,CTRDP-CDSA)与先来先服务策略的静态频谱分配算法(staticfrequencyassignmentwithfirstinfirstoutpolicy,SAFIFO)进行仿真比较。在区域频谱管理中心管理的区域内,可用频谱分为54个信道,每个信道带宽为1MHz,区域内有包括实物网络在内的3个动态频谱接入网络,每个网络在一个业务周期(45s)内的信道数量需求如图8所示。仿真时间超过业务周期时,循环生成信道需求。每个网络的缓存均为30个,即如果等待分配信道的请求大于缓存数量,则最先到来的请求将被删除。SAFIFO算法将所有信道平均分配给各个网络。CTDRP-CDSA算法采用动态频谱分配,每个信道分配周期设置为5s,仿真时间为180个时隙。在半实物仿真系统中,频谱分配算法的设计通过修改.m文件实现,其他网络设置在软件界面中设置。本节中所有仿真结果均为500次仿真结果的均值。图9给出了平均吞吐量的仿真结果,由图可见,在系统中所有网络的总需求(payloadSUM)大于总信道容量时,CTRDP-CDSA算法能够最大化地利用所有的信道容量,SAFIFO算法只有在总信道需求累积较多时能够较好地利用所有的信道,CTRDP-CDSA算法的吞吐量提高大于20%。图10给出了平均时延的仿真结果,可以看出,采用CTRDP-CDSA算法的平均时延远小于SAFIFO算法,这是因为前者采用了联合优先级调度的动态分配策