基于频谱多重使用的动态频谱管理方法

摘要

本发明公开一种基于频谱多重使用的动态频谱管理方法，在无线电管理机构下新增动态频谱管理系统，实现非授权用户对已分配频谱未使用时的再次利用；动态频谱管理系统包括动态频谱管理中心、频率使用状况数据库、频谱监测单元和被监测的实际频谱使用环境；动态频谱管理中心在管理规则指导下，直接接收非授权用户频谱申请及指配频谱；频谱监测模块周期性监测无线环境变化并将结果报告给频率使用状况数据库，数据库动态记录并向动态频谱管理中心提供频率使用状况数据；所述管理规则包含申请帧、分配帧格式，数据库查询方式，频谱分配方式；在非授权用户和动态频谱管理系统之间采用帧格式传递频谱申请和分配信息，实现自动快速频率申请和分配。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域。具体是一种基于频谱多重使用的动态频谱管理方法，用于提高频谱利用率。

背景技术

现有的无线频谱管理规则采用的是单用途频谱分配方法，就是无线电频谱管理部门将某个频带划分给某种业务，则只能为该业务所用；更进一步，将某个频段分配给某个无线业务运营商(或团体、部门等)，则该频段只能由该运营商所属的用户使用，其他用户不能使用该频段。即使前者不使用此频段，后者也无权使用该频段。事实上，长时间监测频谱资源后会发现某些已分配给无线电业务运营商的频段长时间不被使用，还有一些频段只是部分时间被使用，仅有部分频段被频繁使用。国外研究文献“Cognitive Radio”，John Welko，IEEReview，May 2005和我们对某些频段进行的实时监测(参见图1)都证实了这个结论。当前各类无线电用户急剧增长，使得无线频谱资源十分匮乏。但是如前所述，目前频谱资源使用状况是：一方面许多有利用价值的频谱资源经常空闲，另一方面由于这些频谱已被分配，使得许多急待使用无线电频谱的其他用户在法理上不能使用这些频谱。这种对稀缺的无线频谱资源的不充分使用是由于当前无线电频谱管理采用单用途频谱分配方法造成的，是管理方法限制了潜在频谱用户获得频谱接入的能力即限制了对频谱资源的充分利用。在无线电频谱资源十分珍贵的今天，部分修改无线电频谱管理方法从而提高频谱利用率应当提到议事日程上了。已提出的频谱多用途的概念是指挖掘利用频谱的“灰色频段”或专用频谱未使用的频段，这给修改频谱管理方法提供了思路。现有的无线电频谱管理方式是无线电频谱管理机构制定频率使用规则，无线电频率使用者通过书面形式向无线电频谱管理机构申请频率，管理机构再通过书面文件形式给无线电用户指配频率，其管理方式参见图2。

现有的无线电频谱管理分三个层次：频带划分，频段分配，频道指配。三个层次的对象及其实施方式如表1所示。

  名称  层次  对象  实施方  频带划分  向  业务  高层管理部门  频段分配  中  部门  频率管理部门  频道指配  低  电台  无线网络运营者

                   表1

频带划分：将某个特定的频带列入频率划分表，规定该频带可在制定条件下供一种或多种地面或空间无线电通信业务或射电天文业务使用。

频段分配：将无线电频段规定由一个或多个部门，在指定的区域内供地面或空间无线电通信业务在制定条件下使用。

频道指配：将频道指配给某个无线电台在规定条件下使用。

综上所述，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，并在授权用户到达时非授权用户的实时退避，单靠现有的无线频谱管理方法是不能完成的。这需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。因此，需要设计一种基于认知无线电技术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。

发明内容

针对现有无线电频谱管理方法所存在的不足，为满足非授权用户对已分配频谱在未使用情况下的再次使用，本发明提出基于频谱多重使用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，动态地管理非授权用户使用频谱。本发明将通过申请得到授权频段且可以不受干扰地使用已分配的频段的用户(通常为某个无线业务运营商的注册用户)定义为授权用户；在一定规则下重复使用已分配给授权用户的频段且不影响其它授权用户对频段的正常使用的用户定义(通常为单独或小团体的临时用户)为非授权用户。此类非授权用户应该具有一定的捷变无线电能力。本说明书主要研究非授权用户对授权频段的重新利用来提高频谱利用率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是在无线电管理机构下新增一个动态频谱管理系统，实现非授权用户对已分配频谱在未使用时的再次利用；动态频谱管理系统包括动态频谱管理中心、频率使用状况数据库、频谱监测单元和被监测的实际无线电频率使用环境；其中，动态频谱管理中心在管理规则指导下，直接接收非授权用户的频谱申请且完成其频谱的指配；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，频率使用状况数据库动态记录并向动态频谱管理中心提供频率使用状况数据；而非授权用户和授权用户则构成了被监测的实际无线频率使用环境中的用户；所述管理规则包含申请帧、分配帧格式，数据库查询方式，频谱分配方式；非授权用户向动态频谱管理中心发送申请采用申请帧形式，动态频谱管理中心在查询方法的指导下查询数据库，进行频谱分配，并将分配结果以分配帧的形式答复非授权用户，实现了在非授权用户和动态频谱管理系统之间用帧格式传递频谱申请和频谱分配信息。

本发明的非授权用户申请过程和动态频谱管理中心分配过程依靠网络实现，频谱监测单元周期性地监测无线环境的变化，并将监测结果反馈给频谱使用状况数据库；数据库就根据监测结果做相应的改动并实时记录频谱空洞相关数据；当一个非授权用户产生对频谱的需求，就将需求信息及个人相关信息按照申请帧格式构成申请帧，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此申请帧后，首先对申请用户的信息进行分析，然后按照先空洞等级，再空洞稳定度，最后空洞带宽的原则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谱，并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，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，实现在通信线路上的自动、快速频率申请和分配。

本发明的非授权用户所使用的频率申请帧格式及主要参数为：

申请帧：50比特

帧头Head：8比特

用户注册号Number：7比特

用户类别Type：1比特

申请数据Data：23比特

紧急程度Emergency：1比特

功率下限PowerDown：8比特，

其它Other：保留2比特。

本发明动态频谱管理中心所使用的分配帧格式及主要参数为：

分配帧：47比特

帧头Head：8比特

用户注册号Number：7比特

应答状态Response：3比特

分配数据Data：19比特

功率上限PowerUp：8比特

其它other：保留  2比特。

本发明接收非授权用户发送的申请帧，动态频谱管理中心查询数据库，发送相应的分配帧，进行频率动态分配：

如果有符合要求的频段，将分配帧中应答状态Response置为001，表示非授权用户申请到合适的频段，分配数据项Data项填写关于申请到的频段的详细信息；

如果没有符合要求的频段，将分配帧中应答状态Response置为011，表示网络全忙，申请被拒绝；

如果申请信息不明确，将分配帧中的应答状态Response置为100，表示信息不详尽，需进一步协商；

如果申请帧中没有携带用户注册号Number，将分配帧的应答状态Response置为000，表示视为无效用户不予以分配；

如果分配帧应答状态Response置为010，表示申请到的频段因为某些原因推迟一段时间以后才能使用。

和现有的无线电频谱管理方法相比，本发明具有以下特性：无线电管理机构下新增的动态频谱管理系统直接完成对非授权用户频谱的指配，而不需经过现有的频谱分配过程中的对无线业务运营商的频段分配过程。非授权用户的频谱申请和动态频谱管理系统的频谱分配有别于现有的无线电频谱管理所采用的通过文件传递的方式，而是在帧格式和管理方法的指导下自动完成的。

附图说明

图1935～960MHz频段各频点一天的频谱利用率

图2现有无线电频谱管理方法示意图

图3现有无线电频谱分配、指配层次与动态频谱管理指配层次比较示意图

图4动态频谱管理系统构成及管理方法示意图

图5动态频谱管理中心数据库查询流程图

图6动态频谱管理中心分配流程图

图7申请帧格式主要参数示意图

图8分配帧格式主要参数示意图

图9频率动态分配过程图

图10具体实施例中908～910MHzGSM频段的无线频谱使用状况图

图11期望占用一个频道的申请帧格式

图12对应于图10，申请成功的分配帧格式

图13对应于图10、图11所述情况，频谱监测单元监测到非授权用户占用一个频道的无线频谱使用状况图

图14期望占用两个连续频道的申请帧格式

图15对应于图13，申请成功的分配帧格式

图16对应于图13、图14所述情况，频谱监测单元监测到非授权用户使用两个连续频道传输业务的无线频谱使用状况图

图17申请被拒绝的分配帧格式

具体实施方式

参照上述附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

参见图3，本发明是在现有的无线电频谱管理机构下增设一个动态频谱管理系统，直接为非授权用户指配频率，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。

(一)动态频谱管理系统的构成

参见图4，动态频谱管理系统由动态频谱管理中心、频率使用状况数据库、频谱监测单元和被监测的实际无线电频谱使用环境共同构成。所述动态频谱管理中心是在“规则”指导下，直接接收非授权用户的频谱申请和完成其频谱的指配；所述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，频率使用状况数据库动态记录并向动态频谱管理中心提供频率使用状况数据；而非授权用户和授权用户则构成了被监测的实际无线频率使用环境中的用户；本发明用于指导动态频谱管理系统的“规则”即动态频谱管理规则包含申请帧、分配帧格式，数据库查询方式，频谱分配方式等；非授权用户向动态频谱管理中心发送申请采用申请帧形式，动态频谱管理中心在查询方法的指导下查询数据库，进行频谱分配，并将分配结果以分配帧的形式答复非授权用户，实现了在非授权用户和动态频谱管理系统之间用帧格式传递频谱申请和频谱分配信息。

(二)通信线路上的自动、快速频率申请和分配

参见图5、图6，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。频谱监测单元周期性地监测无线环境的变化，并将监测结果反馈给频谱使用状况数据库，数据库就根据这些检测结果做相应的改动。例如某一授权用户结束对授权频段的使用，频谱监测单元在做周期性的监测时，就会监测到此频段功率下降并立即报告给频谱使用状况数据库，数据库中此频段的低功率记录就表示此时频段空闲。一旦一个非授权用户产生对频谱的需求，就将自己的申请信息(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)按照申请帧格式构成申请帧，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此申请帧后，首先对申请用户的信息进行分析，然后如图5所示，在数据库先空洞等级、再空洞稳定度、最后空洞带宽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比对，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，这一分配流程见图6。如果申请成功，非授权用户收到分配频段的相关信息后就立即或延迟一段时间接入使用此频段，接入后此频段功率就升高，这一变化同样会被频谱监测单元在周期性的监测过程中注意到，同样把此监测结果反馈给频谱使用状况数据库，数据库中此频段的高功率记录就表示此时此频谱不空闲，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，实现在动态频谱管理全过程中通信线路上的自动、快速频率申请和分配。

(三)非授权用户频率申请帧格式

非授权用户有频谱需求，但没有专用的频道可供使用，所以必须向动态频谱管理中心申请授权用户此时不用的空闲频道传输业务。作为非授权用户，动态频谱管理中心对其用户信息一无所知，根本无法进行频谱分配，这就需要非授权用户通过某种双方都认同的方式向动态频谱管理中心传送其个人信息，这种方式就是申请帧格式。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

参见图7，根据动态频谱管理规则，本发明非授权用户所用的申请帧格式及主要参数如下：

申请帧：50比特。

Head帧头：8比特

Number用户注册号：7比特，申请用户位于申请队列中的位置。用户到达后按照业务

                  类型、紧急程度等要求排队构成申请队列，队列可容纳用户数不

                  超过100。

Type用户类别：1比特。

              1：具有认知功能，不需要动态频谱管理中心为其寻找可供使用的频道，

                 本身就具有频谱监测和查找功能，自动为其搜索合适频谱来使用。

              0：不具有认知功能，需要动态频谱管理中心为其查找合适频谱供利用。

Data申请数据：

·使用带宽：9比特，完成其业务传输所需带宽。这里假设非授权用户向GSM系统

            申请频段且申请带宽不超过400kHz，存在以下两种情况：

            情况1：申请带宽小于等于200kHz

            情况2：申请带宽大于200kHz，小于等于400kHz

            以上2种情况，9比特表示如下，单位kHz：

            情况1：0××××××××，最高位0表示带宽小于等于200，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200但小于等于

                   400，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

                       64kHz

            100100000  表示带宽大于200kHz小于等于400kHz，200加上后8比

                       特00100000计算得200+64＝264(kHz)

·使用时间：6比特，业务所需传输时间，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，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，单位min：

            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

·使用地点：2比特，为用户选择合适的频谱使用状况数据库。

            00：东区

            01：南区

            10：西区

            11：北区

·稳定度：2比特，为完成其业务传输所期望的空洞稳定度。

          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：根据话音特点，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：实时性要求不高，业务流量居中，空洞稳定度要求中间，

                      准确性居中，空洞等级要求居中

            视频业务：实时性高，业务流量大，空洞稳定度要求最高，准确性

                      高，空洞等级要求最高

·主叫地理位置：2比特，申请用户产生地。

                00：东区

                01：南区

                10：西区

                11：北区

Emergency紧急程度：1比特。

                   Emergency＝1紧急  需要马上处理，优先级最高

                   Emergency＝0非紧急  按照正常业务优先级处理

PowerDown功率下限：8比特，为正常传输其业务所需的最小发射功率。

Other：其它  保留  2比特。

2.申请规定

·条件：用户为非授权用户，具有捷变无线电功能。

·业务量：业务量不能太大，持续时间不能太长，因为频谱空洞出现不稳定且随机性强。

(四)动态频谱管理中心分配帧格式

有了申请结果，动态频谱管理中心就要通过某种方式将申请结果反回给申请用户，非授权用户才能根据申请结果接入分配频段或进一步申请，这种方式正是分配帧格式。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。若申请成功则反回关于申请频段的信息，若申请信息不明确或没申请成功，则动态频谱管理中心和非授权用户进一步交流信息，这一交流过程也由分配帧完成。

参见图8，根据动态频谱管理规则，本发明动态频谱管理中心所用的分配帧格式及主要参数如下：

帧结构：47比特。

Head帧头：8比特。

Number用户注册号：7比特，同申请帧格式中的Number。

Response应答状态：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

Data分配数据：Response为001时有意义，19比特，Response为其它，此项为空。

·中心频率  13比特，申请到频段的中心频率。

            GSM系统中，13比特表示如下，单位MHz：

            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，申请到频段的带宽。申请GSM系统频道且申请频道带宽不

        超过400kHz时，由1比特表示方式如下，单位kHz

        0：200  申请一个GSM频道

        1：400  申请两个连续的GSM频道。这时用两个分配帧合起来表示

                申请到两个连续的频道。这里两个分配帧的带宽都设为1，

                表示一个非授权用户申请到两个连续的频道，而不是两个

                非授权用户分别申请到两个频道。

·空洞等级  2比特，申请到频段的空洞等级。

            00：白空

            01：灰空

            10：黑空

·空洞稳定度2比特，申请到频段的稳定度。

            00：低稳定度

            01：中稳定度

            10：高稳定度

·最佳调制方式  1比特，不同的业务，选择不同的调制方式。

                0：OFDM调制

PowerUp功率上限：8比特，单位W，不影响其它授权用户或非授权用户正常通信的最大

                 功率。

其它：保留  2比特。

(五)频率动态分配过程

频率动态分配过程见图9。非授权用户向动态频谱管理中心发送申请帧，动态频谱管理中心查询数据库，然后发送相应的分配帧，不同形式的分配帧应用情况和含义不同。如果有符合要求的频段，将分配帧中Response置为001，表示非授权用户申请到合适的频段，Data项填写关于申请到的频段的详细信息。如果没有符合要求的频段，将分配帧中Response置为011，表示网络全忙，申请被拒绝。如果申请信息不明确，将分配帧中的Response置为100，表示信息不详尽，需进一步协商。如果Response置为000，表示申请帧中没有携带用户注册号Number，视为无效用户不予以分配。如果Response置为010，表示申请到的频段因为某些原因推迟一段时间以后才能使用。

参见图10，动态频谱管理系统中监测单元监测得到无线频谱使用状况如涉及908～910MHz的GSM频段，频道间隔为200kHz。图形含义如下：每个矩形表示一个频道，矩形宽度对应于频道带宽200kHz，矩形高度对应于频道功率，矩形下面的数字表示此频道的中心频率，矩形中的数字表示空洞稳定度即一天中此频道空闲的概率，1、2、3分别表示低、中、高空洞稳定度。穿过矩形的虚线A、B用于区分黑空、灰空和白空，矩形高度高于A表示此频道为黑空即此频道正在被使用，矩形高度低于虚线B表示这些频道为白空即信道上只存在背景噪声，矩形高度位于虚线A、B之间的频道为灰空，即此信道上功率较小，还可以供非授权用户使用。例如第一个矩形表示中心频率为908MHz，带宽为200kHz，空洞稳定度低的灰空。可以依次推导出其它矩形的含义，从而获得908～910MHzGSM频段无线频谱使用状况。

当一个非授权用户向动态频谱管理中心发出申请时，由于用户的申请信息不同，动态频谱管理中心查询数据库得到的查询结果就不同，随后的无线环境变化就不同，现列举四个实施例进一步说明：

实施例1，非授权用户发送申请帧格式如图11所示：各参数含义为：Number 0101110，即队列中第2¹+2²+2³+2⁵＝46个申请用户；Type 1表示不具有认知无线电功能；Data中第一项01011001即所需带宽2⁰+2³+2⁴+2⁶＝89kHz，第二项000011即所需预约实际2⁰+2¹＝3min，第三项10即通话地位于西区，第四项00即空洞稳定度低，第五项00即语音业务类型，第六项10即通话发出用户位于西区；Emergency中0表示非紧急呼叫；PowerDown中00001111即为保证用户基本业务需求发射功率下限为2⁰+2¹+2²+2³＝15W。以上用户申请信息归纳为：队列中第46个申请用户，不具有认知无线电能力，所需带宽89kHz、预约通话3分钟、通话地点在西区，业务类型为语音，空洞稳定度低、主叫用户位于西区、非紧急通话，通话所需最小功率为15W。动态频谱管理中心查询数据库找到了符合要求的频道，在分配帧中携带此频道信息发送给用户，分配帧格式及参数见图12所示：Number0101110即第2¹+2²+2³+2⁵＝46个申请用户；Response 1表式有合适频道给予分配；Data中第一项1110001101|000即分配频道的中心频率为2⁰+2²+2³+2⁷+2⁸+2⁹＝909MHz，第二项0表示申请到频道的带宽为200kHz，第三项00表示白空，第四项00表示空洞稳定度低，第五项0表示调制方式为OFDM调制；PowerUp 00011110表示为了不影响其它用户正常通信的发射功率应不高于2¹+2²+2³+2⁴＝30W。应答信息为：第46个申请用户成功申请到频道，频道带宽200kHz，中心频率为909MHz，白空，空洞稳定度低，采用OFDM调制方式且发射功率小于30W。一段时间以后，用户开始使用此频道，频谱监测单元就会监测到此频道的功率变化如图13所示。注意到909MHz频道上的功率超过了虚线A，说明此时信道已被占用，马上报告给频谱使用数据库，使其做相应的修改表示此频段不空闲。

实施例2，非授权用户申请帧格式如图14所示，除Data中第一项101101010表示所需带宽为2¹+2³+2⁵+2⁶+200＝306kHz，其它项含义与图11完全一样。所以用户的申请信息为：队列中第46个申请用户，不具有认知无线电能力，所需带宽306kHz、预约通话3分钟、通话地点在西区，业务类型为语音，所需空洞稳定度低、主叫用户位于西区、非紧急通话，通话所需最小功率为15W。注意到此用户需要306kHz的带宽，超过一个频道带宽但小于两个连续频道带宽。动态频谱管理中心查询数据库后发回的分配帧格式如图15所示：除Data中第一项1110001100|100和1110001101|000表示分配频道的中心频率为2²+2³+2⁷+2⁸+2⁹+2³×0.1＝908.8MHz和2⁰+2²+2³+2⁷+2⁸+2⁹＝909MHz，第二项1表示申请到频道的带宽为400kHz，第三项00表示白空，第四项01和00表示相邻两个频道空洞稳定度中和低以外，其它含义与图12所示一样。所以应答信息为：第46个申请用户成功申请到两个连续的频道，带宽400kHz，中心频率分别为908.8MHz和909MHz，白空，空洞稳定度中和低，采用OFDM调制方式且发射功率小于30W。一段时间以后，用户开始使用此连续两个频道，频谱监测单元就会监测到此频道的功率变化如图16所示。注意到908.8MHz和909MHz两频道上的功率都超过了虚线A，说明此时这两个连续的频道被占用，马上报告给频谱使用数据库，使其做相应的修改表示此两频段不空闲。

实施例3，非授权用户申请帧格式中，除业务类型设为数据以外其它各项如图11所示。相应的分配帧格式中，除申请到的频段的中心频率为908.4MHz，空洞稳定度高以外其它各项如图12所示。由于数据业务要求高空洞稳定度，所以就选择高空洞稳定度的频道，由此得知申请用户传输业务不同，选择的频道就不同。

实施例4，当非授权用户所期望的空洞稳定度或带宽得不到满足时，或者此时所申请的频段内不存在空闲频道时，分配帧格式都会如图17所示，Number项表示队列中第46个申请用户，Response 011表示拒绝分配频道，PowerUp表示发射功率不得超过30W。

以上讨论公开了从管理层的角度出发，提高频谱利用率的基于频谱多重使用的动态频谱管理方法。本领域一般技术人员可知，在不超出权利要求范围的情况下由本发明所提出的基于频谱多重使用的动态频谱管理方法可以获得其他实施例。