基于新型頻譜管理方法提高頻譜利用率

引言

現(xiàn)有的無線頻譜管理規(guī)則采用的是單用途頻譜分配方法，就是由無線電頻譜管理部門將某個(gè)頻帶劃分給某種業(yè)務(wù)以讓該業(yè)務(wù)所專用。由于這種管理方法是將某個(gè)頻段分配給某個(gè)無線業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商（或團(tuán)體、部門等）專用，故該頻段只能由該運(yùn)營(yíng)商所屬的用戶使用，其他用戶不能使用該頻段。這樣，即使前者不使用此頻段，后者也無權(quán)使用該頻段。現(xiàn)有的管理方式是無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)制定頻率使用規(guī)則，頻率使用者通過書面形式向無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)申請(qǐng)頻率，管理機(jī)構(gòu)再通過書面形式給無線電用戶指配頻率。

1 、當(dāng)前頻譜管理存在的問題

現(xiàn)有無線電頻譜管理方法示意圖如圖1所示。事實(shí)上，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)頻譜資源后會(huì)發(fā)現(xiàn)：某些已分配給無線電業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商的頻段卻長(zhǎng)時(shí)間不被使用，還有一些頻段只是部分時(shí)間被使用，或僅有部分頻段被頻繁使用。而當(dāng)前，各類無線電用戶急劇增長(zhǎng)使得無線頻譜資源十分匱乏。但是，目前的頻譜資源使用狀況卻是：一方面許多有利用價(jià)值的頻譜資源經(jīng)?？臻e，另一方面，由于這些頻譜已被分配，因而許多急需使用無線電頻譜的其他用戶卻在法理上不能使用這些頻譜。圖2給出了935～960 MHz頻段各頻點(diǎn)一天的頻譜利用率。這種對(duì)稀缺無線頻譜資源不能充分使用的原因是由于當(dāng)前無線電頻譜管理采用單用途頻譜分配方法所致，正是管理方法限制了潛在頻譜用戶獲得頻譜接入的能力，從而限制了對(duì)頻譜資源的充分利用。因此，在無線電頻譜資源十分珍貴的今天，部分修改無線電頻譜管理方法從而提高頻譜利用率應(yīng)當(dāng)提到議事日程上了。而頻譜多用途概念，即挖掘利用頻頻譜的“灰色頻段”或未使用的專用頻譜，給修改頻譜管理方法提供了思路。

2、 新型頻譜管理方法

如果定義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的用戶為授權(quán)用戶，分配給它的頻段為授權(quán)頻段，相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)外的用戶為非授權(quán)用戶。那么，要在不需要大量增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或重新布局網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，提高頻譜利用率，就應(yīng)當(dāng)使非授權(quán)用戶可以接入網(wǎng)絡(luò)，以便在授權(quán)用戶不使用其授權(quán)頻段時(shí)利用這些授權(quán)頻段傳輸其業(yè)務(wù)。

由于非授權(quán)用戶對(duì)于接入網(wǎng)絡(luò)一無所知，這就需要在網(wǎng)絡(luò)中專門設(shè)立一個(gè)部門以引導(dǎo)其接入和退避（實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)性）；而具有捷變無線電能力的非授權(quán)用戶還應(yīng)具備在授權(quán)用戶不用時(shí)瞬時(shí)接入，授權(quán)用戶恢復(fù)使用時(shí)及時(shí)退避的能力實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)性需要在接入網(wǎng)絡(luò)中增設(shè)一個(gè)動(dòng)態(tài)頻譜管理系統(tǒng)以專門負(fù)責(zé)為非授權(quán)用戶指配合適頻段，并引導(dǎo)其實(shí)時(shí)退避，同時(shí)非授權(quán)用戶和動(dòng)態(tài)頻譜管理系統(tǒng)還應(yīng)通過申請(qǐng)和分配幀格式來實(shí)現(xiàn)信息交互，增加網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。非授權(quán)用戶利用攜帶自己申請(qǐng)信息的申請(qǐng)幀格式向動(dòng)態(tài)頻譜管理系統(tǒng)申請(qǐng)頻段，而相應(yīng)的動(dòng)態(tài)頻譜管理系統(tǒng)則利用攜帶分配頻段信息的分配幀格式來指導(dǎo)非授權(quán)用戶接入網(wǎng)絡(luò)。

2.1 申請(qǐng)幀格式及其參數(shù)

申請(qǐng)幀格式及其主要參數(shù)如表1所列。其中幀頭（Head）和用戶注冊(cè)號(hào)（Number）都是需要確定的參數(shù)。而用戶類別（Type）則包括兩類。類型1應(yīng)具有認(rèn)知功能（即頻譜監(jiān)測(cè)和查找功能），能自動(dòng)為其搜索合適頻段而不需要借助動(dòng)態(tài)頻譜管理系統(tǒng)。類型2則不具有認(rèn)知功能，故要借助動(dòng)態(tài)頻譜管理系統(tǒng)為其查找合適頻段。

申請(qǐng)數(shù)據(jù)（Data）則可根據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)性能的不同進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。具體參數(shù)如下：

◇使用帶寬：業(yè)務(wù)傳輸所需帶寬；

◇使用時(shí)間：業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間；

◇使用地點(diǎn)：業(yè)務(wù)傳輸所占用頻譜資源的區(qū)域；

◇穩(wěn)定度：業(yè)務(wù)傳輸所期望的空閑頻段的穩(wěn)定度；

◇業(yè)務(wù)類型。

◇緊急程度（Emergency）：該參數(shù)也有兩類。類型1為緊急，表示需要馬上處理，它的優(yōu)先級(jí)最高；而類型2為非緊急，表示可以按照正常業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)來處理。

功率下限（PowerDown）是指為正常傳輸其業(yè)務(wù)所需的最小發(fā)射功率。

其它（Other）為保留項(xiàng)。

2.2 應(yīng)答幀格式及其參數(shù)

表2所列為其應(yīng)答幀及其參數(shù)。

它也包括幀頭的用戶注冊(cè)號(hào)。而其應(yīng)答狀態(tài)（Response）則有5類：類型1表示未注冊(cè)用戶（無效）；類型2表示已分配；類型3表示暫緩分配（推遲）；類型4表示全忙（拒絕）；類型5表示有疑問，可以再協(xié)商。

分配數(shù)據(jù)（Data）一般在應(yīng)答狀態(tài)為類型2時(shí)才有意義。具體參數(shù)如下：

◇中心頻率：指申請(qǐng)到頻段的中心頻率?？筛鶕?jù)接入網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行更改。

◇帶寬：表示申請(qǐng)到的無線電頻段的頻率范圍的寬度。

◇空洞等級(jí)：指申請(qǐng)到頻段的空洞等級(jí)。

◇空洞穩(wěn)定度：指申請(qǐng)到頻段的穩(wěn)定度。

◇最佳調(diào)制方式：表示不同的業(yè)務(wù)所選擇的不同調(diào)制方式。

功率上限（PowerUp）表示不影響其它授權(quán)用戶或非授權(quán)用戶正常通信的最大功率。其它（Other）為保留。

2.3 退避

為了實(shí)現(xiàn)非授權(quán)用戶的實(shí)時(shí)退避，這里設(shè)計(jì)了以下兩種退避方法：

首先當(dāng)授權(quán)用戶恢復(fù)使用授權(quán)頻段時(shí)，非授權(quán)用戶立即降低其發(fā)射功率，并繼續(xù)潛藏在此頻段，等待授權(quán)用戶使用結(jié)束后，繼續(xù)使用此頻段傳輸其未完成的業(yè)務(wù)。

其次當(dāng)非授權(quán)用戶恢復(fù)使用授權(quán)頻段時(shí)，非授權(quán)用戶馬上接入其備用頻段。具有捷變無線電能力的非授權(quán)用戶完全能夠?qū)崿F(xiàn)此功能，但是要求非授權(quán)用戶接入系統(tǒng)時(shí)，動(dòng)態(tài)頻譜管理系統(tǒng)不僅能為其尋找一個(gè)接人頻段，同時(shí)要為其尋找一個(gè)用于退避接入的備用頻段。

3、 性能仿真

圖3所示是在現(xiàn)有的頻譜管理方法指導(dǎo)下，只有授權(quán)用戶接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，905.2～914.8 MHz各頻段的占用情況。這里仿真了10個(gè)授權(quán)用戶，其授權(quán)頻段見表3所列。其中，授權(quán)用戶到達(dá)間隔服從負(fù)指數(shù)分布，其均值為4.1。預(yù)約服務(wù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布，其均值為3.4。

圖4所示是用現(xiàn)有頻譜管理方法指導(dǎo)授權(quán)用戶，而用動(dòng)態(tài)頻譜管理方法指導(dǎo)非授權(quán)用戶時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶情況下905.2～914.8 MHz各頻段的占用情況。其中，非授權(quán)用戶和授權(quán)用戶到達(dá)時(shí)間間隔都服從負(fù)指數(shù)分布，其均值為4.1，非授權(quán)用戶和授權(quán)用戶預(yù)約服務(wù)時(shí)間都服從負(fù)指數(shù)分布，其均值為3.4，在10個(gè)授權(quán)用戶接入其授權(quán)頻段的過程中，網(wǎng)絡(luò)中接入了10個(gè)非授權(quán)用戶，它們的接入頻段見表4所列。

將表4與表3作以對(duì)比可知：10個(gè)同樣的授權(quán)用戶接入905.2～914.8 MHz網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在動(dòng)態(tài)頻譜管理系統(tǒng)和相應(yīng)幀格式的引導(dǎo)下，可在網(wǎng)絡(luò)中再接入10個(gè)非授權(quán)用戶，從而實(shí)現(xiàn)頻譜復(fù)用，這樣就可以提高頻譜利用率?？梢姡疚奶岢龅男路f頻譜管理方法確實(shí)有效可行。

4、 結(jié)束語

由此可見，利用現(xiàn)有的頻譜管理方法指導(dǎo)授權(quán)用戶，而用動(dòng)態(tài)頻譜管理方法指導(dǎo)非授權(quán)用戶，可以提高頻譜利用率。這對(duì)于頻譜資源十分緊缺的今天具有十分重大的意義。

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