频谱管理存在的问题及管理方法

现有的无线频谱管理规则采用的是单用途频谱分配方法，就是由无线电频谱管理部门将某个频带划分给某种业务以让该业务所专用。由于这种管理方法是将某个频段分配给某个无线业务运营商（或团体、部门等）专用，故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。这样，即使前者不使用此频段，后者也无权使用该频段。现有的管理方式是无线电频谱管理机构制定频率使用规则，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形式给无线电用户指配频率。

　　当前频谱管理存在的问题
　　现有无线电频谱管理方法示意图如图1所示。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却长时间不被使用，还有一些频段只是部分时间被使用，或仅有部分频段被频繁使用。而当前，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，目前的频谱资源使用状况却是：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，因而许多急需使用无线电频谱的其他用户却在法理上不能使用这些频谱。图2给出了935～960 MHz频段各频点一天的频谱利用率。这种对稀缺无线频谱资源不能充分使用的原因是由于当前无线电频谱管理采用单用途频谱分配方法所致，正是管理方法限制了潜在频谱用户获得频谱接入的能力，从而限制了对频谱资源的充分利用。因此，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。而频谱多用途概念，即挖掘利用频频谱的“灰色频段”或未使用的专用频谱，给修改频谱管理方法提供了思路。
　　

　　新型频谱管理方法
　　如果定义网络内的用户为授权用户，分配给它的频段为授权频段，相应网络外的用户为非授权用户。那么，要在不需要大量增加网络设备或重新布局网络的基础上增加网络系统容量，提高频谱利用率，就应当使非授权用户可以接入网络，以便在授权用户不使用其授权频段时利用这些授权频段传输其业务。
　　由于非授权用户对于接入网络一无所知，这就需要在网络中专门设立一个部门以引导其接入和退避（实现网络引导性）；而具有捷变无线电能力的非授权用户还应具备在授权用户不用时瞬时接入，授权用户恢复使用时及时退避的能力实现网络引导性需要在接入网络中增设一个动态频谱管理系统以专门负责为非授权用户指配合适频段，并引导其实时退避，同时非授权用户和动态频谱管理系统还应通过申请和分配帧格式来实现信息交互，增加网络系统容量。非授权用户利用携带自己申请信息的申请帧格式向动态频谱管理系统申请频段，而相应的动态频谱管理系统则利用携带分配频段信息的分配帧格式来指导非授权用户接入网络。
　　2.1 申请帧格式及其参数
　　申请帧格式及其主要参数如表1所列。其中帧头（Head）和用户注册号（Number）都是需要确定的参数。而用户类别（Type）则包括两类。类型1应具有认知功能（即频谱监测和查找功能），能自动为其搜索合适频段而不需要借助动态频谱管理系统。类型2则不具有认知功能，故要借助动态频谱管理系统为其查找合适频段。
　　
　　申请数据（Data）则可根据接入网络性能的不同进行相应的调整。具体参数如下：
　　◇使用带宽：业务传输所需带宽；
　　◇使用时间：业务传输时间；
　　◇使用地点：业务传输所占用频谱资源的区域；
　　◇稳定度：业务传输所期望的空闲频段的稳定度；
　　◇业务类型。
　　◇紧急程度（Emergency）：该参数也有两类。类型1为紧急，表示需要马上处理，它的优先级最高；而类型2为非紧急，表示可以按照正常业务优先级来处理。
　　功率下限（PowerDown）是指为正常传输其业务所需的最小发射功率。
　　其它（Other）为保留项。
　　2.2 应答帧格式及其参数
　　表2所列为其应答帧及其参数。
　　
　　它也包括帧头的用户注册号。而其应答状态（Response）则有5类：类型1表示未注册用户（无效）；类型2表示已分配；类型3表示暂缓分配（推迟）；类型4表示全忙（拒绝）；类型5表示有疑问，可以再协商。
　　分配数据（Data）一般在应答状态为类型2时才有意义。具体参数如下：
　　◇中心频率：指申请到频段的中心频率。可根据接入网络特性进行更改。
　　◇带宽：表示申请到的无线电频段的频率范围的宽度。
　　◇空洞等级：指申请到频段的空洞等级。
　　◇空洞稳定度：指申请到频段的稳定度。
　　◇最佳调制方式：表示不同的业务所选择的不同调制方式。
　　功率上限（PowerUp）表示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（Other）为保留。
　　2.3 退避
　　为了实现非授权用户的实时退避，这里设计了以下两种退避方法：
　　首先当授权用户恢复使用授权频段时，非授权用户立即降低其发射功率，并继续潜藏在此频段，等待授权用户使用结束后，继续使用此频段传输其未完成的业务。
　　其次当非授权用户恢复使用授权频段时，非授权用户马上接入其备用频段。具有捷变无线电能力的非授权用户完全能够实现此功能，但是要求非授权用户接入系统时，动态频谱管理系统不仅能为其寻找一个接人频段，同时要为其寻找一个用于退避接入的备用频段。

　　性能仿真
　　图3所示是在现有的频谱管理方法指导下，只有授权用户接入网络时，905.2～914.8 MHz各频段的占用情况。这里仿真了10个授权用户，其授权频段见表3所列。其中，授权用户到达间隔服从负指数分布，其均值为4.1。预约服务时间服从负指数分布，其均值为3.4。
　　
　　图4所示是用现有频谱管理方法指导授权用户，而用动态频谱管理方法指导非授权用户时，网络中同时存在授权用户和非授权用户情况下905.2～914.8 MHz各频段的占用情况。其中，非授权用户和授权用户到达时间间隔都服从负指数分布，其均值为4.1，非授权用户和授权用户预约服务时间都服从负指数分布，其均值为3.4，在10个授权用户接入其授权频段的过程中，网络中接入了10个非授权用户，它们的接入频段见表4所列。
　　
　　将表4与表3作以对比可知：10个同样的授权用户接入905.2～914.8 MHz网络时，在动态频谱管理系统和相应帧格式的引导下，可在网络中再接入10个非授权用户，从而实现频谱复用，这样就可以提高频谱利用率。可见，本文提出的新颖频谱管理方法确实有效可行。