李 伟1，冯 岩1，熊 能2，杨 淼1
（1. 国家无线电监测中心，北京 100037；2. 湖南省无线电监测站，湖南 长沙 410011）
摘要：现有的频谱分配模式限制了频谱高效利用，束缚了无线电技术创新发展。频谱共享被认为是有效解决频谱供需矛盾、提高频谱使用效率的技术方案之一。在综合论述欧美等国家关于频谱共享研究进展的基础上，提出了一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱共享网络架构。该网络可获得完整准确、及时可靠的频谱信息，通过对用户实行分级接入，实现不同用户高效动态地共享频谱资源。文中重点介绍了架构中各个网络单元的组成和功能，阐述了架构中不同网络单元之间的信息交互过程，最后剖析了架构实现上待解决的关键技术问题。相关内容为我国建设频谱共享网络提供借鉴和参考。
关键词：频谱资源；频谱共享；网络架构；无线环境地图；用户分级
Research of spectrum sharing network based on radio environment map
Li Wei1, Feng Yan1, Xiong Neng2, Yang Miao1
(1. The State Radio Monitoring Center, Beijing 100037, China; 2. Radio Monitoring Station in Hunan Province, Hunan Changsha 410011, China)
Abstract: The current mode of spectrum allocation has limited the efficiency of spectrum utilization, which also restricts the innovations on radio technologies. Spectrum sharing has been recognized as one of the technical schemes to solve spectrum scarcity and improve spectrum efficiency. On the basis of literature reviews of spectrum sharing developments in European and American countries, the authors propose an intelligent spectrum sharing network architecture based on radio environment map and user classification. With complete and accurate spectrum information, the proposed network architecture makes different users share spectrum resources efficiently and dynamically through user classification access. Firstly, the components and functions of network elements in this architecture are emphatically introduced. Moreover, the procedure of information interaction among different network elements is discussed in detail. Finally, as a reference for spectrum sharing development in China, the key technologies to realize this architecture are also deeply analyzed.
Key words: spectrum resource; spectrum sharing; network architecture; radio environment map; user classification
近年来，随着无线通信技术与移动互联网的迅猛发展，无线电频谱资源的需求与日俱增，可用的、好用的频谱资源越来越少，并已基本分配殆尽，寻求新的频谱资源举步维艰[1]。美国联邦通讯委员会（FCC）前主席William Kennard也曾提出“频谱资源已枯竭”的观点[2]。从中国、美国等国的频率划分图可得出：从3KHz到300GHz的频谱都已授权给各种不同的无线电业务，有些频段如1164MHz~3000MHz异常拥挤 [3][4]。因此，在当前频谱资源需求不断膨胀，供求缺口不断扩大的形势下，提高频谱资源使用效率显得尤为重要。
目前，提高频谱资源使用效率主要有两种途径。一种是从设计无线通信新技术的角度，使每个无线信道占用的频谱带宽尽可能地少，或在给定的服务质量等级、给定的信道间隔条件下，使每一个无线信道能容纳的用户数尽可能地多，或能承载和完成的话务量尽可能地高。典型的技术有MIMO技术、高阶调制技术、全双工技术OFDMA技术等。另外一种是从创新频谱资源管理新模式的角度，它主要是无线电管理机构根据不同无线电业务的技术特点、带宽需求、业务能力等，以某种频谱划分方式，将频谱资源划分给不同的无线电业务。目前，世界各国主要采用静态的、固定的、一维的频谱资源管理模式[5][6]，即将可用的频段分为授权频段和非授权频段，在给定的区域内，授权用户对授权频段具有长期的绝对排他使用权。非授权频段，即开放频段，供非授权用户竞争使用。这种频谱资源管理模式便于操作，易于管理，且能行之有效地解决不同无线电通信系统之间的干扰，有利于保证系统的服务质量。
然而，在无线新技术高速发展和业务流量急剧增加的今天，静态的频谱管理模式逐渐凸现出其不可避免的弊端。从2002年开始，许多国家的无线电管理机构、学术界和企业界陆续开展了频谱资源实际使用情况的测量工作[7][8][9]。从测量结果可知：只有少部分频段承载的业务量很大，非常拥挤；而相当数量的频段只有很少的业务量，甚至还有一些频段基本上处于空闲状态。由此可见，我们面临的“频谱匮乏”实际上并不是可用频谱物理上的稀缺，而是频谱资源管理模式上的桎梏。寻求频谱划分更灵活、频谱效率更高效、频谱分配更公平的管理模式具有非常积极的意义。
目前，频谱共享被认为是解决频谱供需矛盾、提高频谱使用效率的方案之一[10]。推行频谱共享已经成为国际主流趋势，美国、欧盟等国在频谱共享上做出了大量实质性的研究。2012年7月，美国总统科技顾问委员会提出了“频谱高速公路”计划。该计划确定1000MHz的联邦频谱，通过改善频谱管理手段，实施新的频谱结构和无线电系统架构，使不同无线电业务动态地共享相同频段[11]。为实施这一计划，美国进行了3.5GHz共享试验，并分别发布了3.5GHz低功率无线接入节点部署、3.5GHz牌照模型和技术需求、3.5GHz民用宽带无线服务三个规则提案公告。此外，美国在2014年召开了专题研讨会，专门探讨了3.5G共享频段的频谱接入系统设计问题[12]。欧盟提出了一系列频谱共享方案，2007年，欧盟发布了第七框架计划（2007-2013），投资大约5000万欧元资助认知无线电、动态频谱共享和频谱整合等新技术的科研项目，力求通过这些项目促成频谱共享技术的不断进步。2011年，欧盟频率管理工作组提出了授权频谱共享方案。该方案的核心在于使用共享频段的用户必须获得授权，同时共享用户不能影响此频段原拥有者的通信服务质量[13]。
基于以上分析，为了突破我国频谱资源短缺瓶颈、提高频谱利用效率和满足信息通信宽带高速的迫切需求，本文提出了一种智能频谱共享的网络架构。该架构主要包含三部分功能：一是实时无线环境数据的及时获取；二是准确、完整的频谱信息储存；三是频谱资源的动态分配。在实时数据获取上，基于无线电环境地图的理念[14]，该架构通过探测器网络单元（SN，Sensors Network unit）实时准确地掌握无线环境数据，并经无线电环境地图数据采集和处理单元（REM CP，Radio Environment Map data Collection and Processing unit）进行分析后，形成无线电环境地图数据传送至中心数据库（CDB，Central DataBase）。在频谱信息储存上，除了储存无线环境数据信息，中心数据库还包括无线电管理的基础数据库、无线传播模型数据库和地理位置信息数据库等，确保频谱信息的准确性、完整性、实时性。在频谱动态分配上，频谱接入管理单元（SAM，Spectrum Access Management unit）利用中心数据库和分级用户网络单元（CUN，Classified Users Network unit）提供的信息为用户动态、合理、公平、高效地分配频谱资源，其中，分级用户网络单元由三个等级的用户构成，高级别用户享有优先接入和随时用频的权利。
1 智能频谱共享网络总体功能架构
智能频谱共享网络总体架构如图1所示。它主要由中心数据库、无线电环境地图数据采集和处理单元、频谱接入管理单元、探测器网络单元和分级用户网络单元构成。中心数据库与无线电环境地图数据采集和处理单元连接，无线电环境地图数据采集和处理单元与探测器网络单元连接，中心数据库与频谱接入管理单元连接，频谱接入管理单元与分级用户网络单元连接，中心数据库与现有系统网络如无线电管理信息网、无线电监测数据网、国家相关政策信息网连接。
图1 智能频谱共享网络总体功能架构
1.1 中心数据库（CDB）
中心数据库主要包含无线电管理数据库和运用支撑平台数据库。其中，无线电管理数据库由频谱数据库、台站数据库、监测数据库和卫星数据库组成，运用支撑平台数据库由无线环境地图数据库、无线传播模型数据库和地理位置信息数据库组成。运用支撑平台数据库使得智能网络能够实时掌握频谱的使用情况、了解频谱的利用现状，以及动态评估当前频谱使用的合理性。同时，中心数据库建有与外部现有网络系统连接的接口，比如无线电管理信息网、无线电监测数据网、国家相关政策信息网等，用于从外部网络中获取无线电频谱使用和无线电政策相关的数据。
在运用支撑平台数据库中，最关键的是无线环境地图数据库（REM DB），保存着探测器网络单元感知后并经处理过无线环境地图数据，这些数据主要由无线设备数据、无线场景数据和无线环境数据组成。无线设备数据包括发射机信息、接收机信息、探测器信息。其中，发射机信息主要有IP/MAC（Internet Protocol/Media Access Control）地址、位置、执照信息、优先级、性能参数（如发射功率、频点、带宽、发射机类型、发射时间）、当前状态、干扰保护要求等；接收机信息主要有IP/MAC地址、位置、执照信息、优先级、性能参数（如接收频点、带宽、接收机类型）、当前状态、干扰保护要求等；探测器信息主要有IP/MAC地址、位置、当前配置、当前状态、性能参数（频率扫描范围、分辨率带宽、扫描时间、测量能力、测量时间）等。无线场景数据包括当前的政策信息、特定约束（特定地点约束、接入价格、干扰保护列表）等。无线环境数据包括传播模型、地理信息、无线干扰信息、可用频谱信息等。
1.2 无线环境地图数据采集和处理单元（REM CP）
无线环境地图数据采集和处理单元主要由探测器管理模块、无线环境地图数据采集模块、无线环境地图数据处理模块构成。无线环境地图数据采集和处理单元用于与探测器网络单元进行数据传递和信令交互，负责收集与处理探测器网络单元传来的数据，形成准确可靠的实时无线环境地图数据，并及时上传到中心数据库，用于无线环境地图数据库的更新。
探测器管理模块负责管理探测器网络单元中的探测器。当系统需要刷新无线环境地图数据时，探测器管理模块向探测器网络单元发出测量请求，启动新的感知过程。无线环境地图数据采集模块负责汇集探测器信息，交给无线环境地图数据处理模块后续处理使用。无线环境地图数据处理模块结合新采集的无线环境地图数据和中心数据库中原有的无线环境地图数据，通过一定算法，生成新的无线环境地图数据，并传给中心数据库存储。该模块通过计算，主要生成三类重要数据信息：无线传播模型、无线干扰分布、地理位置信息。这些信息供频谱决策系统使用。
1.3 频谱接入管理单元（SAM）
频谱接入管理单元接收分级用户的接入请求和频谱需求，向中心数据库发送分级用户信息，从中心数据库获取分级用户所处地理位置的无线环境地图数据、无线电台站以及频谱实时使用信息，控制分级用户接入以及对分级用户进行动态频谱分配，在保证高等级用户正常用频的同时，接受其它授权用户的接入和用频。从而有效地避免用户之间的相互干扰，高效地实现多用户之间频谱共享。
频谱接入管理单元主要由频谱决策模块和用户接入控制模块组成。用户接入控制模块负责分级用户网络单元中用户的注册、鉴权和执照发放。当发现有高优先级用户需要占用次优先级频段时，该模块向次优先级用户发出命令，令其关闭发射或者更改相关参数，利用其它合理频段通信。频谱决策模块负责根据中心数据库中的可用频谱资源、无线传播模型、干扰场强分布、相关政策要求、特定约束条件等做出合理的决策，给待接入用户提供最佳的信道资源，满足其通信需求，同时避免对已有用户的干扰，提高系统频谱资源利用率。
1.4 分级用户网络单元（CUN）和探测器网络单元（SN）
分级用户网络单元由分级用户构成，不同级别用户拥有不同权限和性能参数，保证用户间互不干扰，高级别用户享有优先接入和随时用频的权利。分级用户发送接入请求和频谱需求给频谱接入管理单元。
探测器网络单元包括不同性能的探测器，是智能频谱管理网络功能架构的核心组成部分。它负责无线环境参数的采集和无线发射/接收机的定位。探测器主要采集的数据主要有：发射/接收机的特性参数、位置信息和活动情况，无线干扰情况，信号覆盖范围等。
1.5 系统间接口
智能频谱网络架构中各单元之间四种重要的接口：
（1）无线环境地图数据采集和处理单元—探测器网络单元接口A1
每个无线电环境地图数据采集和处理单元2与探测器网络单元都存在接口A1。在控制流层面，A1接口用于无线环境地图数据采集和处理单元对探测器网络单元发送注册/注销、鉴权、监控、配置/重配置和探测请求等控制信息。在数据流层面，该接口用于探测器网络单元向无线环境地图数据采集和处理单元传送测量数据、探测器位置和测量时间等信息。
（2）无线环境地图数据采集和处理单元—中心数据库A2
每个无线环境地图数据采集和处理单元与中心数据库都存在接口A2，接口A2用于无线环境地图数据采集和处理单元完善和更新中心数据库中的无线环境地图数据库信息。
（3）频谱接入管理单元—分级用户网络单元
每个频谱接入管理单元和分级用户网络单元都存在接口A4。频谱接入管理单元通过该接口接收分级用户的接入请求、频谱需求等信息，以及向分级用户发送注册/注销、配置和发放执照、频谱分配等管理信息。
（4）频谱接入管理单元—中心数据库
每个频谱接入管理单元与中心数据库都存在接口A3。中心数据库通过该接口获取频谱接入管理单元发送的分级用户信息，以及向频谱接入管理单元发送分级用户所处地理位置的无线环境地图、无线电台站和频谱等数据信息。分级用户信息包括分级用户所处地理位置、所在等级、以及用户ID等等。
2 智能频谱共享网络组织架构
智能频谱共享网络架构是一种具有中心控制节点、集中式架构的网状网络，结构如图2所示。智能频谱共享网络采用分层结构：全局无线环境地图系统和本地无线环境地图系统，本地系统也由中心数据库、无线环境地图数据采集和处理单元、频谱接入管理单元、探测器网络单元和分级用户网络单元构成。智能网络采取小区化的覆盖模式，用户通过公共协调信道接入所在小区的本地无线环境地图系统。
图2 智能频谱共享网络组织架构分层图
如图2所示，智能频谱共享网络的用户划分为三个等级，一级用户、二级用户和三级用户均需在分级用户网络单元中进行注册登记。一级用户在系统中拥有最高权限，优先使用频谱资源。当一级用户正在使用某段频率时，其它等级用户不能从中抢夺频谱使用权，从而保证其在通信过程中不受其它用户的有害干扰。二级用户在系统中拥有次高级的权限，当某段频率未被一级用户使用时，二级用户可以正常使用，且其它二级用户或三级用户不能从中抢夺频谱使用权，从而保证其不受同级或者三级用户的有害干扰。一旦收到该频段内的一级用户要求占用频谱的通知，二级用户需退让该频段，等待或转移到其它可用频段工作。三级用户拥有最低的优先级，当某个频段没有一级用户和二级用户登记使用时，三级用户才能有机会申请接入。当其与一级用户、二级用户用频发生冲突时，三级用户须腾出占用的频谱，同样是等待或转移到其它可用频段。三个级别用户分类维度、接入权限等信息如表1所示。
表1 用户分级接入系统用户分类一览表
如图3所示，本地频谱接入管理单元作为本地的信息和控制交换中心节点，记录各频段的注册使用情况，裁决不同等级用户在共享频段的接入和使用。本地频谱接入管理单元在保证高等级用户用频的同时，按规则接受其它等级用户的注册和用频，达到频谱的共享和高效利用。本地频谱接入管理单元的核心是与之关联的基于地理位置的本地中心数据库，本地中心数据库保存着探测器网络单元采集的，并经后续处理过的数据，这些数据包括本地台站数据信息、可用频谱信息、接入价格、干扰保护的列表、频段操作规则、本小区的传播模型、干扰场强分布、政策法规和已经接入系统的本地用户信息等，本地频谱接入管理单元读取本地中心数据库的这些信息做出最佳频谱决策。同时，本地无线环境地图系统和上一级或者全局无线环境地图系统连接，及时交换数据，保持更新。
图3 共享授权频谱接入示意图
3 智能频谱共享网络的信息交互过程
在智能频谱共享网络中，有三个比较重要的信息交互过程，即无线环境地图信息数据获取过程、分级用户接入过程和低优先级用户频谱切换过程。
3.1 无线环境地图数据获取过程
无线环境地图信息数据获取过程其实就是频谱感知过程，频谱感知是智能频谱管理网络架构中重要的一个环节，是频谱决策、实现多用户动态共享的基础。其基本原理则是依靠分布在小区中不同类型探测器感知，经过处理生成新的无线电环境地图数据。其获取过程如图4所示，包括如下步骤：
图4 数据感知过程信息交互流程
（1）无线环境地图数据采集和处理单元向探测器网络单元发出测量请求，配置测量相关测量参数。
（2）探测器网络单元将测量的数据上传给无线环境地图数据采集和处理单元。
（3）无线环境地图数据采集和处理单元读取中心数据库中原有无线环境地图数据，结合新采集的数据，经过计算，产生新的无线环境地图数据。
（4）将新产生的无线环境地图数据上传给中心数据库保存。
3.2 用户接入过程
分级用户接入过程也即频谱决策过程，分级用户接入过程则是通过频谱接入管理单元的决策，分配最合适的频谱资源给用户使用，尽最大可能满足其通信需求。分级用户接入过程如图5所示，包括如下步骤：
图5 用户接入过程信息交互流程
（1）分级用户网络单元中的待接入用户向频谱接入管理单元提出接入申请，上报自身各类信息等参数。
（2）频谱接入管理单元从中心数据库中读取有关可用频谱信息、干扰保护列表、频段操作规则、无线传播模型、干扰场强分布、其他用户信息等数据，经过计算处理，选出合适的频段和信道资源。
（3）频谱接入管理单元将频段执照和相关配置参数等发送给等待接入的用户。
（4）频谱接入管理单元将分配给等待接入用户的频段和信道资源以及该用户的性能参数等上报给中心数据库保存。
3.3 低优先级用户频谱切换过程
智能频谱管理网络对频段资源的高效使用，一是得益于动态频谱分配算法，使各用户能高效的使用频谱资源，形成有序有效共享；二是得益于低优先级用户的频谱移动性，即当高优先级用户需要占用自身频段资源时，低优先级用户可以关闭发射或者转移到其它频段正常通信，保障高优先级用户通信需求。具体频谱切换（频谱移动）如图6所示，包括如下步骤：
图6 频谱切换过程信息交互流程
（1）频谱接入管理单元验证高优先级用户的合法性后，向中心数据库发送高优先级用户的频谱接入请求。
（2）中心数据库将与高优先级用户的可用频谱信息、干扰保护列表、频段操作规则、传播模型、干扰场强分布、其他用户信息等参数发送到频谱接入管理单元。
（3）频谱接入管理单元决策分析高优先级用户的可用频谱候选集，如果发现高优先级用户的频段资源正在被低优先级用户使用，频谱接入管理单元计算其它适合低优先级用户的频谱资源，并告知低优先级用户进行频谱切换以及可用的频谱资源。
（4）低优先级用户将占用高优先级用户的频谱退出后，发送频谱移动完毕信令给频谱接入管理单元。
（5）频谱接入管理单元向高优先级用户发送频谱执照、信道资源等各项参数，满足其通信需求。
（6）频谱接入管理单元将分配给高优先级和低优先级用户的频段和信道资源以及用户的性能参数等上报给中心数据库，更新数据库信息。
（7）频谱接入管理单元利用中心数据库的数据可以全面掌握各授权用户频谱的实时使用情况（如时间占用、空间占用等），从而为存在频谱缺口的用户做出最佳频谱分配。
4 待解决的关键技术问题
从技术的可行性，通信有效性和可靠性出发，随着认知无线电、软件无线电、频谱动态共享技术、无数据库开发等技术应用的发展成熟[15]，实现智能频谱共享网络已经有相当的技术基础。但是，频谱感知、频谱决策、频谱共享过程中的一些技术难点还有待进一步探讨。
（1）频谱感知过程的关键技术问题
探测器受限于硬件和滤波器特性，如何做到大带宽范围的感知能力，且经济可行性好；探测器和用户接收机没有信息交互过程，如何精确估计所在小区接收机的地理位置信息。
（2）频谱决策过程的关键技术问题
探测器受限于分辨率带宽、扫描时间等特性，如何保证感知的数据是正确的，无线环境复杂多变，如何判断决策时采用的数据有效；不同应用的用户对服务质量要求不同，如何利用现有数据保证不同用户的需求，且避免干扰产生；如何定量计算目标频带里可接受的干扰噪声的水平，并预测自己的接入会对原有授权用户接收机产生的干扰。
（3）频谱共享过程的关键技术问题
低优先级用户必须具备频谱移动性的能力，如何适合大范围的频段调节，并无缝的切换，保证通信不受影响；当系统需要关闭低优先级发射机的正常工作状态时，如何避免这些用户有自私行为，继续擅自使用未经批准的频段。
5 结束语
为了突破频谱资源短缺瓶颈、提高频谱利用效率和满足信息通信宽带高速的迫切需求，本文提出了一种新颖的智能频谱共享网络架构。该网络通过探测器网络单元、无线电环境地图数据采集和处理单元、中心数据库、频谱接入管理单元、和分级用户网络单元五部分互联构成。采用无线环境地图的理念，该网络通过探测器网络单元和无线电环境地图数据采集和处理单元能够实时精准地获取无线环境数据。结合用户分级的思想，该网络在利用中心数据库和频谱接入管理单元为用户动态、合理、高效分配频谱的基础上，还能保证高级别用户拥有优先接入和随时用频的权利。后续，将围绕该架构的关键技术难点和协议设计进一步开展工作。
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作者简介:
李伟（1984— ），男，工学博士，工程师，主要研究方向频谱工程技术、频谱共享技术、电磁兼容分析等；
冯岩（1984— ），女，工学博士，工程师，主要研究方向为无线电新技术、频谱管理技术、无线电管理数据库等；
熊能（1984— ），男，工学硕士，助理工程师，主要研究方向为频谱管理技术、电磁兼容、信号处理等；
杨淼（1984— ），男，工学博士，高级工程师，主要研究方向为无线电新技术、车联网、物联网等。
本文由《电视技术》第40卷第10期（总第487期）收录，未经作者允许严禁他人以任何形式转载。