CN105163318A - 基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，属于无线通信领域。该网络架构包括中心数据库、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；中心数据库包含无线电管理数据库和运用支撑平台数据库；分级用户网络单元由分级用户构成，高级别用户享有优先接入和随时用频的权利；探测器网络单元提供实时采集数据经无线电环境地图数据采集和处理单元形成无线电环境地图数据上传给中心数据库；频谱接入管理单元利用中心数据库为用户动态分配频谱资源。利用本发明网络架构，可获得全面准确可靠的用户频谱实时使用情况，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。

Description

基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，可用于频谱共享的无线异构网络中。

背景技术

长期以来，世界各国主要采取行政审批的方式对无线电频谱资源进行分配和指配，即为每个无线网络固定分配频段，并对该频段具有长期的绝对排他使用权。这种频谱资源分配模式便于操作，易于管理，能有效解决用户间的电磁干扰，充分保护合法频率用户的权益。

美国联邦通讯委员会的权威监测报告表明，在已授权的频段内存在大量的“白色空间”(WhiteSpace)，在给定的地理区域，低于3GHz的频段内频谱占用率还不足35％。我国无线电管理部门发现调频广播全国平均频段统计占用度为32.9％，平均频段统计占用度最低的省份仅为14.02％。对讲通信全国平均频段统计占用度为8.19％，平均频段统计占用度最低的省份仅为0.82％。综合来看，这些频段的整体利用率都非常低。然而，在行政审批分配的方式下，不论无线网络业务量大小，都只能使用自己的频段，其它任何网络不允许使用。因此，这种静态、固定、单一的频谱资源分配模式不可避免地造成频谱资源的大量浪费。

与此同时，国民经济各行业、各领域对频谱资源的需求不断增长。一方面，广电、民航、交通、铁路、气象、电力、电信等部门和行业在促进自身行业信息化、自动化、智能化建设和发展的过程中，越来越多地依赖无线电技术进行改造升级、提高生产效率和保障生产安全。尤其是电信行业表现尤为突出，预测表明到2020年我国公众移动通信频谱需求为1350-1810MHz，但是我国目前为公众移动通信系统只规划了687MHz，这意味着第五代移动通信系统(5G)的频谱缺口将十分巨大。

另一方面，新兴行业用频快速扩张。“感知中国”、智慧城市等战略的推进，云计算、物联网、大数据等新一代信息技术的集成应用，带动了我国电子商务、智能交通等一大批新兴行业的迅猛发展，频谱需求总量将增加数倍。据美国研究机构Forrester预测，到2020年物联网业务与现有人与人的通信互联比例将达到30:1，即可能从60亿人口扩展到500亿乃至更多的机器和物体。在可用的、好用的频谱资源几乎分配殆尽的情形下，物联网频谱需求的解决难度甚至远大于5G。

综上可知，提高频谱使用效率、缓解用频矛盾已经迫在眉睫，是当前业界重点攻关的目标之一。针对频谱使用浪费和用频矛盾突出的问题，业界的研究主要集中在两个方向上。一是集中式的动态频谱共享方法，核心在于利用不同无线网络业务流量在相同时间或地理区域的负相关性，实现两个或多个无线网络的频谱共享。这种方法的缺陷主要在于，对共享的无线网络之间业务流量的相关性要求较高，同时，当共享的多个无线网络业务流量较低时，频谱利用率仍然将会不高。二是分布式的动态频谱共享方案，核心在于能准确而快速地探测到可用的频谱资源，比如白频谱。用于协调频谱资源使用的信令信道的获取以及可靠传输机会的识别是该方法成败的关键所在。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，实现不同网络不同业务动态有序地共享频谱资源，从而有效地提高频谱使用效率，极大地缓解用频矛盾，充分体现频谱资源的经济价值。

本发明的一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，包括：

中心数据库(CDB，CentralDatabase)、无线电环境地图数据采集和处理单元(REMCP，RadioEnvironmentMapdataCollectionandProcessingunit)、频谱接入管理单元(SAM，SpectrumAccessManagementunit)、探测器网络单元(SN，SensorsNetworkunit)和分级用户网络单元(CUN，ClassifiedUsersNetworkunit)。

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。

所述的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。无线电管理数据库指频谱数据库、台站数据库、监测数据库和卫星数据库。运用支撑平台数据库指无线电环境地图数据库、无线传播模型数据库以及地理位置信息数据库。中心数据库建有与外部现有系统网络连接的接口，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，以更新无线电管理的四个数据库。

所述的无线电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电环境地图数据，并及时上传到中心数据库，用于无线电环境地图数据库的更新。同时，无线电环境地图数据采集和处理单元还负责管理探测器网络单元中的探测器。

所述的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架构的核心组成部分。它负责无线电环境参数的获取和无线发射/接收机的定位。探测器获取的数据主要有：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。

所述的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电环境地图数据、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。

所述的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。

相对于现有技术，本发明的智能频谱管理网络架构，具有如下优点和积极效果：

通过探测器网络单元测量获取的实时无线环境参数，经无线电环境地图数据采集和处理单元处理获得的无线电环境地图数据，结合无线电管理数据库存储的授权用户信息，构建的中心数据库就能为频谱接入管理单元提供全面、准确、可靠的实时信息。频谱接入管理单元利用这些信息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。此外，接入智能频谱管理网络的用户实行分级接入，通过分级用户网络单元加以控制决策，高优先级用户优先接入空闲频谱资源；当高优先级用户要使用被占频段时，获得共享授权的低优先级用户必须立刻让出频段的使用权。最终，本发明的智能频谱管理网络架构实现不同用户动态高效有序地共享频谱资源。

附图说明

图1是本发明的智能频谱管理网络架构的一种实施例示意图；

图2是中心数据库的结构示意图；

图3是无线电环境地图信息数据获取过程示意图；

图4是分级用户接入过程示意图；

图5是频谱切换的过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明的技术方案。

本发明提供了一种基于无线电环境地图和用户分级接入的智能频谱管理网络架构，该网络架构实现的核心为：在智能频谱管理网络架构中配置了无线电管理的四大数据库、政策信息数据库，以及实时的无线电环境地图数据库，并融合了用户分级的思想，频谱接入管理单元利用这些数据库信息控制不同等级的用户科学合理、动态高效地共享频谱资源。这些网络单元之间都存在接口。

本发明所述的基于无线电环境地图和用户分级接入的智能频谱管理网络架构的实施例的示意图如图1所示，该智能频谱管理网络架构主要包括中心数据库1(CDB，CentralDatabase)、无线电环境地图数据采集和处理单元2(REMCP，RadioEnvironmentMapdataCollectionandProcessingunit)、频谱接入管理单元3(SAM，SpectrumAccessManagementunit)、探测器网络单元4(SN，SensorsNetworkunit)和分级用户网络单元5(CUN，ClassifiedUsersNetworkunit)。

中心数据库1与REM数据采集和处理单元2连接，REM数据采集和处理单元2与探测器网络单元4连接。中心数据库1与频谱接入管理单元3连接，频谱接入管理单元3与分级用户网络单元5连接。中心数据库1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。

网络架构中各单元之间的接口具体描述如下：

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4之间都存在接口A1。在控制流层面，该接口用于无线电环境地图数据采集和处理单元2对探测器网络单元4进行注册/注销、鉴权、监控、发送配置/重配置信息、以及探测请求信息、管理等功能。在数据流层面，该接口用于探测器网络单元4向无线电环境地图数据采集和处理单元2传送测量数据、发射机/接收机的地理位置和测量时间等信息。

接口A2：每个无线电环境地图数据采集和处理单元2与中心数据库1都存在接口A2。该接口用于无线电环境地图数据采集和处理单元2完善和更新中心数据库1的无线电环境地图数据库。

接口A3：每个频谱接入管理单元3与中心数据库1都存在接口A3。中心数据库1通过该接口获取频谱接入管理单元3发送的分级用户信息，以及向频谱接入管理单元3发送分级用户所处地理位置的无线电环境地图、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。

接口A4：每个频谱接入管理单元3和分级用户网络单元5都存在接口A4。频谱接入管理单元3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。

中心数据库1如图2所示，主要包含无线电管理数据库和运用支撑平台数据库。其中，无线电管理的四大数据库是频谱数据库、台站数据库、监测数据库和卫星数据库。运用支撑平台数据库包括无线电环境地图数据库、无线传播模型数据库、以及地理位置信息数据库。无线电管理的四大数据库是智能频谱管理网络架构的基础支撑，无线电环境地图数据库是智能频谱管理网络架构的技术核心。同时，中心数据库1建有与外部现有系统网络的接口，获取无线电频谱使用和无线电政策相关的数据信息，以维护无线电管理的四大数据库。中心数据库1为频谱接入管理单元3提供全面、准确、可靠的信息，用于频谱接入管理单元4做出最佳频谱分配，实现分级用户网络单元5动态高效地共享频谱资源。

所述的无线电管理数据库用于存储：授权用户的频谱分配信息；无线电台站信息，包括站址分布信息、发射/接收频率信息、发射/接收带宽信息等；部分授权用户的频谱实时使用信息，包括空间占用情况和时间占用情况等。

所述的无线电环境地图数据库用于存储无线电环境地图数据，这些数据主要包括无线设备数据、无线场景数据和无线环境数据。无线设备数据包括发射机信息、接收机信息和探测器信息。所述的发射机信息包括IP/MAC(InternetProtocol/MediaAccessControl)地址、位置、执照信息、优先级、性能参数、当前状态、干扰保护要求等，其中性能参数包括发射功率、频点、带宽、发射机类型和发射时间等。所述的接收机信息包括IP/MAC地址、位置、执照信息、优先级、性能参数、当前状态、干扰保护要求等，其中性能参数包括接收频点、带宽和接收机类型等。所述的探测器信息包括IP/MAC地址、位置、当前配置、当前状态、性能参数等，其中的性能参数包括频率扫描范围、分辨率带宽、扫描时间、测量能力以及测量时间等。所述的无线场景信息包括当前的政策信息、特定约束等，特点约束包括特定地点约束、接入价格以及干扰保护列表等。所述的无线环境信息包括传播模型、地理信息、无线干扰信息、可用频谱信息等。

无线传播模型数据库中存储有不同的无线传播模型。地理位置信息数据库中存储的是无线设备的地理位置信息，包括经纬度信息、海拔高度信息等。

无线电环境地图数据采集和处理单元2负责收集探测器网络单元4传来的数据，并经过处理，形成准确可靠的无线电环境地图数据，并及时上传到中心数据库，用于无线电环境地图数据库的更新。同时，无线电环境地图数据采集和处理单元2还负责管理探测器网络单元4中的探测器装置。

如图1所示，无线电环境地图数据采集和处理单元2中包括无线电环境地图数据采集模块、无线电环境地图数据处理模块和探测器管理模块。探测器管理模块用于管理探测器网络单元4中的探测器装置。无线电环境地图数据采集模块收集探测器网络单元4传来的数据。无线电环境地图数据处理模块对收集的探测器网络单元4传来的数据进行处理，形成准确可靠的无线电环境地图数据。

探测器网络单元4包括不同性能的探测器，是智能频谱管理网络架构的核心组成部分。探测器铺设在全国无线电管理机构铺设的监测站、以及各大运营商铺设的基站，负责无线电环境参数的获取和无线电发射/接收机的定位。每个探测器都包含测量模块和定位模块。探测器通过定位模块获取无线电发射/接收机的位置。探测器通过测量模块获取的数据主要有：无线电发射/接收机的特性参数、工作状况、无线干扰情况和信号覆盖范围等。探测器的IP/MAC地址、当前配置、当前工作状态以及性能参数等信息也发送给无线电环境地图数据采集和处理单元2。

频谱接入管理单元3负责分级用户的接入控制，以及不同用户的频谱块分配，协调不同用户在共享频段的使用。频谱接入管理单元3在保证高等级用户正常用频的同时，按规则接受其它登记用户的接入和用频，达到频谱资源的高效利用和有序共享。频谱接入管理单元3包括频谱决策模块和用户接入控制模块。频谱接入管理单元3接收待接入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，从中心数据库获取的分级用户所处地理位置的无线电环境地图数据、无线电台站以及频谱实时使用信息，通过频谱决策模块为待接入用户计算选取合适的频段和信道资源，通过用户接入控制模块为待接入用户发送注册/注销、配置和发放频段执照、频谱分配等管理信息。

分级用户网络单元5由分级用户构成，不同级别用户拥有不同权限和性能参数。不同级别的设置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。如图1所示，本发明实施例中有一级用户、二级用户和三级用户，设置一级用户为最高级别。

本发明实施例中，分级用户网络单元2中设置的三个级别用户为：一级用户指原有用户以及国家安全、应急、重要政治、军事部门；二级用户指促进国家事业发展的公益部门或者企业专业用户；三级用户指个人、家庭、团体等信息消费用户。

在图1所示的智能频谱管理网络架构中，有三个比较重要的信息交互过程，即无线电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。图3～图5中，虚线表示控制流，实线表示数据流，箭头表示控制流或数据流方向。

无线电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3所示，包括如下步骤：

步骤31、无线电环境地图数据采集和处理单元2向探测器网络单元4发出测量请求，配置测量相关测量参数。

步骤32、探测器网络单元4将测量的数据上传给无线电环境地图数据采集和处理单元2。

步骤33、无线电环境地图数据采集和处理单元2读取中心数据库1中原有无线电环境地图数据，结合新采集的数据，产生新的无线电环境地图数据。

步骤34、将新的无线电环境地图数据上传给中心数据库保存。

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3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4所示，包括如下步骤：

步骤41：分级用户网络单元5中的待接入用户向频谱接入管理单元3提出接入申请，上报自身各类信息等参数。

步骤42：频谱接入管理单元3从中心数据库1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、其它用户信息等数据，经过计算处理，选出合适的频段和信道资源。

步骤43：频谱接入管理单元3将频段执照和相关配置参数等发送给等待接入的用户。

步骤44：频谱接入管理单元3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1保存。

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5所示，包括如下步骤：

步骤51：分级用户网络单元5中高优先级用户向频谱接入管理单元3提出接入申请，上报自身性能等各项参数信息。

步骤52：频谱接入管理单元3验证高优先级用户的合法性后，向中心数据库1发送高优先级用户的频谱接入请求。

步骤53：中心数据库1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。

步骤54：频谱接入管理单元3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3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。

步骤55：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3。

步骤56：频谱接入管理单元3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。

步骤57：频谱接入管理单元3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1，更新数据库信息。

频谱接入管理单元3利用中心数据库1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。

Claims (6)

1.一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，其特征在于：该网络架构包括中心数据库、无线电环境地图数据采集和处理单元、频谱接入管理单元、探测器网络单元以及分级用户网络单元；

所述的中心数据库包含无线电管理数据库和运用支撑平台数据库；无线电管理数据库包括频谱数据库、台站数据库、监测数据库和卫星数据库；运用支撑平台数据库包括无线电环境地图数据库、无线传播模型数据库以及地理位置信息数据库；

所述的探测器网络单元包含不同性能的探测器，探测器用于无线电环境数据的获取和无线发射/接收机的定位；其中探测器获取的无线电环境数据包括：发射/接收机的特性参数、位置和活动情况，无线干扰情况，以及信号覆盖范围；

所述的无线电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，收集探测器网络单元传来的数据，处理形成实时的无线电环境地图数据并上传到中心数据库，用于无线电环境地图数据库的更新；所述的无线电环境地图数据包括无线设备数据、无线场景数据和无线环境数据，无线设备数据包括发射机信息、接收机信息和探测器信息；

所述的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，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；

所述的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电环境地图数据、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。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，其特征在于，所述的中心数据库，设置有与外部网络连接的接口，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，以更新无线电管理数据库。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，其特征在于，所述的探测器网络单元铺设与全国无线电管理机构铺设的监测站、以及各大运营商铺设的基站，探测器将探测获取的数据以及探测器信息发送给无线电环境地图数据采集和处理单元。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，其特征在于，所述的分级用户网络单元，由三级分级用户构成，一级用户指原有用户以及国家安全、应急、重要政治、军事部门；二级用户指促进国家事业发展的公益部门或者企业专业用户；三级用户指个人、家庭和团体信息消费用户。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，其特征在于，所述的无线电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，采集探测器测量的数据；无线电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电环境地图数据，结合探测器新测量的数据，产生新的无线电环境地图数据，并将新的无线电环境地图数据上传给中心数据库保存。

6.根据权利要求1所述的一种基于无线电环境地图和用户分级的智能频谱管理网络架构，其特征在于，所述的频谱接入管理单元，在决策分析高优先级用户的可用频谱候选集时，如果发现高优先级用户的频谱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，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，频谱接入管理单元向高优先级用户发送频谱执照和频谱资源；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谱资源以及用户的性能参数上报给中心数据库。