認知無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)集中方式頻譜分配＊

李仙茂 張東屹 劉曉東

（1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）（2.福州92403部隊自動化站 福州 350007）

1 引言

動態(tài)頻譜分配（DSA），主要是控制收發(fā)通信道（節(jié)點）執(zhí)行。頻譜分配的主要目的是通過一個自適應策略有效地利用射頻頻譜。頻譜管理（分配）算法是以認知無線電頻譜資源分配者對頻譜空穴（頻譜池）的偵察，以及對發(fā)射功率者實時可控為基礎(chǔ)，選擇一個適應無線電環(huán)境時間變化特征的頻譜分配模式［1～2］。利用動態(tài)頻譜管理可以提高無線通信的靈活性、信道利用率，可使主要用戶和次要用戶之間避免沖突并共存頻譜［3］。DSA包括頻率、空間、功率、極化、時間五種域分配。DSA可用頻譜的辨認與描述、頻譜可用性的持續(xù)時間以及頻譜分配（監(jiān)督），其中頻譜分配（監(jiān)督）是指根據(jù)需要接入到頻譜的節(jié)點數(shù)目及其服務要求將頻譜分配給一個或多個指定節(jié)點。DSA必須考慮目標節(jié)點可能的接收能力并提供源節(jié)點到目標節(jié)點的調(diào)整［4～5］，同時，要考慮認知無線電對主用戶可能產(chǎn)生的干擾溫度。動態(tài)頻譜管理流程如圖1所示。

2 無線電設(shè)備EMC檢測

圖1 動態(tài)頻譜管理流程圖

根據(jù)管理范疇和無線電設(shè)備的情況，對確定將要使用的設(shè)備進行電磁敏感試驗（判定試件敏感與否的過程）、電磁抗擾試驗（判定試件正常與否的過程）、敏感度測定（試件處在異常狀態(tài)時的最小度量值）和抗擾度測定［6］（試件處在正常狀態(tài)時的最大度量值），尤其強調(diào)對主用戶設(shè)備的EMC檢測，如果忽略了對主用戶的EMC檢測，將導致頻譜分配的失敗。

3 頻譜分配技術(shù)

3.1 電磁頻譜分配方式選擇

電磁兼容分配包含頻率、功率、極化、空間、時間五種域分配［7］。

1）頻率分配：若能確定不同的通信節(jié)點（通信對）擁有不同的信道（頻率），保證認知無線電設(shè)備對主用戶無有效干擾，則根據(jù)電磁收／發(fā)設(shè)備的受控特點進行頻率分配。

2）功率分配：主要應用于工作空域劃分。針對無線電設(shè)備要求通信的距離范圍，限制對其它空域工作的無線電設(shè)備產(chǎn)生不必要的干擾。

3）極化分配：主要是功率控制的一個倍增器。在其它條件不變的情況下，如果功率不滿足要求，則通過極化差開，可降低二十幾分貝的干擾。

4）空間分配：對兩種相互照射會產(chǎn)生干擾的無線電設(shè)備對，可分別工作于不同的空間區(qū)域時；當其中一部天線為定向窄波束天線，且其旁瓣足夠小時，均可進行空間管理。

5）時間分配：使產(chǎn)生相互干擾的電磁收發(fā)設(shè)備分時工作，是簡便的電磁兼容管理方式，但也是使被管理設(shè)備工作效能損失最大的管理方式。

3.2 電磁頻譜分配流程

電磁頻譜管理系統(tǒng)依據(jù)當前任務，對頻率資源、帶寬資源、電磁兼容等進行有效管理，及時了解網(wǎng)絡(luò)資源的使用情況，防止認知無線電與認知無線電設(shè)備、認知無線電與主用戶的交互影響［8］。

電磁頻譜管理系統(tǒng)按管理優(yōu)先等級選擇的原則進行管理，且不同的管理方式可聯(lián)合使用或交叉使用，盡可能少地滿足認知無線電設(shè)備的使用要求。管理系統(tǒng)將按圖2流程進行設(shè)計。

圖2 認知無線電頻譜分配流程

根據(jù)管理的方便和有效性，一般采用如此的管理順序。優(yōu)先選擇頻域分配，頻域分配不能解決則采用空域分配，還不能解決則采取功率管理，或極化分配，以上四種方法都無效時采用時間分配。

3.3 極化域?qū)档屯l互擾的作用

同頻無線電通信設(shè)備組之間采用不同極化，可降低通信組之間的互擾。極化損耗Lp（θp）是由兩部無線電設(shè)備信號極化方式的差異引起的損耗。現(xiàn)代無線電設(shè)備使用的電磁波信號多采用線極化，如果兩部設(shè)備極化方式相同，極化損耗Lp取0dB，如果極化方式正交，則極化損耗很大，一般為25dB。一般情況下，若兩對無線電設(shè)備天線極化方向之間的夾角為θp，它們之間的極化損耗可按下式計算［9］：

部分無線電設(shè)備采用圓極化或橢圓極化，不同極化方式下的極化損耗如表1所示。

表1 極化損耗（dB）

3.4 不同類型設(shè)備間的空域分配方法

電磁頻譜管理中存在的多種特殊情況的解決方法。主要有波束有方向性的設(shè)備和全向波束的設(shè)備。

1）波束有方向性的設(shè)備之間

圖3 波束有方向性的設(shè)備間的空域分配方法

波束有方向性的設(shè)備的工作波束窄，搜索范圍小，工作時所占空間范圍小，它與其它波束有方向性設(shè)備的頻譜沖突首先考慮采用空域劃分的方法進行管理。在保證波束方向性設(shè)備照射波束的空間，與其形成干擾的波束方向性設(shè)備在對應空域不工作，從而避開波束方向性設(shè)備間的干擾。其示意圖如圖3所示。CR1、CR2、CR3和CR4同頻工作，CR1、CR2組成的通信對與CR3、CR4組成的通信對互不影響。

2）波束有方向性的設(shè)備與波束全向設(shè)備之間

波束方向性設(shè)備的工作波束窄，工作時所占空間范圍小，發(fā)射波束具有方向性。當它與另一波束全向設(shè)備同時發(fā)射信號時，可采用空域管理的方法解決。要求全向設(shè)備的接收方不在波束方向性設(shè)備的波束照射區(qū)域，從而避開波束方向性設(shè)備的對全向接收設(shè)備的干擾。波束具有方向性設(shè)備的接收方一般也具有方向性，則兩個都具有方向性的設(shè)備間的收發(fā)天線的波束增益相加會形成一個很大的增益。接收方可通過降低接收機的靈敏度，使另一設(shè)備全向發(fā)射的干擾信號被濾除，從而也不形成對其干擾。其示意圖如下圖4。CR1、CR2、CR3和CR4同頻工作，CR1、CR2組成的通信對與CR3、CR4組成的通信對互不影響。

圖4 波束有方向性的設(shè)備與波束設(shè)備間的空域分配方法

下面舉一實例用于第2）種情況的實現(xiàn)。取四個二組設(shè)備的各項參數(shù)如表2，另設(shè)有方向性設(shè)備的側(cè)向接收增益為－3dB，四個設(shè)備都工作在450MHz，并考慮大氣損耗和收發(fā)設(shè)備系統(tǒng)衰減。

表2 各電子設(shè)備主要參數(shù)表

仿真結(jié)果如圖5所示，當各組通信設(shè)備組內(nèi)設(shè)備之間小于5km，且全向設(shè)備距與有向設(shè)備之間的距離大于1km。此時，有向設(shè)備不會對全向設(shè)備形成干擾，而且全向設(shè)備對有向設(shè)備的干擾小于有向設(shè)備的接收機靈敏度，所以，可保證全向設(shè)備之間正常通信，有向設(shè)備之間正常通信，相互無干擾。

4 結(jié)語

論文研究認知無線電頻譜分配方法，研究保證無線電設(shè)備的頻譜最大的利用率，盡可能地滿足管理區(qū)域內(nèi)認知無線電的用頻需求［10］。論文的研究的內(nèi)容側(cè)重于從頻率、空間、功率、極化、時間五種域，對無線電設(shè)備的頻譜進行多角度的劃分管理，以滿足更多設(shè)備的用頻需求。本文理論雖然較為簡單，但對于完善頻譜分配的管理方法具有一定的參考價值和應用價值。

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