新一代頻譜管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)初探

陳硯圃，羅 林，譚 薇

(西安通信學(xué)院，陜西西安710106)

0 引言

在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)中，將得到廣泛應(yīng)用，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境將變得更加復(fù)雜［1］。如何利用CR認(rèn)知和可重配的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)CR的統(tǒng)一管理、遠(yuǎn)程管理、自主管理和與其他軍事指揮系統(tǒng)的聯(lián)合管理，滿足軍事頻譜管理實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知、按需分配和動(dòng)態(tài)管控的需求，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題［2］。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)CR的頻譜管理，認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜管理框架被提出［3］。該框架雖然能有效解決當(dāng)前頻譜資源稀缺和利用低效的問(wèn)題，但是在戰(zhàn)場(chǎng)中，指揮員不能依托該架構(gòu)實(shí)時(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)，不能滿足動(dòng)態(tài)管控的需求，具有一定的局限性。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于網(wǎng)管理念的頻譜管理方法，介紹了網(wǎng)管理念在頻譜管理中應(yīng)用的總架構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題，卻沒有詳細(xì)分析該體系結(jié)構(gòu)。

為此，在分析CR特性和網(wǎng)絡(luò)管理的基礎(chǔ)上，本文給出基于網(wǎng)管理念的頻譜管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析了體系結(jié)構(gòu)中的構(gòu)成組件和相關(guān)功能。

1 認(rèn)知無(wú)線電

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)提出了相對(duì)簡(jiǎn)化的 CR 定義［5］:CR能通過(guò)感知周圍環(huán)境，并利用交互活動(dòng)探知“頻譜空穴”(在特定時(shí)間和特定位置未被使用的授權(quán)頻段)和獲取信息，能在一定寬度的空域、時(shí)域和頻域?qū)ο鄳?yīng)授權(quán)用戶頻譜使用規(guī)律進(jìn)行分析，并及時(shí)調(diào)整和配置傳輸功率、載頻和調(diào)制方式等基本參數(shù)，高效利用頻譜和適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境的變化。

由定義可知，CR主要具有兩大特性:① 認(rèn)知能力，即通過(guò)與無(wú)線環(huán)境交互來(lái)實(shí)時(shí)感知特定的時(shí)間和位置上未使用的頻譜部分;②可重配置性，即可以對(duì)CR動(dòng)態(tài)配置，以便在各種頻率上發(fā)送和接收信號(hào)。通過(guò)對(duì)感知的頻譜信息綜合分析，頻譜管理系統(tǒng)可以選擇最佳的頻帶和配置最佳的操作參數(shù)。同時(shí)，利用CR實(shí)時(shí)感知戰(zhàn)場(chǎng)用頻情況，有利于頻管員進(jìn)行干擾識(shí)別與處理。

2 網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)從邏輯上可抽象為4個(gè)部分［6］:網(wǎng)絡(luò)管理工作站、被管設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理信息庫(kù)(MIB)。網(wǎng)絡(luò)管理的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)管理的一般結(jié)構(gòu)

任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理域至少設(shè)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理工作站，駐留在網(wǎng)絡(luò)管理工作站上的網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)程負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理的全部監(jiān)視和控制工作。任一被管理的設(shè)備都有一個(gè)被管代理，被管代理時(shí)刻監(jiān)聽和響應(yīng)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)管理器的網(wǎng)絡(luò)管理查詢或命令。被管代理與網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)程之間的信息交互的動(dòng)作規(guī)則和數(shù)據(jù)格式等由網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議來(lái)規(guī)定。通過(guò)管理信息庫(kù)可以獲知被管設(shè)備的工作狀態(tài)和工作參數(shù)。

SNMP是Internet通常采用的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，包括以下主要功能:① Get:由管理站去獲取代理的MIB對(duì)象值;②Set:由管理站去設(shè)置代理的MIB對(duì)象值;③ Trap:使得代理能夠向管理站通告重要事件。

以上關(guān)于管理站、代理、MIB以及SNMP協(xié)議的概念都可以相應(yīng)地應(yīng)用到頻譜管理中來(lái)。

3 基于網(wǎng)管理念的頻譜管理體系構(gòu)架

基于網(wǎng)管理念的頻管體系架構(gòu)以CR狀態(tài)監(jiān)控和業(yè)務(wù)保障為核心，支持對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知以及對(duì)CR運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)配置，并與其他軍事通信系統(tǒng)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)頻管系統(tǒng)與其他軍事通信系統(tǒng)的統(tǒng)一管理［7］，如圖2所示。

基于網(wǎng)管理念的頻譜管理系統(tǒng)主要包括4個(gè)部分:管理站、代理、管理信息庫(kù)和通信協(xié)議。在任一個(gè)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)至少設(shè)有一個(gè)頻譜管理工作站，配置在頻譜管理工作站上的管理站負(fù)責(zé)戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)分析和頻譜管理。每一個(gè)CR都配置一個(gè)代理和一個(gè)管理信息庫(kù)。代理實(shí)時(shí)監(jiān)聽和響應(yīng)來(lái)自管理站軟件的查詢或命令，配置管理信息庫(kù)。管理信息庫(kù)是CR物理資源的抽象，通過(guò)配置管理信息庫(kù)可以達(dá)到管理物理資源的目的。代理與管理站、管理站與管理站以及管理站與其他指揮系統(tǒng)之間的信息交互的動(dòng)作規(guī)則和數(shù)據(jù)格式等由通信協(xié)議來(lái)規(guī)定。下面對(duì)該體系結(jié)構(gòu)中各組成部分進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 基于網(wǎng)管理念的頻譜管理體系架構(gòu)

3．1 管理站

頻譜管理工作站配置管理站軟件。管理站是面向指揮員、頻管員實(shí)現(xiàn)CR設(shè)備統(tǒng)一頻譜管理的平臺(tái)。管理站以數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，通過(guò)整合和分析CR感知信息以及與其他管理站和軍事通信系統(tǒng)的交互信息來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)感知與共享，對(duì)CR實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的頻譜管理。

3.1.1 通信組織規(guī)劃

通信組織規(guī)劃模塊根據(jù)作戰(zhàn)計(jì)劃進(jìn)行通信組網(wǎng)，模擬作戰(zhàn)過(guò)程，形成頻率分配方案。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模塊分析作戰(zhàn)計(jì)劃，對(duì)CR進(jìn)行組網(wǎng)，確定組織結(jié)構(gòu)和部署位置;對(duì)各臺(tái)站和CR頻譜需求分析，形成用頻規(guī)劃、分配方案。路徑規(guī)劃和時(shí)間規(guī)劃定義作戰(zhàn)過(guò)程中各臺(tái)站和CR的行駛路徑，將作戰(zhàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)。協(xié)調(diào)管控根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模塊分析結(jié)果形成用頻協(xié)調(diào)方案、用頻管制方案、頻譜保護(hù)方案和頻譜禁用方案，減小用頻沖突［8］。

3.1.2 通信效果分析

通信效果分析模塊通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的設(shè)備、地理、監(jiān)測(cè)和傳播模型等信息對(duì)通信效果進(jìn)行綜合分析［9］，完成電磁環(huán)境效應(yīng)評(píng)估和干擾評(píng)估。覆蓋范圍模塊仿真分析單個(gè)或多個(gè)臺(tái)站的覆蓋范圍。鏈路分析模塊對(duì)通信鏈路上的性能進(jìn)行分析。干擾計(jì)算模塊通過(guò)對(duì)CR間的干擾的計(jì)算完成對(duì)各臺(tái)站之間的電磁兼容分析。結(jié)合其他通信效果分析，效果評(píng)估模塊完成對(duì)電磁環(huán)境效應(yīng)評(píng)估以及通信組網(wǎng)和頻管方案的評(píng)估分析［10］，選出最優(yōu)、次優(yōu)頻管方案。

3.1.3 故障管理

故障管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的監(jiān)測(cè)告警、故障定位和業(yè)務(wù)恢復(fù)功能。監(jiān)測(cè)告警模塊監(jiān)測(cè)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)以及CR的工作狀態(tài)和運(yùn)作情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括位置信息、頻率、功率、天線指向角、工作模式、信號(hào)強(qiáng)度以及管理信息庫(kù)中其他參數(shù)。當(dāng)CR未按頻率分配計(jì)劃運(yùn)行或鏈路參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，向用戶發(fā)出警報(bào)及提示。故障定位模塊結(jié)合故障樹和通信效果分析模塊，通過(guò)分析CR以及其他監(jiān)測(cè)手段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)干擾以及其他故障進(jìn)行快速定位。業(yè)務(wù)恢復(fù)模塊完成對(duì)CR工作狀態(tài)的恢復(fù)，通過(guò)改變CR工作狀態(tài)、制定實(shí)時(shí)頻率指配方案和解除干擾源等手段排除干擾，保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有序高效地運(yùn)行。

3.1.4 頻率指配

頻率指配模塊對(duì)CR指配頻率［11］，以達(dá)到排除干擾或者減少干擾的目的。頻率指配中有多種指配模型和優(yōu)化算法，頻管員可根據(jù)情況選擇合適的模型和算法。

3.1.5 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)為管理站其他模塊提供數(shù)據(jù)支撐，主要有預(yù)置數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)告數(shù)據(jù)3類。預(yù)置數(shù)據(jù)包括地理數(shù)據(jù)、傳播模型、臺(tái)站數(shù)據(jù)、模板數(shù)據(jù)和CR檢測(cè)數(shù)據(jù)等;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括監(jiān)測(cè)臺(tái)站的監(jiān)測(cè)信息、探測(cè)站的探測(cè)信息、輪詢CR的感知數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息等;報(bào)告數(shù)據(jù)主要備份各模塊分析結(jié)果。

3.1.6 人機(jī)接口

人機(jī)接口為用戶與管理站的交互界面，為用戶提供分析過(guò)程和戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)的可視化顯示，通過(guò)其實(shí)現(xiàn)對(duì)管理站的操作。指揮員通過(guò)人機(jī)接口掌握戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)電磁態(tài)勢(shì)，包括CR的地理位置、運(yùn)行狀態(tài)、用頻情況和電磁覆蓋等信息;頻管員通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)CR進(jìn)行覆蓋范圍、干擾情況、鏈路性能、頻率指配和效果評(píng)估等分析，形成實(shí)時(shí)頻管方案。

3.1.7 通信接口

通信接口識(shí)別數(shù)據(jù)類型，分類接收和分發(fā)數(shù)據(jù)。如圖2所示，接口1是管理站與CR信息交互的接口，該接口交互的數(shù)據(jù)主要是管理站向CR的管控信息、CR向管理站發(fā)的狀態(tài)信息和感知信息;接口2是管理站之間信息交互的接口，該接口交互的信息主要是感知信息和干擾報(bào)告;接口3是頻譜管理系統(tǒng)與其他軍事通信系統(tǒng)交互信息的接口，主要是作戰(zhàn)指令等其他信息。

3．2 代理和管理信息庫(kù)

CR配置代理和管理信息庫(kù)。管理站將配置信息和共享信息發(fā)送至代理，代理完成對(duì)CR設(shè)備的本地維護(hù)，對(duì)管理站輪詢的工作狀態(tài)、運(yùn)行情況和感知信息做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)管理站對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)的監(jiān)測(cè)與共享;當(dāng)CR感知到重要事件發(fā)生(如信號(hào)信噪比突然減小等)，代理主動(dòng)將情況發(fā)送至管理站，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的監(jiān)測(cè)告警。

代理是配置在CR上的軟件，其主要由人機(jī)接口、分發(fā)處理和通信接口3部分組成。人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)CR與用戶的交互，為用戶提供實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息;分發(fā)處理對(duì)管理站的配置信息、共享信息、輪詢信息以及代理的Trap消息進(jìn)行分發(fā)處理;通信接口定義代理與管理站信息交互的協(xié)議。

MIB是CR被管對(duì)象的集合。被管對(duì)象是對(duì)物理資源的封裝，頻率、功率、天線指向角、工作模式和信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)以及感知信息均可抽象為被管對(duì)象。代理通過(guò)管理MIB實(shí)現(xiàn)對(duì)CR物理資源的管理。

3．3 通信協(xié)議

管理站與代理之間、管理站之間以及管理站與其他指揮系統(tǒng)之間由簡(jiǎn)單的SNMP協(xié)議［12］遠(yuǎn)程完成信息交互。管理站由Set消息設(shè)置代理中MIB值，通過(guò)對(duì)MIB的設(shè)置完成對(duì)CR設(shè)備的本地維護(hù)和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)共享;由Get消息獲取代理中MIB值，得到CR設(shè)備的工作狀態(tài)、運(yùn)行情況以及感知信息。當(dāng)CR感知到重要事件發(fā)生，Trap消息主動(dòng)將情況發(fā)送至管理站。管理站之間、管理站與其他指揮系統(tǒng)之間信息交互均有Get消息根據(jù)信息需要獲取。

對(duì)于新一代頻譜管理體系結(jié)構(gòu)的研究投入了大量的精力，但是到目前為止，尚未取得能夠廣泛推廣的成果。新的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該建立在充分認(rèn)識(shí)CR應(yīng)用以及充分理解頻譜管理系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，對(duì)頻管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能模塊進(jìn)行更加合理的劃分，構(gòu)造適合CR的頻管系統(tǒng)。由于戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的多樣性和電磁頻譜管理的復(fù)雜性，頻譜管理體系結(jié)構(gòu)不應(yīng)該是一種靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，而是能夠在不同層次進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)共享的新型體系結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)未來(lái)軍事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中CR頻譜管理的需求，初步探索了新一代頻譜管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)支持對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知以及對(duì)CR運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)配置，實(shí)現(xiàn)頻管系統(tǒng)與其他軍事通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一頻譜管理，具有可擴(kuò)展性，后續(xù)將對(duì)之進(jìn)行驗(yàn)證、評(píng)估、改進(jìn)與優(yōu)化。下一步的工作主要包括通信協(xié)議研究、管理信息建模和頻率指配技術(shù)研究等。

［1］ GAJEWSKI P，SUCHANSKI M．Dynamic Spectrum Management for Military Wireless Networks［R］．NATO Research and Technology Organization，2011:1 －14．

［2］ LEVY Y，LOSO F ，HEISEY W，et al．Optimal Spectrum Planning and Management with Coalition Joint Spectrum Management Planning Tool［R］．AD Report，XAACERDECIIWD，USA:Lockheed Martin Advanced Technology Labs Cherry Hill NJ，2008:1 －8．

［3］ IAN F A，LEE W Y，MEHMET C V．A Survey on Spectrum Management in Cognitive Radio Networks［J］．IEEE Communication Magazine，2008，46(4):40 －48．

［4］ MAJOR P，MILLENDER S，WAGNER G C．Spectrum Management Using Network Management Concepts［C］∥Proceedings in IEEE Military Communications Conference，1999，2(10):1 153 －1 155．

［5］ 王海濤．認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜管理技術(shù)［J］．電子信息對(duì)抗技術(shù)，2009，24(4):24 －29．

［6］ 王 凡，朱洪霞．網(wǎng)管思想應(yīng)用于動(dòng)態(tài)頻譜管理［J］．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2011(10):196－198．

［7］ 芮蘭蘭，郭春明，邱雪松，等．下一代網(wǎng)絡(luò)終端管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及流程實(shí)現(xiàn)［J］．北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(4):77 －83．

［8］ 王先義，陳丹俊，劉 斌，等．復(fù)雜電磁環(huán)境戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理［J］．中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008(8):338 －344．

［9］ 姜艷霞．一種認(rèn)知無(wú)線電臺(tái)通信仿真模型研究［J］．無(wú)線電通信技術(shù)，2013，39(1):84 －86，90．

［10］陳自衛(wèi)，陳華東．復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁頻譜管理效能評(píng)估研究［J］．指揮控制欲仿真，2009，31(4):56 －63．

［11］邵國(guó)媛．認(rèn)知引擎中決策方法的研究［J］．無(wú)線電工程，2013，43(2):58 －60，64．

［12］李 想．嵌入式SNMP衛(wèi)星網(wǎng)管代理軟件設(shè)計(jì)［J］．無(wú)線電工程，2011，41(1):5－7．