频谱服务架构及其关键技术研究

With the rapid increase of the radio services and the radio terminal numbers, it is becoming even more difficult to fulfill the targets for managing the spectrum resource accurately and in real-time, guaranteeing the efficient and orderly spectrum usage. The technologies of cognitive radio and dynamic spectrum management were proposed for overcoming this problem. Whereas, there is the problem for the fast response to the spectrum requirement which still have to solve for the dynamic spectrum management for the counter environment and emergency scenario, such as battles space and emergency communication scenarios. We consider the service as a distribution management scheme in which it is the users to make their own decisions. So, we will study and raise the spectrum service architecture with three layers, the spectrum policy creating and controlling layer for the spectrum manager, the spectrum service produce providing layer for the spectrum service providers and their network servers, the spectrum operating layer for the users by accessing the spectrum service produce storage and making self-decision. A mechanism of rapid respond to spectrum requirements will be drew out. The spectrum service architecture and its theory model will be researched as a keystone. Based on this, the scheme for building the spectrum service storage, making the self-decision of spectrum operation will be studied and proposed. It makes the spectrum service layers to focus on their own business and more professional. The success of this researching project will provide the theory and technology support for facilely modification of spectrum policy, flexibility of spectrum allocation and rapid response to spectrum requirements, and promoting the transform from spectrum management to spectrum service.

随着无线电业务和无线电终端数量的迅猛增长，频谱管理追求的精确管理、实时管理、最大程度地保证频谱资源的有序高效使用的目标已经难以实现，由此产生了认知无线电和动态频谱管理，但是动态频谱管理仍然满足不了诸如战场、应急通信等对抗和紧急情况下的频谱需求快速响应要求。本课题认为服务是一种决策权在用户的分散管理，为此，本课题研究和提出三层结构的频谱服务架构，频谱管理者控制和制定频谱使用政策，频谱服务提供商通过网络和频谱服务产品管理服务器提供频谱服务产品，用户通过接入频谱服务产品库自主完成频谱操作，实现频谱需求的快速响应。本课题重点研究频谱服务架构及其理论模型，并在此基础上研究频谱服务产品库构建方法、频谱自主决策算法和频谱服务质量评价及其反馈机制等，使参与频谱使用的各阶层专业化聚焦，为实现政策调整方便、频谱资源分配适应性强、频谱需求响应速度快的用频环境，为实现频谱管理向频谱服务转型提供理论与技术基础。

现有频谱管理以及发展中的动态频谱管理仍然难以满足诸如战场、应急通信等对抗和紧急情况下的频谱需求快速响应需求。本项目从决策权在用户的分散管理即频谱服务思想出发，开展了频谱服务架构及其关键技术研究。提出一种三层的频谱服务架构，频谱管理者控制和制定频谱使用政策，频谱服务提供商通过网络和频谱服务产品管理服务器提供频谱服务产品，用户通过接入频谱服务产品库自主完成频谱操作，实现频谱需求的快速响应。从频谱感知、频谱地图和频谱预测等方面展开频谱服务产品库构建关键技术研究，针对频谱监测传感网能量受限的应用场景，研究提出了最佳吞吐量、最佳能量有效性和最小平均误差概率等指标下的最优协作频谱感知方案；针对频谱预测对授权用户的干扰问题，提出了单认知用户的认知无线网络中频谱预测的系统框架、“模更新”训练的优化神经网络频谱预测模型、基于最小贝叶斯风险的稳健频谱预测机制、基于分组的多认知用户协作频谱预测策略以及频谱服务数据库中频谱知识构建方法等。在频谱自主决策算法方面，提出了一种基于匹配理论的单信道频谱分配机制，一种基于一对多匹配的多信道频谱分配算法和基于动态配额的多信道频谱分配算法等。在频谱服务质量评价及其反馈机制方面，针对传统频谱资源的静态分配和低效利用问题，提出了带有召回机制的动态频谱拍卖分配方法，进而将用户体验作为服务指标，提出了最大全网用户满意度的频谱资源拍卖机制。利用USRP硬件模拟认知无线电节点，构建了频谱管理与服务半实物仿真网络，模拟了频谱服务网络实时运行并提供频谱服务的机制，测试结果表明提出的架构和算法能够为多频段、多网络提供及时、有效的频谱服务。本项目研究成果为实现政策调整方便、频谱资源分配适应性强、频谱需求响应速度快的用频环境，推动频谱管理向频谱服务转型提供理论与技术基础。基于本项目研究成果发表学术论文44篇，其中SCI收录9篇、EI收录19篇，申请国家发明专利7项，培养博士生5名，硕士生6名。