專利名稱：基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多無線電通信系統(tǒng)的頻譜共享方法，尤其是多無線電系統(tǒng)頻譜共享環(huán)境下的動態(tài)頻譜分配方法。
背景技術(shù)：
針對日益嚴(yán)重的無線頻譜資源短缺這一瓶頸問題，可以通過基于無線電系統(tǒng)重配置策略和技術(shù)創(chuàng)新來解決，從而達(dá)到頻譜資源的高效利用?；谲浖o線電(Software Defined RadioSDR)的頻譜共享概念由J.Mitola首次提出，這一技術(shù)使得在任何時間、任何地點(diǎn)分配任意頻譜成為可能。
無線電系統(tǒng)的通信量是隨著時間和地點(diǎn)不斷變化的，然而當(dāng)前大多數(shù)無線電系統(tǒng)的頻譜都是根據(jù)“峰值時刻”的通信量來分配，因此在非“峰值時刻”的頻譜資源都未能得到充分利用，造成浪費(fèi)。
鑒于通用移動通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunication SystemUMTS)和陸地數(shù)字廣播電視(Digital Video Broadcasting TerrestrialDVB-T)系統(tǒng)頻譜需求在時間上差異及空間上重疊，很容易聯(lián)想到使這兩個系統(tǒng)共享同一頻譜。這樣頻譜的分配可以根據(jù)不同時間的需求動態(tài)調(diào)整，而不必按照兩個系統(tǒng)的“峰值時刻”的通信量來分配，大大節(jié)省了頻譜資源。同時還可以在深夜(1:00-7:00AM，此時UMTS和DVB-T業(yè)務(wù)量都很小)為首選的租用系統(tǒng)提供頻譜資源。除了UMTS和DVB-T外，現(xiàn)實中還有許多其它的主系統(tǒng)和租用系統(tǒng)可以進(jìn)行動態(tài)頻譜共享，即所謂動態(tài)頻譜分配(DynamicSpectrum AllocationDSA)策略。
為了達(dá)到頻譜資源的最大利用，頻譜的授權(quán)必須是靈活的。本發(fā)明為租用系統(tǒng)提供了訪問本不屬于它們的頻譜的一種辦法，同時主系統(tǒng)通過出租頻譜也可以增加收入，從而達(dá)到雙贏的結(jié)果。
保羅·里烏(Paul leaves)等人在“組合可重構(gòu)無線電系統(tǒng)中的動態(tài)頻譜分配”(“Dynamic spectrum allocation in composite reconfigurable wirelessnetworks，”IEEE Communication Magazine，vol.37，issue 2，pp.72-81，May2004.)論文中提及在英國和美國已經(jīng)展開了對頻譜管理政策的討論，例如，英國政府主張“頻譜商業(yè)化應(yīng)當(dāng)盡快在英國實行”，同時指出“廣播公司應(yīng)該有能力將未用頻譜租用給其它用戶”；美國的聯(lián)邦通信委員會(FederalCommunication CommissionFCC)頻譜政策工作組也認(rèn)可了新的頻譜政策對提高頻譜效率所具有的潛力。然而，為了使網(wǎng)絡(luò)能夠具備共享能力，現(xiàn)有的規(guī)則必須做出重大調(diào)整。
為了實現(xiàn)多無線電系統(tǒng)頻譜共享，保羅·里烏等人提出了動態(tài)頻譜共享方案，包括相鄰動態(tài)頻譜分配，即相鄰DSA(Contiguous Dynamic SpectrumAllocation)，以及分片動態(tài)頻譜分配，即分片DSA(Fragmented DynamicSpectrum Allocation)兩種方法。
相鄰DSA方法適用于頻譜相鄰的兩個無線電系統(tǒng)的動態(tài)頻譜共享。圖1是固定頻譜分配方法(FSA)的示意圖，圖2是相鄰DSA示意圖。圖1、圖2中相鄰的兩個頻段分別分配給不同的兩個無線電系統(tǒng)，其中深灰色為系統(tǒng)RAN1占用的頻段，淺灰色為系統(tǒng)RAN2占用的頻段，它們之間通過空白部分的保護(hù)頻帶隔離。圖2的相鄰DSA方法與圖1的固定頻譜分配方法(FSA)不同的是圖2的相鄰DSA可以根據(jù)系統(tǒng)在不同時刻網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的變化動態(tài)地調(diào)整兩個系統(tǒng)各自頻段的寬度，而圖1則是固定分配頻段給不同系統(tǒng)，一旦分配，不管系統(tǒng)業(yè)務(wù)量大小，頻段寬度不能調(diào)整，因此相鄰DSA方法與傳統(tǒng)的固定頻譜分配方法比較，可以節(jié)省頻譜資源。
從圖2還可以看出，相鄰DSA仍然存在一些問題，它只適合于頻譜相鄰的無線電系統(tǒng)的頻譜共享，而且一個無線電系統(tǒng)不能隨意增加頻譜的分配，除非相鄰另一系統(tǒng)釋放一部分頻譜。因此，此方案頻譜利用率仍然偏低，并且頻譜分配的公平性差。
圖3是分片DSA的示意圖。分片DSA認(rèn)為所有不同的頻譜塊都是獨(dú)立和可共享的，任何無線電系統(tǒng)可以在任何時刻使用任意的未被占用的頻譜塊。
不同的無線電系統(tǒng)對頻譜的需求可能不同。同樣，不同無線電系統(tǒng)之間的保護(hù)頻帶寬度由于干擾程度不同也可能不同。該方法可在多個無線電系統(tǒng)(不局限于相鄰頻譜的無線電系統(tǒng))頻譜中實現(xiàn)空閑頻譜塊的動態(tài)共享。為了簡單起見，圖3中僅給了3個無線電系統(tǒng)RAN1、RAN2、RAN3采用分片DSA進(jìn)行頻譜分配的示意圖。
該方法的不足是由于不同無線電系統(tǒng)之間的干擾，分片DSA的控制比起相鄰DSA要復(fù)雜一些。為了避免系統(tǒng)間干擾，相鄰的不同系統(tǒng)，如圖3中的RAN1、RAN2、RAN3任意兩個系統(tǒng)所使用的相鄰頻譜塊之間，必須設(shè)置保護(hù)頻帶(圖3中的空白部分)。但由于每個系統(tǒng)是將其隨機(jī)出現(xiàn)的空閑頻譜塊，出租給其它的隨機(jī)的租用系統(tǒng)用戶使用。因此主系統(tǒng)出租的空閑頻譜塊在其頻譜中分布是隨機(jī)雜亂的，而不能使同一系統(tǒng)使用或租用的頻譜塊相對集中。導(dǎo)致主系統(tǒng)出租的所有共享頻譜塊需要的保護(hù)頻帶數(shù)量很大，頻譜資源的利用率有待進(jìn)一步提高。
伯鐸·胡貝圖斯(Petrus Hubertus)在美國專利“無線電系統(tǒng)中的頻譜共享方案”(Petrus Hubertus，Method and arrangement for spectrum sharing in a radiocommunication environment，Patent No.US 005907812A，May 25，1999)通過把主系統(tǒng)固定的無線信道(頻譜塊)劃分成更小的子信道(頻譜塊)單位直接提供給租用系統(tǒng)的用戶使用，從而避免了當(dāng)主系統(tǒng)的頻譜塊比租用系統(tǒng)的頻譜塊大時形成的帶寬的浪費(fèi)。此方案相對以前的固定無線信道(頻譜塊)方案優(yōu)化了頻譜利用率，但其出租的空閑頻譜塊仍然是隨機(jī)分布的。為了避免不同系統(tǒng)之間的干擾，同樣需要加入大量的系統(tǒng)間保護(hù)頻帶，頻譜利用仍不充分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，該方法系統(tǒng)間保護(hù)頻帶少，頻譜利用率高。
本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，該方法由以下步驟組成(1)確定多個無線電系統(tǒng)的最小頻譜塊Bm，每個無線電系統(tǒng)RANk，k∈[1，K]的授權(quán)頻譜為[fak，fbk]，其中fak為授權(quán)頻譜的下限頻譜值，fbk為授權(quán)頻譜的上限頻譜值，將授權(quán)頻譜按最小頻譜塊Bm劃分為Nk＝Bk/Bm個單位，其中Bk＝fbk-fak為授權(quán)頻譜的寬度；每個無線電系統(tǒng)RANk根據(jù)歷史記錄和當(dāng)前業(yè)務(wù)量設(shè)定主系統(tǒng)虛擬邊界VDk，該邊界VDk和系統(tǒng)下限頻譜值fak內(nèi)的頻譜塊為主系統(tǒng)私有頻譜，邊界VDk和系統(tǒng)上限頻譜值fbk內(nèi)的頻譜塊為共享頻譜池。
(2)求出每個無線電系統(tǒng)RANk當(dāng)前私有頻譜的最小頻譜塊數(shù)NBk占總的最小頻譜塊數(shù)Nk的比值即私有頻譜占有率ηk＝NBk/Nk，所有當(dāng)前ηk＜1的無線電系統(tǒng)為主系統(tǒng)，其中ηk≤預(yù)設(shè)的門限值THk的主系統(tǒng)則為富余主系統(tǒng)；所有當(dāng)前ηk＝1的無線電系統(tǒng)和無授權(quán)頻譜的系統(tǒng)均為租用系統(tǒng)，租用系統(tǒng)有頻譜需求且其自身不能滿足時即租用主系統(tǒng)的空閑頻譜塊。
(3)富余主系統(tǒng)從現(xiàn)有租用系統(tǒng)中選擇一個當(dāng)前頻譜需求量最大的租用系統(tǒng)確定為其首選租用系統(tǒng)；選定后在其共享頻譜池內(nèi)為所選擇的首選租用系統(tǒng)設(shè)置一個首選租用邊界VPk，其中首選租用邊界VPk和系統(tǒng)上限頻譜值fbk內(nèi)的頻譜塊為首選租用系統(tǒng)私有頻譜，包含NPk個最小頻譜塊Bm；首選租用邊界VPk和主系統(tǒng)虛擬邊界VDk之間的頻譜塊為共享頻譜池；該首選租用系統(tǒng)需租用頻譜塊時，優(yōu)先租用對應(yīng)富余主系統(tǒng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜內(nèi)的頻譜塊。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是由于主系統(tǒng)虛擬邊界根據(jù)無線電系統(tǒng)的當(dāng)前業(yè)務(wù)量確定，是動態(tài)可調(diào)的，且主系統(tǒng)用戶的頻譜需求主要在其私有頻譜內(nèi)集中滿足，這些頻譜塊之間無需保護(hù)頻帶，具有相鄰DSA的優(yōu)點(diǎn)，頻譜資源利用率高。
同時，由于共享的頻譜池的存在，其空閑頻譜塊可以出租給任何租用系統(tǒng)使用，而不局限于頻譜相鄰的系統(tǒng)，因此它也具有分片DSA的優(yōu)點(diǎn)，所有主系統(tǒng)的空閑頻譜能得到有效、公平的利用。
空閑頻譜塊數(shù)量多的主系統(tǒng)成為富余主系統(tǒng)，并將當(dāng)前業(yè)務(wù)需求量最大的租用系統(tǒng)選擇為其首選租用系統(tǒng)，并在富余主系統(tǒng)的空閑頻譜池中設(shè)定出動態(tài)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜，該首選租用系統(tǒng)的頻譜需求首先由該首選租用系統(tǒng)私有頻譜滿足，這些頻譜塊之間也無需設(shè)置保護(hù)頻帶，使得經(jīng)常性的、大量的租用頻譜塊之間無需保護(hù)頻帶，大大減少保護(hù)頻帶的數(shù)量，增加了可用頻譜資源，進(jìn)一步克服了分片DSA的缺點(diǎn)。
總之，本發(fā)明不但具有相鄰DSA和分片DSA的優(yōu)點(diǎn)，同時兼顧了公平性，顯者提高了頻譜利用率。
本發(fā)明的基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法可以采取以下的更具體的做法
(1)上述的無線電系統(tǒng)RANk將其狀態(tài)及其系統(tǒng)內(nèi)的頻譜塊使用情況全部動態(tài)記錄到公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫中；無線電系統(tǒng)的狀態(tài)包括系統(tǒng)類型屬于主系統(tǒng)、富余主系統(tǒng)、租用系統(tǒng)、首選租用系統(tǒng)中的哪一種及富余主系統(tǒng)與首選租用系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系；頻譜塊使用情況包括主系統(tǒng)虛擬邊界、首選租用邊界及其兩者之間共享頻譜池中的所有塊頻譜塊占用情況。
主系統(tǒng)將其虛擬邊界VDk及其私有頻譜塊的使用情況動態(tài)記錄在其本地數(shù)據(jù)庫中，其中富余主系統(tǒng)在該表中還將記錄首選租用邊界VPk。
首選租用系統(tǒng)將其自身的授權(quán)頻譜塊的使用情況，以及其租用的富余主系統(tǒng)的首選租用邊界VPk及其首先租用系統(tǒng)私有頻譜塊的使用情況，記錄到首選租用系統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)庫中。
其它租用系統(tǒng)只需將其自身的授權(quán)頻譜塊的使用情況記錄在其本地數(shù)據(jù)庫中，但如果該租用系統(tǒng)自身不擁有任何授權(quán)私用頻譜的系統(tǒng)(完全使用他人頻譜)，則不用建立此數(shù)據(jù)庫。
(2)包括富余主系統(tǒng)在內(nèi)的主系統(tǒng)有頻譜需求時，首先訪問主系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)庫，搜索主系統(tǒng)私有頻譜塊中的空閑頻譜塊，有則分配之；否則，訪問公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫，搜索并分配本系統(tǒng)的共享頻譜池內(nèi)的空閑頻譜塊；如果本系統(tǒng)共享頻譜池內(nèi)仍沒有空閑頻譜塊，則搜索并分配其它主系統(tǒng)共享頻譜池中的空閑頻譜塊；若仍沒有空閑頻譜塊，則強(qiáng)行中斷并分配本主系統(tǒng)共享頻譜池內(nèi)，靠近主系統(tǒng)虛擬邊界VDk的，其它租用系統(tǒng)正使用的頻譜塊。
當(dāng)首選租用系統(tǒng)有頻譜需求時，首先訪問本地數(shù)據(jù)庫，搜索本地授權(quán)頻譜的空閑頻譜塊，有則分配之；否則搜索對應(yīng)富余主系統(tǒng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜塊，若有空閑頻譜塊則分配之，若沒有空閑頻譜塊則訪問公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫，搜索并分配共享頻譜池中的空閑頻譜塊。
當(dāng)其它租用系統(tǒng)有頻譜需求時，首先訪問其本地數(shù)據(jù)庫，搜索本地授權(quán)頻譜的空閑頻譜塊，有則分配之；否則，在公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫共享頻譜池中搜索并獲取空閑頻譜塊。
(3)所有系統(tǒng)在分配頻譜塊后，均在本地數(shù)據(jù)庫或者公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫中將所分配頻譜塊的狀態(tài)改寫為已占用；業(yè)務(wù)完成不再需用頻譜，釋放頻譜塊后，都必須將本地數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的頻譜塊改寫為空閑，以便其它系統(tǒng)從本地數(shù)據(jù)庫和中隨時得到當(dāng)前頻譜的空閑頻譜塊信息。
首先，采用以上方式可以動態(tài)、完整且簡明地記錄到當(dāng)前所有主系統(tǒng)和租用系統(tǒng)的狀態(tài)及其頻譜塊的使用狀態(tài)；無線電系統(tǒng)有業(yè)務(wù)需求時，通過以上方式可以按其優(yōu)先級別搜索并分配到相應(yīng)頻譜塊，如首選租用系統(tǒng)先查找自身的授權(quán)頻譜是否有空閑頻譜塊，再查找其對應(yīng)的富余主系統(tǒng)上的首選租用系統(tǒng)私有頻譜是否有空余頻譜塊，然后查找共享頻譜池。這種優(yōu)先級別使得無需保護(hù)頻帶的私有頻譜塊優(yōu)先得到使用，頻譜的利用率高；并且這種記錄分配的方式，如系統(tǒng)查找自己的頻譜塊時，只需訪問本地數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)之間所需的訪問信息量及記錄信息所需的存儲容量小。總之，可實現(xiàn)無線電系統(tǒng)之間的的動態(tài)頻譜共享有效、快捷、方便、準(zhǔn)確；使本發(fā)明實施容易，穩(wěn)定、可靠。
其次，本發(fā)明能為租用系統(tǒng)提供良好的服務(wù)質(zhì)量(QoS)因為即使主系統(tǒng)有頻譜需求，但已經(jīng)分配給租用系統(tǒng)的頻譜塊不能立刻切換給主系統(tǒng)使用，除非整個頻譜已經(jīng)沒有空閑頻譜塊可用。因此，本發(fā)明能在不影響主系統(tǒng)性能的前提下，減小租用系統(tǒng)的被迫中斷率，從而為租用系統(tǒng)提供較好的服務(wù)質(zhì)量。
上述的主系統(tǒng)總是從其授權(quán)頻譜的下限頻譜值fak開始向上使用空閑頻譜塊，直到到達(dá)主系統(tǒng)虛擬邊界VDk為止；首選租用系統(tǒng)的頻譜需求超過自身的授權(quán)頻譜后，從其對應(yīng)富余主系統(tǒng)上限頻譜值fbk開始向下取空閑頻譜塊，直到到達(dá)首選租用邊界VPk為止；所有系統(tǒng)在共享頻譜池內(nèi)搜索空閑頻譜使用時，按分片動態(tài)頻譜分配(Fragment DSA)方式進(jìn)行，為了避免干擾，必須在相鄰系統(tǒng)的頻譜塊之間增加保護(hù)頻帶，任意兩個系統(tǒng)之間的保護(hù)頻帶帶寬可以從預(yù)先定義的保護(hù)頻帶矩陣BG(KxK)中得到。
這種方式使得各系統(tǒng)的私有頻譜、共享頻譜池的確定有序、方便。保證了系統(tǒng)有效地按自身授權(quán)頻譜中的私有頻譜、首選租用系統(tǒng)私有頻譜，共享頻譜池的優(yōu)先順序使用頻譜塊，最大地提高了頻譜的利用率，而在共享頻譜池的使用時，則采用成熟的分片動態(tài)頻譜分配方式進(jìn)行，使得系統(tǒng)的控制與分配相對簡單，方便本發(fā)明的實施。
上述的一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，其設(shè)定主系統(tǒng)虛擬邊界和首選租用邊界的具體方法為(1)所述的主系統(tǒng)每次分配或釋放頻譜塊后，動態(tài)調(diào)整主系統(tǒng)虛擬邊界VDk當(dāng)主系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加導(dǎo)致主系統(tǒng)虛擬邊界VDk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NFk減少時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NFk與其私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NBk的比值即NFk/NBk≤預(yù)設(shè)的低門限值THBk1，則增加主系統(tǒng)虛擬邊界VDk并更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使得主系統(tǒng)的私有頻譜量增加；若當(dāng)前私有頻譜最小頻譜塊數(shù)NBk使得私有頻譜占有率ηk＝NBk/Nk＞THk，則此主系統(tǒng)不再是富余主系統(tǒng)，若此時存在首選租用系統(tǒng)，則釋放之，同時，更新共享頻譜數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。
當(dāng)主系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量減少導(dǎo)致主系統(tǒng)虛擬邊界VDk內(nèi)私有頻譜的空閑頻譜塊數(shù)NFk增加時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NFk與其私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NBk的比值即NFk/NBk≥預(yù)設(shè)的高門限值THBk2，則減小主系統(tǒng)虛擬邊界VDk并更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使得主系統(tǒng)的私有頻譜量降低；若主系統(tǒng)虛擬邊界VDk內(nèi)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NBk使得私有頻譜占有率ηk＝NBK/NK≤THk，則此主系統(tǒng)成為富余主系統(tǒng)，應(yīng)從現(xiàn)有未成為首選租用系統(tǒng)的租用系統(tǒng)中選擇一個作為其首選租用系統(tǒng)，同時更新共享頻譜數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。
如果主系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加或減少，但并未使其私有頻譜的空閑最小譜塊的數(shù)量NFK滿足NFk/NBk≤THBk1或者NFk/NBk≥THBk2，則保持主系統(tǒng)虛擬邊界VDk不變。
(2)所述的首選租用系統(tǒng)每次分配或釋放頻譜塊后，動態(tài)調(diào)整首選租用邊界VPk當(dāng)首選租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加導(dǎo)致首選租用邊界VPk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NPFk減少時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NPFk與首選租用系統(tǒng)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)量NPk的比值即NPFk/NPk≤預(yù)設(shè)的首選系統(tǒng)低門限值THPk1，則增加首選租用邊界VPk，并更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使得首選租用系統(tǒng)的私有頻譜量增加。
當(dāng)首選租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量減少導(dǎo)致首選租用邊界VPk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NPFk增加時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NPFk與首選租用系統(tǒng)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)量NPk的比值即NPFk/NPk≥預(yù)設(shè)的首選系統(tǒng)高門限值THPk2，則減少首選租用邊界VPk，若減少到首選租用系統(tǒng)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NPk與相應(yīng)主系統(tǒng)的總的最小頻譜塊數(shù)NK的比值即NPK/NK≤預(yù)設(shè)的首選系統(tǒng)門限值THPk，則釋放此首選租用系統(tǒng)，相應(yīng)主系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量重新選擇新的首選租用系統(tǒng)，同時更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。
如果首選租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加或減少，但并未使其首選租用邊界內(nèi)的私有頻譜的空閑最小頻譜塊的數(shù)量NPFk滿足NPFk/NPk≤THPk1或者NPFk/NPk≥THPk2，則保持首選租用邊界VPk不變。
采用以上方式對實時地根據(jù)無線電系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量，按預(yù)定的值動態(tài)地調(diào)整主系統(tǒng)虛擬邊界、首選租用邊界，并轉(zhuǎn)變無線電系統(tǒng)的系統(tǒng)類型，既實時地保證了各系統(tǒng)自身的動態(tài)頻譜需求，又將各系統(tǒng)的動態(tài)空閑頻譜塊充分地及時地加以利用，且能保證系統(tǒng)自身私有頻譜和首選租用系統(tǒng)私有頻譜的優(yōu)先使用。使得本發(fā)明在不同時刻，均能做到頻譜資源的高效、充分利用。
上述的多無線電系統(tǒng)最小頻譜塊Bm的確定方法為首先根據(jù)各個無線電系統(tǒng)(RAN)頻譜塊Bm1，Bm2，...BmK的寬度，和從保護(hù)頻帶矩陣BG(KxK)中得到的任意兩個RAN之間的保護(hù)頻帶寬度Bgij，其中i≠j且i，j∈[1，K]，取Bm1，Bm2，...BmK和Bgij的最大公約數(shù)，作為多無線電系統(tǒng)頻譜劃分的最小頻譜塊Bm＝gcd(Bm1，Bm2，...BmK，Bgij)。
這樣，所確定的所有無線電系統(tǒng)的最小頻譜塊是所有的無線電系統(tǒng)的頻譜塊和所有的保護(hù)頻帶寬度的最大公約數(shù)，也即所有的無線電系統(tǒng)的頻譜塊和所有的保護(hù)頻帶寬度剛好是該最小頻譜塊的一倍或數(shù)倍；因此，采用本發(fā)明方法可按該最小頻譜塊的一倍或數(shù)倍進(jìn)行分配，使得每個系統(tǒng)在有業(yè)務(wù)需求時，分配得到的頻譜塊的寬度都剛好合適，既不會造成分配得到的頻譜塊的寬度大于7實際需要的寬度，沒有頻譜資源的浪費(fèi)，進(jìn)一步提高了頻譜的利用率。同時由于該最小頻譜塊是最大公約數(shù)，使得本發(fā)明方法在保證頻譜利用率的前提下，所管理的最小頻譜塊數(shù)量最少，降低了管理的復(fù)雜性。
上述的搜索分配第k個主系統(tǒng)RANk(k∈[1，K])的主系統(tǒng)私有頻譜應(yīng)按其自身的頻譜塊Bmk為單位，而不按最小頻譜塊Bm進(jìn)行管理，主系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)庫相應(yīng)按Bmk為單位進(jìn)行管理；同理，搜索分配其對應(yīng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜應(yīng)按首選租用系統(tǒng)自身的頻譜塊Bmpk為單位進(jìn)行，也非最小頻譜塊Bm，其本地數(shù)據(jù)庫按Bmpk為單位進(jìn)行管理；對于共享頻譜池，則按最小頻譜塊Bm進(jìn)行搜索和分配，公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫相應(yīng)也按Bm為單位進(jìn)行管理。
主系統(tǒng)私有頻譜及主系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)庫按其自身的頻譜塊為單位進(jìn)行管理，搜索分配其對應(yīng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜應(yīng)按首選租用系統(tǒng)自身的頻譜塊Bmpk為單位進(jìn)行管理，這樣降低了管理的難度和復(fù)雜性。
上述的基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法中，調(diào)整主系統(tǒng)虛擬邊界VDk和首選租用邊界VPk按照一定步長進(jìn)行，對不同的無線電系統(tǒng)，該步長可能不同，并且對同一個無線電系統(tǒng)，該步長也是可變的。
根據(jù)不同的無線電系統(tǒng)的授權(quán)頻譜的寬度及其業(yè)務(wù)量的變化特點(diǎn)，采用不同的步長調(diào)整主系統(tǒng)虛擬邊界VDk和首選租用邊界VPk步長越大，主系統(tǒng)虛擬邊界VDk及首選租用邊界VPk的調(diào)整越有效，收斂速度越快，但頻譜利用率越低，主要適用于頻譜長度較長、業(yè)務(wù)量變化較大的系統(tǒng)使用；步長越小，頻譜利用率越高，但收斂速度越慢，適用于業(yè)務(wù)量變化較小或頻譜長度較短的系統(tǒng)。同一系統(tǒng)在業(yè)務(wù)量變化較小的時段，采用較小的步長，業(yè)務(wù)量變化較大的時段，則采用較大的步長。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。


圖1為固定頻譜分配(FSA)方案的示意圖。
圖2為相鄰DSA方案的示意圖。
圖3為分片DSA方案的示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例的富余主系統(tǒng)RAN1的動態(tài)頻譜分配示意圖。
圖5為采用本發(fā)明實施例的所有系統(tǒng)在某個時刻的頻譜狀態(tài)示意圖。
圖6為本發(fā)明與固定頻譜分配、相鄰/分片DSA的頻譜利用率的仿真結(jié)果比較圖。
圖7為實施本發(fā)明實施例的物理設(shè)備的示意圖。
具體實施方式
實施例圖4、圖5示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為，一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，該方法由以下步驟組成(1)確定多個無線電系統(tǒng)的最小頻譜塊Bm，每個無線電系統(tǒng)RANk，k∈[1，K]的授權(quán)頻譜為[fak，fbk]，其中fak為授權(quán)頻譜的下限頻譜值，fbk為授權(quán)頻譜的上限頻譜值，將授權(quán)頻譜按最小頻譜塊Bm劃分為Nk＝Bk/Bm個單位，其中Bk＝fbk-fak為授權(quán)頻譜的寬度；每個無線電系統(tǒng)RANk根據(jù)歷史記錄和當(dāng)前業(yè)務(wù)量設(shè)定主系統(tǒng)虛擬邊界VDk，該邊界VDk和系統(tǒng)下限頻譜值fak內(nèi)的頻譜塊為主系統(tǒng)私有頻譜，邊界VDk和系統(tǒng)上限頻譜值fbk內(nèi)的頻譜塊為共享頻譜池。
其中最小頻譜塊Bm的確定按如下步驟進(jìn)行定義保護(hù)頻帶寬度由于共享頻譜池采用分片DSA方法進(jìn)行動態(tài)頻譜分配，為了避免干擾，任意兩個不同系統(tǒng)的頻譜塊之間都規(guī)定有一定寬度的保護(hù)頻帶，將這些保護(hù)頻帶集中起來，構(gòu)成如下矩陣BG(KxK)=0Bg12··Bg1KBg210··Bg2K··········BgK1BgK2··0]]>其中，Bgij＝Bgji& Bgii＝0其中，Bgij表示系統(tǒng)i與系統(tǒng)j之間的保護(hù)頻帶寬度。
確定每個無線電系統(tǒng)RANk，k∈[1，K]頻譜塊的大小，分別記為Bm1，Bm2，...BmK，如GSM，iDEN，IS-95和DVB-T的頻譜塊大小分別為200KHz，25KHz，1250KHz和6-8MHz；并從保護(hù)頻譜矩陣BG(KxK)中得到任意兩個RAN之間的保護(hù)頻帶寬度Bgij，其中i≠j且i，j∈[1，K]；取Bm1，Bm2，...BmK和Bgij的最大公約數(shù)，記為Bm＝gcd(Bm1，Bm2，...BmK，Bgij)，作為每個RAN頻譜劃分的最小單位，這樣，每個RAN的頻譜需求和保護(hù)頻帶帶寬均為Bm的整數(shù)倍。
(2)求出每個無線電系統(tǒng)RANk當(dāng)前私有頻譜的最小頻譜塊數(shù)NBk占總的最小頻譜塊數(shù)Nk的比值即私有頻譜占有率ηk＝NBk/Nk，所有當(dāng)前ηk＜1的無線電系統(tǒng)為主系統(tǒng)，其中ηk≤預(yù)設(shè)的門限值THk的主系統(tǒng)則為富余主系統(tǒng)；所有當(dāng)前ηk＝1的無線電系統(tǒng)和無授權(quán)頻譜的系統(tǒng)均為租用系統(tǒng)，租用系統(tǒng)有頻譜需求且其自身不能滿足時即租用主系統(tǒng)的空閑頻譜塊。
(3)富余主系統(tǒng)從現(xiàn)有租用系統(tǒng)中選擇一個當(dāng)前頻譜需求量最大的租用系統(tǒng)確定為其首選租用系統(tǒng)；選定后在其共享頻譜池內(nèi)為所選擇的首選租用系統(tǒng)設(shè)置一個首選租用邊界VPk其中首選租用邊界VPk和系統(tǒng)上限頻譜值fbk內(nèi)的頻譜塊為首選租用系統(tǒng)私有頻譜，包含NPk個最小頻譜塊Bm；首選租用邊界VPk和主系統(tǒng)虛擬邊界VDk之間的頻譜塊為共享頻譜池；該首選租用系統(tǒng)需租用頻譜塊時，優(yōu)先租用對應(yīng)富余主系統(tǒng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜內(nèi)的頻譜塊。
本例的方法中(1)無線電系統(tǒng)RANk將其狀態(tài)及其系統(tǒng)內(nèi)的頻譜塊使用情況全部動態(tài)記錄到公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫中；無線電系統(tǒng)的狀態(tài)包括系統(tǒng)類型屬于主系統(tǒng)、富余主系統(tǒng)、租用系統(tǒng)、首選租用系統(tǒng)中的哪一種及富余主系統(tǒng)與首選租用系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系；頻譜塊使用情況包括主系統(tǒng)虛擬邊界、首選租用邊界及其兩者之間共享頻譜池中的所有塊頻譜塊占用情況。
主系統(tǒng)將其虛擬邊界VDk及其私有頻譜塊的使用情況動態(tài)記錄在主系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)庫中，其中富余主系統(tǒng)在該數(shù)據(jù)中還將記錄首選租用邊界VPk首選租用系統(tǒng)將其自身的授權(quán)頻譜塊的使用情況，以及其租用的富余主系統(tǒng)的首選租用邊界VPk及其首先租用系統(tǒng)私有頻譜塊的使用情況，記錄到首選租用系統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)庫中。
其它租用系統(tǒng)只需將其自身的授權(quán)頻譜塊的使用情況記錄在其本地數(shù)據(jù)庫中，但如果該租用系統(tǒng)自身不擁有任何授權(quán)私用頻譜的系統(tǒng)(完全使用他人頻譜)，則不用建立此數(shù)據(jù)庫。
(2)包括富余主系統(tǒng)在內(nèi)的主系統(tǒng)有頻譜需求時，首先訪問主系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)庫，搜索主系統(tǒng)私有頻譜塊中的空閑頻譜塊，有則分配之；否則，訪問公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫，搜索并分配本系統(tǒng)的共享頻譜池內(nèi)的空閑頻譜塊；如果本系統(tǒng)共享頻譜池內(nèi)仍沒有空閑頻譜塊，則搜索并分配其它主系統(tǒng)共享頻譜池中的空閑頻譜塊；若仍沒有空閑頻譜塊，則強(qiáng)行中斷并分配本主系統(tǒng)共享頻譜池內(nèi)，靠近主系統(tǒng)虛擬邊界VDk的，其它租用系統(tǒng)正使用的頻譜塊。
可見，即使主系統(tǒng)有頻譜需求，但已經(jīng)分配給租用系統(tǒng)的頻譜塊不能立刻切換給主系統(tǒng)使用，除非整個頻譜已經(jīng)沒有空閑頻譜塊可用。因此，本發(fā)明能在不影響主系統(tǒng)性能的前提下，減小租用系統(tǒng)的被迫中斷率，從而為租用系統(tǒng)提供較好的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。
當(dāng)首選租用系統(tǒng)有頻譜需求時，首先訪問其本地數(shù)據(jù)庫，搜索本地授權(quán)頻譜的空閑頻譜塊，有則分配之；否則搜索對應(yīng)富余主系統(tǒng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜塊，若有空閑頻譜塊則分配之，若沒有空閑頻譜塊則訪問公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫，搜索并分配共享頻譜池中的空閑頻譜塊。
當(dāng)其它租用系統(tǒng)有頻譜需求時，首先訪問其本地數(shù)據(jù)庫，搜索本地授權(quán)頻譜的空閑頻譜塊，有則分配之；否則，在公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫共享頻譜池中搜索并獲取空閑頻譜塊。
(3)所有系統(tǒng)在分配頻譜塊后，均在本地數(shù)據(jù)庫或者公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫中將所分配頻譜塊的狀態(tài)改寫為已占用；業(yè)務(wù)完成不再需用頻譜，釋放頻譜塊后，都必須將本地數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的頻譜塊改寫為空閑，以便其它系統(tǒng)從本地數(shù)據(jù)庫和中隨時得到當(dāng)前頻譜的空閑頻譜塊信息。
本例的動態(tài)頻譜分配方法中主系統(tǒng)總是從其授權(quán)頻譜的下限頻譜值fak開始向上使用空閑頻譜塊，直到到達(dá)主系統(tǒng)虛擬邊界VDk為止；首選租用系統(tǒng)的頻譜需求超過自身的授權(quán)頻譜后，從其對應(yīng)富余主系統(tǒng)上限頻譜值fbk開始向下取空閑頻譜塊，直到到達(dá)首選租用邊界VPk為止；所有系統(tǒng)在共享頻譜池內(nèi)搜索空閑頻譜使用時，按現(xiàn)有的分片DSA方式進(jìn)行，為了避免干擾，必須在相鄰系統(tǒng)的頻譜塊之間增加保護(hù)頻帶，任意兩個系統(tǒng)之間的保護(hù)頻帶帶寬可以從預(yù)先定義的保護(hù)頻帶矩陣BG(KxK)中得到。共享頻譜池根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)量動態(tài)變化，當(dāng)前的頻譜池內(nèi)頻譜塊忙閑狀態(tài)可以通過查詢得到；訪問這些頻譜塊要基于可重配置系統(tǒng)來實現(xiàn)。
本例的方法中(1)主系統(tǒng)每次分配或釋放頻譜塊后，動態(tài)調(diào)整主系統(tǒng)虛擬邊界VDk當(dāng)主系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加導(dǎo)致主系統(tǒng)虛擬邊界VDk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NFk減少時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NFk與其私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NBk的比值即NFk/NBk≤預(yù)設(shè)的低門限值THBk1，則增加主系統(tǒng)虛擬邊界VDk并更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使得主系統(tǒng)的私有頻譜量增加。具體計算方法如下VDk＝VDk+nk×Bmk，nk為步長若更新主系統(tǒng)虛擬邊界VDk后，當(dāng)前私有頻譜最小頻譜塊數(shù)NBk使得私有頻譜占有率ηk＝NBk/Nk＞THk，則此主系統(tǒng)不再是富余主系統(tǒng)，若此時存在首選租用系統(tǒng)，則釋放之，同時，更新共享頻譜數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。
當(dāng)主系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量減少導(dǎo)致主系統(tǒng)虛擬邊界VDk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NFk增加時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NFk與其私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NBk的比值即NFk/NBk≥預(yù)設(shè)的高門限值THBk2，則減小主系統(tǒng)虛擬邊界VDk并更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使得主系統(tǒng)的私有頻譜量降低。具體計算方法如下VDk＝VDk-nk×Bmk，nk為步長若更新主系統(tǒng)虛擬邊界VDk后，主系統(tǒng)虛擬邊界VDk內(nèi)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NBk使得私有頻譜占有率ηk＝NBK/NK≤THk，則此主系統(tǒng)成為富余主系統(tǒng)，應(yīng)從現(xiàn)有未成為首選租用系統(tǒng)的租用系統(tǒng)中選擇一個作為其首選租用系統(tǒng)，同時更新共享頻譜數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。
如果主系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加或減少，但并未使其私有頻譜的空閑最小譜塊的數(shù)量NFK滿足NFk/NBk≤THBk1或者NFk/NBk≥THBk2，則保持主系統(tǒng)虛擬邊界VDk不變。
(2)首選租用系統(tǒng)每次分配或釋放頻譜塊后，動態(tài)調(diào)整首選租用邊界VPk當(dāng)首選租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加導(dǎo)致首選租用邊界VPk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NPFk減少時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NPfk與首選租用系統(tǒng)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)量NPk的比值即NPFk/NPk≤預(yù)設(shè)的首選系統(tǒng)低門限值THPk1，則增加首選租用邊界VPk，具體計算方法如下VPk＝VPk+nk×Bmpk，nk為步長并更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使得首選租用系統(tǒng)的私有頻譜量增加。
當(dāng)首選租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量減少導(dǎo)致首選租用邊界VPk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NPFk增加時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NPFk與首選租用系統(tǒng)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)量NPk的比值即NPFk/NPk≥預(yù)設(shè)的首選系統(tǒng)高門限值THPk2，則減少首選租用邊界VPk。具體計算方法如下
VPk＝VPk-nk×Bmpk，nk為步長若減少到首選租用系統(tǒng)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NPk與相應(yīng)主系統(tǒng)的總的最小頻譜塊數(shù)NK的比值即NPK/NK≤預(yù)設(shè)的首選系統(tǒng)門限值THPk，則釋放此首選租用系統(tǒng)，相應(yīng)主系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量重新選擇新的首選租用系統(tǒng)，同時更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。
如果首選租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加或減少，但并未使其首選租用邊界內(nèi)的私有頻譜的空閑最小頻譜塊的數(shù)量NPFk滿足NPFk/NPk≤THPk1或者NPFk/NPk≥THPk2，則保持首選租用邊界VPk不變。
為了保證所有租用系統(tǒng)的公平性，本發(fā)明在動態(tài)調(diào)整首選租用邊界VPk時，除了可按以上方法進(jìn)行外，還可在增加首選租用邊界VPk時，在滿足門限值條件后，還檢測其它所有租用系統(tǒng)的阻塞率，當(dāng)所有阻塞率均較低時，才能增加首選租用邊界VPk，以使首選租用系統(tǒng)的阻塞率與其它租用系統(tǒng)的阻塞率基本一致。
由于主系統(tǒng)虛擬邊界VDK和首選租用邊界VPK的增加，使得頻譜塊邊界發(fā)生改變，因此，可能導(dǎo)致租用系統(tǒng)的被迫中斷(Forced Termination)。被迫中斷會導(dǎo)致QoS不能保證，是實時通信系統(tǒng)中非常敏感的問題。不僅先前的DSA方案會引起被迫中斷，本發(fā)明進(jìn)行主系統(tǒng)虛擬邊界調(diào)整時，也面臨這一問題，但本發(fā)明可通過以下方式消除或降低被迫中斷率通過基于門限值THBk1和THPk1的主系統(tǒng)虛擬邊界VDK和首選租用邊界VPK增加，如果共享頻譜池內(nèi)相應(yīng)被劃入私有頻譜的頻譜塊正在被其它無線電系統(tǒng)用戶使用，則將該用戶業(yè)務(wù)先切換到其它空閑頻譜塊，再收回此頻譜塊。
盡可能將共享頻譜池內(nèi)靠近主系統(tǒng)虛擬邊界VDK和首選租用邊界VPK的頻譜塊分配給非實時業(yè)務(wù)(如數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))。
本例方法中搜索分配第k個主系統(tǒng)RANk(k∈[1，K])的主系統(tǒng)私有頻譜應(yīng)按其自身的頻譜塊Bmk為單位進(jìn)行，而非最小頻譜塊Bm，因此，主系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)庫按Bmk為單位進(jìn)行管理；同理，搜索分配其對應(yīng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜應(yīng)按首選租用系統(tǒng)自身的頻譜塊Bmpk為單位進(jìn)行，也非最小頻譜塊Bm，其本地數(shù)據(jù)庫按Bmpk為單位進(jìn)行管理；對于共享頻譜池，則按最小頻譜塊Bm進(jìn)行搜索和分配，公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫相應(yīng)也按Bm為單位進(jìn)行管理。
公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫按Bm為單位進(jìn)行管理的具體方法為當(dāng)租用系統(tǒng)有頻譜需求時，或者主系統(tǒng)和首選租用系統(tǒng)的頻譜需求超過各自的私有頻譜時，都必須各自獨(dú)立地按需掃描中頻譜池內(nèi)的空閑頻譜塊，以獲得空閑頻譜塊的使用權(quán)，占用后改寫頻譜塊的標(biāo)注為已占用；當(dāng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)完成后，則釋放占用的頻譜塊，并將中相應(yīng)的頻譜塊標(biāo)注為空閑，重新供其它系統(tǒng)使用；通過這樣的動態(tài)更新，保證當(dāng)前中頻譜塊信息都是最新的，任何系統(tǒng)在任何時候都可以從中得到當(dāng)前主系統(tǒng)虛擬邊界VDk首選租用邊界VPK和頻譜池中空閑頻譜塊的最新信息；這樣雖然增加了一些額外的開銷，但主系統(tǒng)、租用系統(tǒng)和首選租用系統(tǒng)在需要使用頻譜池內(nèi)的頻譜塊時，只需要訪問，便可得到當(dāng)前的空閑頻譜塊信息。
本例中，調(diào)整主系統(tǒng)虛擬邊界VDk和首選租用邊界VPk按照一定步長進(jìn)行，對不同的無線電系統(tǒng)，該步長可能不同，并且對同一個無線電系統(tǒng)，該步長是可變的。第K個系統(tǒng)RANk的步長用nk表示，即主系統(tǒng)虛擬邊界VDK和首選租用邊界VPK界調(diào)整時，一次增加或減少nk個頻譜單位；對主系統(tǒng)來說，頻譜單位取其自身的最小的頻譜塊Bmk，即主系統(tǒng)虛擬邊界NBk的調(diào)整以Bmk為單位進(jìn)行，具體數(shù)量取決于nk的大?。粚κ走x租用系統(tǒng)來說，頻譜單位取首選租用系統(tǒng)自身的最小的頻譜塊Bmpk，同理首選租用邊界NPk的調(diào)整以Bmpk為單位進(jìn)行，具體數(shù)量同樣取決于nk的大小。
為了最大限度發(fā)揮本發(fā)明優(yōu)勢，不同的無線電系統(tǒng)的步長nk可能不同，對同一個無線電系統(tǒng)，步長nk動態(tài)變化的，主要取決于相應(yīng)無線電系統(tǒng)(主系統(tǒng)或其對應(yīng)的首選租用系統(tǒng))的頻譜需求，步長越大，動態(tài)虛擬頻譜邊界(VDK和VPK)的調(diào)整越有效(收斂速度高)但頻譜利用率越低，步長越小頻譜利用率越高但收斂速度越慢。
由于本發(fā)明的方法是根據(jù)各個共享的無線電系統(tǒng)當(dāng)前的業(yè)務(wù)量，確定主系統(tǒng)和首選租用系統(tǒng)，動態(tài)地調(diào)整虛擬頻譜邊界VDk以盡可能地減少所使用的保護(hù)頻帶。因此，本發(fā)明也可稱為自適應(yīng)邊界DSA(動態(tài)頻譜分配)方案。
在圖4及圖6中也將本發(fā)明的方法標(biāo)為自適應(yīng)邊界DSA。
圖4為本實施例的富余主系統(tǒng)RAN1的動態(tài)頻譜分配示意圖。為簡化起見，只有首選租用系統(tǒng)RAN2和其它租用系統(tǒng)RAN3租用系統(tǒng)RAN1的空閑頻譜塊。從圖中可以看出主系統(tǒng)虛擬邊界VD1在不同時刻是動態(tài)變化的，首選租用邊界VP1在不同時刻也是動態(tài)變化的；主系統(tǒng)虛擬邊界VD1以下的頻譜塊全部為主系統(tǒng)RAN1的私有頻譜塊，全部由主系統(tǒng)RAN1使用，而首選租用邊界VP1以上的頻譜塊為首選租用系統(tǒng)RAN2的私有頻譜塊，全部由首選租用系統(tǒng)RAN2使用，而VD1與VP1之間的共享頻譜池則由系統(tǒng)RAN1、RAN2、RAN3隨機(jī)使用。從圖4中也可明顯看出，保護(hù)頻帶只在共享頻譜池內(nèi)出現(xiàn)，較之圖3的分片DSA方案，其保護(hù)頻帶的數(shù)量明顯減少。
圖5為采用本實施例的所有系統(tǒng)在某個時刻的頻譜狀態(tài)示意圖。圖中的系統(tǒng)RAN1此時作為富余主系統(tǒng)，它選擇RAN2作為其首選租用系統(tǒng)，該首選租用系統(tǒng)RAN2為無授權(quán)頻譜的無線電系統(tǒng)；系統(tǒng)RAN3此時為一般主系統(tǒng)，其上部的共享頻譜池可供所有租用系統(tǒng)租用；系統(tǒng)RAN K為有授權(quán)頻譜的一般租用系統(tǒng)，可以租用所有租用系統(tǒng)共享頻譜池的空閑頻譜塊；為了簡化起見，從RAN4到RAN K-1的其它無線電系統(tǒng)的頻譜狀態(tài)省略未畫。
仿真結(jié)果為了比較固定頻譜分配、相鄰DSA、分片DSA及本發(fā)明的自適應(yīng)邊界DSA四種方案的頻譜利用率，在如下條件進(jìn)行計算機(jī)仿真三個無線電系統(tǒng)共享頻譜，每個系統(tǒng)的最小頻譜塊Bm的數(shù)量Nk分別為15，12，12，三個系統(tǒng)對頻譜塊的需求分別服從參數(shù)為λ1，λ2，λ3的泊松分布，駐留時間服從參數(shù)為1/μ1，1/μ2，1/μ3的指數(shù)分布。取λ1＝0.2，λ2＝0.05，λ3＝0.03；1/μ1＝180秒，1/μ2＝180秒，1/μ3＝100秒；系統(tǒng)RAN1、RAN2的頻譜需求負(fù)載分別取9和3愛爾蘭(Erlang)，系統(tǒng)RAN3的頻譜需求負(fù)載取36愛爾蘭；更新時間τ設(shè)為1800秒。對本發(fā)明方案而言，三個系統(tǒng)中RAN1、RAN2為主系統(tǒng)，RAN3為首選租用系統(tǒng)。
基于以上設(shè)定的呼叫達(dá)到率、駐留時間和可用資源，通過仿真得到本發(fā)明與固定頻譜分配、相鄰DSA及分片DSA的頻譜利用率比較結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在多無線電系統(tǒng)頻譜共享環(huán)境下，在相同的頻譜需求到達(dá)率(呼叫達(dá)到率與駐留時間乘積)下，本發(fā)明比固定頻譜分配、相鄰DSA及分片DSA能獲得更高的頻譜利用率，且頻譜需求到達(dá)率越高，本發(fā)明提高頻譜利用率的效果越明顯。
實現(xiàn)的物理設(shè)備本發(fā)明可以用于不同的無線通信設(shè)備，如蜂窩通信設(shè)備、無線監(jiān)控設(shè)備、DVB-T轉(zhuǎn)播設(shè)備、無線局域網(wǎng)設(shè)備等等。
本發(fā)明的方法在實施時其物理實現(xiàn)的終端設(shè)備，可以采用圖7的可重配置設(shè)備(即采用軟件無線電，實現(xiàn)動態(tài)分配頻譜的終端設(shè)備)來實現(xiàn)?？芍嘏渲迷O(shè)備最基本的部件包括射頻單元、中頻單元、基帶單元和信號處理單元；其中的中頻單元主要由數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號上行/下行轉(zhuǎn)換器組成。整個可重配置設(shè)備所有的單元都是可編程的。
射頻單元采用模擬射頻電路，負(fù)責(zé)在所操作的頻段上進(jìn)行信號的收發(fā)。
中頻單元負(fù)責(zé)數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換，包括采用傳統(tǒng)的無線設(shè)備對數(shù)字信號進(jìn)行處理。在接收方，信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入數(shù)字信號下行轉(zhuǎn)換器，同樣，在發(fā)送方，信號從基帶單元過來，通過數(shù)字信號上行轉(zhuǎn)換器后，在數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號上行/下行轉(zhuǎn)換器都需要采用數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)行處理，以滿足可重配置無線設(shè)備的完全可編程和重配置的要求。
可重配置設(shè)備的最后一個階段是基帶單元，在這里，數(shù)字信號通過處理以適應(yīng)相應(yīng)的協(xié)議。隨著協(xié)議的復(fù)雜化，要求相應(yīng)的信號處理能力也要隨之提高。
可重配置設(shè)備還包括信號處理單元，負(fù)責(zé)數(shù)字信號處理或者為以上單元提供其它處理，它可以和以上單元相集成或相對獨(dú)立。
除了以上單元的功能，可重配置設(shè)備還可根據(jù)需要增加信源編碼/解碼、信道編碼/解碼、多路訪問處理、擴(kuò)頻/解擴(kuò)、加密/解密等功能單元，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。
此外，一般本發(fā)明的主系統(tǒng)私有頻譜由其主系統(tǒng)虛擬邊界VDk與系統(tǒng)下限頻譜值fak內(nèi)的頻譜塊組成，首選租用系統(tǒng)私有頻譜由首選租用邊界VPk和系統(tǒng)上限頻譜值fbk內(nèi)的頻譜塊組成，這是多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配的習(xí)慣做法，也便于簡明的說明本發(fā)明的方法。當(dāng)然，在實際實施時也可通過等同的相反方式實現(xiàn)，即主系統(tǒng)私有頻譜由其主系統(tǒng)虛擬邊界VDk與系統(tǒng)上限頻譜值fbk內(nèi)的頻譜塊組成，首選租用系統(tǒng)私有頻譜由首選租用邊界VPk和系統(tǒng)下限頻譜值fak內(nèi)的頻譜塊組成。
權(quán)利要求
1.一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，該方法由以下步驟組成(1)確定多個無線電系統(tǒng)的最小頻譜塊Bm，每個無線電系統(tǒng)RANk，k∈[1，K]的授權(quán)頻譜為[fak，fbk]，其中fak為授權(quán)頻譜的下限頻譜值，fbk為授權(quán)頻譜的上限頻譜值，將授權(quán)頻譜按最小頻譜塊Bm劃分為Nk＝Bk/Bm個單位，其中Bk＝fbk-fak為授權(quán)頻譜的寬度；每個無線電系統(tǒng)RANk根據(jù)歷史記錄和當(dāng)前業(yè)務(wù)量設(shè)定主系統(tǒng)虛擬邊界VDk，該邊界VDk和系統(tǒng)下限頻譜值fak內(nèi)的頻譜塊為主系統(tǒng)私有頻譜，邊界VDk和系統(tǒng)上限頻譜值fbk內(nèi)的頻譜塊為共享頻譜池；(2)求出每個無線電系統(tǒng)RANk當(dāng)前私有頻譜的最小頻譜塊數(shù)NBk占總的最小頻譜塊數(shù)Nk的比值即私有頻譜占有率ηk＝NBk/Nk，所有當(dāng)前ηk＜1的無線電系統(tǒng)為主系統(tǒng)，其中ηk≤預(yù)設(shè)的門限值THk的主系統(tǒng)則為富余主系統(tǒng)；所有當(dāng)前ηk＝1的無線電系統(tǒng)和無授權(quán)頻譜的系統(tǒng)均為租用系統(tǒng)，租用系統(tǒng)有頻譜需求且其自身不能滿足時即租用主系統(tǒng)的空閑頻譜塊；(3)富余主系統(tǒng)從現(xiàn)有租用系統(tǒng)中選擇一個當(dāng)前頻譜需求量最大的租用系統(tǒng)確定為其首選租用系統(tǒng)；選定后在其共享頻譜池內(nèi)為所選擇的首選租用系統(tǒng)設(shè)置一個首選租用邊界VPk，其中首選租用邊界VPk和系統(tǒng)上限頻譜值fbk內(nèi)的頻譜塊為首選租用系統(tǒng)私有頻譜，包含NPk個最小頻譜塊Bm；首選租用邊界VPk和主系統(tǒng)虛擬邊界VDk之間的頻譜塊為共享頻譜池；該首選租用系統(tǒng)需租用頻譜塊時，優(yōu)先租用對應(yīng)富余主系統(tǒng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜內(nèi)的頻譜塊。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，其特征在于(1)所述的無線電系統(tǒng)RANk將其狀態(tài)及其系統(tǒng)內(nèi)的頻譜塊使用情況全部動態(tài)記錄到公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫中；無線電系統(tǒng)的狀態(tài)包括系統(tǒng)類型屬于主系統(tǒng)、富余主系統(tǒng)、租用系統(tǒng)、首選租用系統(tǒng)中的哪一種及富余主系統(tǒng)與首選租用系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系；頻譜塊使用情況包括主系統(tǒng)虛擬邊界、首選租用邊界及其兩者之間共享頻譜池中的所有塊頻譜塊占用情況；主系統(tǒng)將其虛擬邊界VDk及其私有頻譜塊的使用情況動態(tài)記錄在其本地數(shù)據(jù)庫中，其中富余主系統(tǒng)在該表中還將記錄首選租用邊界VPk；首選租用系統(tǒng)將其自身的授權(quán)頻譜塊的使用情況，以及其租用的富余主系統(tǒng)的首選租用邊界VPk及其首先租用系統(tǒng)私有頻譜塊的使用情況，記錄到首選租用系統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)庫中；其它租用系統(tǒng)只需將其自身的授權(quán)頻譜塊的使用情況記錄在其本地數(shù)據(jù)庫中，但如果該租用系統(tǒng)自身不擁有任何授權(quán)私用頻譜的系統(tǒng)(完全使用他人頻譜)，則不用建立此數(shù)據(jù)庫；(2)包括富余主系統(tǒng)在內(nèi)的主系統(tǒng)有頻譜需求時，首先訪問主系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)庫，搜索主系統(tǒng)私有頻譜塊中的空閑頻譜塊，有則分配之；否則，訪問公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫，搜索并分配本系統(tǒng)的共享頻譜池內(nèi)的空閑頻譜塊；如果本系統(tǒng)共享頻譜池內(nèi)仍沒有空閑頻譜塊，則搜索并分配其它主系統(tǒng)共享頻譜池中的空閑頻譜塊；若仍沒有空閑頻譜塊，則強(qiáng)行中斷并分配本主系統(tǒng)共享頻譜池內(nèi)，靠近主系統(tǒng)虛擬邊界VDk的，其它租用系統(tǒng)正使用的頻譜塊；當(dāng)首選租用系統(tǒng)有頻譜需求時，首先訪問本地數(shù)據(jù)庫，搜索本地授權(quán)頻譜的空閑頻譜塊，有則分配之；否則搜索對應(yīng)富余主系統(tǒng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜塊，若有空閑頻譜塊則分配之，若沒有空閑頻譜塊則訪問公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫，搜索并分配共享頻譜池中的空閑頻譜塊；當(dāng)其它租用系統(tǒng)有頻譜需求時，首先訪問其本地數(shù)據(jù)庫，搜索本地授權(quán)頻譜的空閑頻譜塊，有則分配之；否則，在公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫共享頻譜池中搜索并獲取空閑頻譜塊；(3)所有系統(tǒng)在分配頻譜塊后，均在本地數(shù)據(jù)庫或者公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫中將所分配頻譜塊的狀態(tài)改寫為已占用；業(yè)務(wù)完成不再需用頻譜，釋放頻譜塊后，都必須將本地數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的頻譜塊改寫為空閑，以便其它系統(tǒng)從本地數(shù)據(jù)庫和中隨時得到當(dāng)前頻譜的空閑頻譜塊信息。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，其特征在于所述的主系統(tǒng)總是從其授權(quán)頻譜的下限頻譜值fak開始向上使用空閑頻譜塊，直到到達(dá)主系統(tǒng)虛擬邊界VDk為止；首選租用系統(tǒng)的頻譜需求超過自身的授權(quán)頻譜后，從其對應(yīng)富余主系統(tǒng)上限頻譜值fbk開始向下取空閑頻譜塊，直到到達(dá)首選租用邊界VPk為止；所有系統(tǒng)在共享頻譜池內(nèi)搜索空閑頻譜使用時，按分片動態(tài)頻譜分配方式進(jìn)行，為了避免干擾，必須在相鄰系統(tǒng)的頻譜塊之間增加保護(hù)頻帶，任意兩個系統(tǒng)之間的保護(hù)頻帶帶寬可以從預(yù)先定義的保護(hù)頻帶矩陣BG(KxK)中得到。
4.如權(quán)利要求2或3所述的一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，其特征在于(1)所述的主系統(tǒng)每次分配或釋放頻譜塊后，動態(tài)調(diào)整主系統(tǒng)虛擬邊界VDk當(dāng)主系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加導(dǎo)致主系統(tǒng)虛擬邊界VDk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NFk減少時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NFk與其私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NBk的比值即NFk/NBk≤預(yù)設(shè)的低門限值THBk1，則增加主系統(tǒng)虛擬邊界VDk并更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使得主系統(tǒng)的私有頻譜量增加；若當(dāng)前私有頻譜最小頻譜塊數(shù)NBk使得私有頻譜占有率ηk＝NBk/Nk＞THk，則此主系統(tǒng)不再是富余主系統(tǒng)，若此時存在首選租用系統(tǒng)，則釋放之，同時，更新共享頻譜數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；當(dāng)主系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量減少導(dǎo)致主系統(tǒng)虛擬邊界VDk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NFk增加時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NFk與其私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NBk的比值即NFk/NBk≥預(yù)設(shè)的高門限值THBk2，則減小主系統(tǒng)虛擬邊界VDk并更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使得主系統(tǒng)的私有頻譜量降低；若主系統(tǒng)虛擬邊界VDk內(nèi)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NBk使得私有頻譜占有率ηk＝NBK/NK≤THk，則此主系統(tǒng)成為富余主系統(tǒng)，應(yīng)從現(xiàn)有未成為首選租用系統(tǒng)的租用系統(tǒng)中選擇一個作為其首選租用系統(tǒng)，同時更新共享頻譜數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；如果主系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加或減少，但并未使其私有頻譜的空閑最小譜塊的數(shù)量NFK滿足NFk/NBk≤THBk1或者NFk/NBk≥THBk2，則保持主系統(tǒng)虛擬邊界VDk不變；(2)所述的首選租用系統(tǒng)每次分配或釋放頻譜塊后，動態(tài)調(diào)整首選租用邊界VPk當(dāng)首選租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加導(dǎo)致首選租用邊界VPk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NPFk減少時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NPFk與首選租用系統(tǒng)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)量NPk的比值即NPFk/NPk≤預(yù)設(shè)的首選系統(tǒng)低門限值THPk1，則增加首選租用邊界VPk，并更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使得首選租用系統(tǒng)的私有頻譜量增加；當(dāng)首選租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量減少導(dǎo)致首選租用邊界VPk內(nèi)私有頻譜的空閑最小頻譜塊數(shù)NPFk增加時，如果該空閑最小頻譜塊數(shù)量NPFk與首選租用系統(tǒng)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)量NPk的比值即NPFk/NPk≥預(yù)設(shè)的首選系統(tǒng)高門限值THPk2，則減少首選租用邊界VPk，若減少到首選租用系統(tǒng)私有頻譜總的最小頻譜塊數(shù)NPk與相應(yīng)主系統(tǒng)的總的最小頻譜塊數(shù)NK的比值即NPK/NK≤預(yù)設(shè)的首選系統(tǒng)門限值THPk，則釋放此首選租用系統(tǒng)，相應(yīng)主系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量重新選擇新的首選租用系統(tǒng)，同時更新其本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)；如果首選租用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增加或減少，但并未使其首選租用邊界內(nèi)的私有頻譜的空閑最小頻譜塊的數(shù)量NPFk滿足NPFk/NPk≤THPk1或者NPFk/NPk≥THPk2，則保持首選租用邊界VPk不變。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，其特征在于所述的多無線電系統(tǒng)最小頻譜塊Bm的確定方法為首先根據(jù)各個無線電系統(tǒng)(RAN)頻譜塊Bm1，Bm2，...BmK的寬度，和從保護(hù)頻帶矩陣BG(KxK)中得到的任意兩個RAN之間的保護(hù)頻帶寬度Bgij，其中i≠j且i，j∈[1，K]，取Bm1，Bm2，...BmK和Bgij的最大公約數(shù)，作為多無線電系統(tǒng)頻譜劃分的最小頻譜塊Bm＝gcd(Bm1，Bm2，...BmK，Bgij)。
6.如權(quán)利要求2或5所述的一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，其特征在于所述的搜索分配第k個主系統(tǒng)RANk(k∈[1，K])的主系統(tǒng)私有頻譜應(yīng)按其自身的頻譜塊Bmk為單位進(jìn)行，而非最小頻譜塊Bm，因此，主系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)庫按Bmk為單位進(jìn)行管理；同理，搜索分配其對應(yīng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜應(yīng)按首選租用系統(tǒng)自身的頻譜塊Bmpk為單位進(jìn)行，也非最小頻譜塊Bm，其本地數(shù)據(jù)庫按Bmpk為單位進(jìn)行管理；對于共享頻譜池，則按最小頻譜塊Bm進(jìn)行搜索和分配，公用共享頻譜數(shù)據(jù)庫相應(yīng)也按Bm為單位進(jìn)行管理。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，其特征在于調(diào)整主系統(tǒng)虛擬邊界VDk和首選租用邊界VPk按照一定步長進(jìn)行，對不同的無線電系統(tǒng)，該步長可能不同，并且對同一個無線電系統(tǒng)，該步長是可變的。
全文摘要
一種基于動態(tài)虛擬頻譜邊界的多無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜分配方法，它根據(jù)各個共享無線電系統(tǒng)當(dāng)前的業(yè)務(wù)量確定主系統(tǒng)和首選租用系統(tǒng)，并根據(jù)其業(yè)務(wù)量的變化動態(tài)地調(diào)整主系統(tǒng)虛擬邊界及首選租用邊界，從而動態(tài)設(shè)定主系統(tǒng)的私有頻譜、對應(yīng)的首選租用系統(tǒng)私有頻譜以及共享頻譜池的共享頻譜，主系統(tǒng)用戶的頻譜需求主要是在其私有頻譜內(nèi)集中滿足，對應(yīng)的首選租用系統(tǒng)，也優(yōu)先租用首選租用系統(tǒng)私有頻譜內(nèi)的頻譜塊，這些相同系統(tǒng)的私有頻譜塊之間均無需設(shè)置保護(hù)頻帶，從而盡可能地減少所使用的保護(hù)頻帶，明顯提高了頻譜利用率。而共享頻譜池內(nèi)的空閑頻譜可以出租給任何租用系統(tǒng)使用，并不局限于頻譜相鄰的系統(tǒng)，所有主系統(tǒng)的頻譜可以得到公平、有效地利用。
文檔編號H04W16/10GK1917690SQ20061002142
公開日2007年2月21日 申請日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者葛迪, 范平志, 文展 申請人:西南交通大學(xué)