基于认知无线电技术的KU卫星频谱动态分配策略研究-张鹏

基于认知无线电技术的KU卫星频谱动态分配策略研究

Research on dynamic allocation strategy of KU satellite spectrum based on cognitive radio technology

西北空管局网络中心通信网络室张鹏

引言

作为两地一空的空侧保障，卫星通信因其通信距离远，覆盖范围大，不受地形及陆地灾害影响等优点成为了空管系统安全保障中不可缺少的一环。KU波段VSAT卫星通信系统接收天线效率高，天线口径小，有效的降低接收成本，而且不易受微波辐射干扰，大大降低了对接收环境的影响。目前，KU波段卫星通信系统已经成为空管卫星通信系统中最重要的部分。然而，卫星转发器资源的管理基本上采用静态分配的方式，即转发器上的频谱资源往往是根据系统任务需求预先配置好。随着航班量的日益增加，扇区划分越来越多，传输的语音及数据容量日益增大，导致分配的频谱资源越来越紧缺。针对KU波段卫星频谱资源不足的问题，结合通信领域中最前沿的认知无线电技术，笔者提出一种基于认知无线电技术的KU卫星频谱动态分配策略，通过动态分配频率资源，大幅度提高频谱资源的使用效率，同时提高卫星系统的抗干扰能力。

一、认知无线电技术概述

认知无线电技术最早由Joseph Mitolo博士在上世纪九十年代末提出。认知无线电最核心的思想是其具有学习能力，能和周围环境进行信息交互，感知并利用在空间内的可用频谱，限制和降低冲突的发生。认知无线电技术将人工智能和机器学习的思想引入，智能化地对各种资源综合利用，所以认知无线电又被称为智能无线电。它的特点是灵活、智能、可重配置，通过对外界环境的感知，有目的地实时改变某些操作参数，比如传输功率、载波频率和调制技术等，使其对接收到的无线信号的统计学习和适应，从而实现不限制时间和地点的高可靠通信以及对有限的无线频谱资源高效利用。

二、基于认知无线电技术的KU卫星频谱动态分配策略研究

（一）KU卫星引入认知无线电技术的必要性

KU波段上行下行链路分别为11/14GHz，带宽为500M，覆盖范围包括7大空管局、分区管制中心及各机场管制中心。作为空侧保障，涵盖了甚高频语音、同步雷达等重要业务。在建设初期，对每个台站的卫星频谱都进行了静态分配带宽容量，且对卫星所传输的语音信号进行压缩。随着扇区的划分越来越细，对数据及语音的容量需求越来越大，导致卫星频率带宽资源越来越紧缺，很可能出现通信的瓶颈。仅拿本地区一个台站举例，在近两年内甚高频通信链路数量增长接近三倍。在卫星的调试过程中发现，卫星信号的传输质量和带宽分配及占用情况紧密相关，在带宽资源宽松的情况下，卫星信号传输质量较好，在带宽资源占用紧张的情况下，卫星信号传输质量极差。对于静态分配带宽的卫星通信而言，带宽资源占用日益紧张，然而作为应急系统，其频谱利用率却极低；同时，目前在轨的通信卫星多数仍是卫星透明转发器，由于各类通信中继卫星处于开放的空间，会面临各种有意或者无意的干扰影响，使部分卫星信道无法正常通信，当终端用户在受到干扰的信道上通信时，信号质量将明显下降，如果控制信道受到干扰，受影响的用户将更多。认知无线电技术不仅可以提高KU卫星频谱资源的使用效率，还能根据优先级判断选择合适的信道，进而提高系统的抗干扰能力，能够有效的解决KU卫星存在的问题，因此，本文主要工作就是结合认知无线电技术的优势，提出一种基于认知无线电技术的KU卫星频谱动态分配策略。（二）基于认知无线电技术的KU卫星频谱动态分配方案设计

本文提出的方案主要由两部分组成：KU卫星频谱检测系统模型和KU卫星频谱动态分配算法分析。

1.KU卫星频谱检测系统模型

为了确保卫星频谱检测系统的可靠性和时效性，方案设计利用多台频谱检测设备进行组网，该模型分为一台主控站设备和分布在各地的若干监控设备组成，如图1所示。

监控单元

图1 KU卫星频谱检测系统模型

每台监控设备对指定监控的频段进行检测，检测方法为最常用的频谱感知技术，通过监控和检测，自动识别监视频段内的载波频谱参数，包括中心频率、带宽、信噪比等性能指标；识别监视频段内信号的占用情况；识别其中的干扰和告警；同时将收到的所有信息发送至主控站设备，并从主控站设备接收控制信息。

主控站设备有两种功能：一是接收到从各地监控设备发来的有效信息后，进行信息汇总，然后将频谱归类并标记，分为频谱空穴、在用频谱和干扰频谱，其中不同频谱通过功率、时间和频率定义，如图2所示。二是对频谱信息进行处理，通过频谱动态分配算法进行频谱的动态选择分配，并形成控制信息反馈回监控设备。

图2 KU卫星频谱分析示例图

2.KU 卫星频谱动态分配方案分析

频谱动态分配机制有很多种。按频谱获得的方式由竞争模式、拍卖模式等，按时间分有长时模式和实时模式等。在本文提出的KU 卫星频谱动态分配算法中，采用了频谱池的思想，通过标签机制设定优先级，利用非合作博弈理论进行算法设计。德国卡尔斯鲁厄大学的F.K.Jondral 教授在2004年最早提出了频谱池的想法，本文利用频谱池的思想，将所有KU 卫星节点的频谱合并成为统一的频谱池，并将频谱池化分为以信道为单位的频谱，其中频谱又划分为控制信道频谱与数据信道频谱，控制信道因重要程度高分配和节点数相等或更多的信道资源，其余资源则全部分配给数据信道。通过这种设定，频谱资源不再是静态的单独分配给某个节点。

对于申请频谱使用的用户，本文设计一种优先级排队机制，对不同性质的用户设定不同的优先级。通过对信号的强弱、覆盖范围，以及主备应急等情况对用户进行分析并综合考虑，来设定用户优先级。对于授权用户，设定最高级优先级，非授权用户设置一般优先级，而次要用户设置最低优先级。对于授权用户，设定其使用的频谱与其他用户不重叠，一旦它有传输任务，则立即进行传输，保证对授权用户的影响最小；对于普通用户和次要用户之间，普通用户因其优先级高于次要用户，可以占用次要用户的频谱，要求次要用户释放其频谱；对于优先级别相同的用户，在占用频谱的时候采用先到先得服务模式进行选择。

3. 算法描述

网络中共有 {}n ...3,2,1N = 对认知用户i ，每对节点具有两个接口，一个是控制信道接口，负责与主控站交互控制信息；另一个是通信数据信道接口。控制信道工作频率固定，数据信道工作频率根据算法执行结果动态调整。在该区域内，认知用户的可用信道数根据频谱资源动态变化，具体算法如下：

Step1：需要进行通信的用户根据自身业务需求向主控站发出申请，其中在t 时刻，用户i 的队列优先级为：

()()）（1

i i i i 1o w exp t ---=i i T T t μη 其中，()1-t o i 是用户在上一轮队列中的排序，i T 是用户i 承载业务的传输时