一种频谱共享情形下的频谱切换方法及系统与流程

本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种频谱共享情形下的频谱切换方法及系统。

背景技术：

当前的无线频谱资源十分紧张，尤其是在230MHz附近的低频段，允许接入使用的部委有很多，涉及到多个不同的行业，包括有地质矿产部、能源部、水利部、轻工业部、国家地震局、建设部、国家气象局、军队和电网部门。传统的固定分配专网频率的管理方式具有排他性，容易造成行业专网无线频谱的利用率相对较低，频谱资源未得到充分利用，存在一定程度的浪费。

频谱共享可以打破频谱的排他性占用，开放出更多的可用频谱资源，成为一种极具潜力的提升无线频谱利用率的方案。仅仅依靠频谱感知进行系统间共享，容易带来频谱资源可用性的误判，引起系统间冲突，而结合了认知数据库和频谱感知的频谱共享方法，能够在频谱感知前通过认知数据库获取一定的先验信息，然后辅以频谱感知来判决当前可用的空闲频谱资源，来实现可靠高效的频谱共享。

多个系统共享空闲的频段时，就不可避免地会遇到频谱切换的情况，甚至可能是频繁的频谱切换情况。在切换执行过程中由于频谱选择、节点处理等一系列原因，会产生一定的切换延迟，若切换延迟过大，不光降低认知用户自身的服务质量，也会对具有频谱优先使用权的授权用户产生干扰。

现有认知网络中优化切换过程采用预留信道或备用信道机制，在频谱分配时预留出一定数量的信道作为切换专用，这样可以降低切换掉话率。考虑到在认知网络中可用频谱的个数是可变的，这里的预留是指的动态性预留，即周期性的监测出一定数量的可用信道作为切换专用。现有预留切换专用信道的方案，会降低频谱利用率，并且只考虑了频谱选择对认知用户服务质量的影响，没有考虑切换延迟对授权用户的影响。

技术实现要素：

本申请提供了一种频谱共享情形下的频谱切换方法，在不降低频率利用率的前提下，可以降低整体切换时延，并且降低对授权用户的影响。

本申请实施例提供了一种频谱共享情形下的频谱切换方法，包括：

A、认知数据库判定频谱资源的使用状态发生变化，并启动频谱迁出定时器；

B、认知数据库根据维护的各感知系统信息和频谱占用信息，以及发生变化的感知系统频谱使用情况，以兼顾公平性和最大化频谱利用效率的原则，寻找适宜用于切换的频谱资源作为预分配的频谱资源；

C、认知数据库找到适宜用于切换的频谱资源，向感知系统发送频谱切换资源预分配消息，通知感知系统预分配的频谱资源；

D、感知系统对预分配的频谱资源进行频谱感知，感知系统进行感知决策；

E、感知系统判断预分配的资源能够满足本系统的要求，向认知数据库反馈频谱切换资源预分配成功消息；

F、在频谱迁出定时器没有超出预设时间的情况下，认知数据库通知感知系统执行频谱切换以及完成切换的最长时间，并关闭频谱迁出定时器。

较佳地，步骤B所述寻找适宜用于切换的频谱资源作为预分配的频谱资源的结果为未找到适宜用于切换的频谱资源，则转至执行如下步骤：

频谱迁出定时器超出预设时间，认知数据库判定频谱切换失败；

认知数据库通知感知系统释放频谱，并关闭频谱迁出定时器。

较佳地，步骤D所述感知系统进行感知决策的结果为预分配的资源不能满足本系统的要求，则转至执行如下步骤：

G、感知系统向认知数据库反馈频谱切换资源预分配失败消息；

H、判断频谱迁出计时器是否超时，若是执行步骤I，否则返回步骤B；

I、认知数据库判定频谱切换失败，认知数据库通知感知系统释放频谱，并关闭频谱迁出定时器。

较佳地，步骤A所述判定频谱资源的使用状态发生变化的依据为授权系统或高优先级感知系统到达、或干扰增强。

较佳地，感知系统进行感知决策的依据为频谱感知结果、信道质量测量结果和/或频谱需求。

本申请实施例还提供了一种频谱共享情形下的频谱切换系统，该频谱切换系统包括认知数据库和感知系统，

认知数据库包括：

判断模块，用于判断频谱资源的使用状态是否发生变化，若是，向定时器维护模块发送启动指示，并通知搜索模块搜索预分配的频谱资源；以及判断在频谱迁出定时器超出预设时间之前，是否收到来自感知系统的频谱切换资源预分配成功消息，若是，向通知模块发送频谱切换指示，并向定时器维护模块发送停止指示；

搜索模块，用于在接收到搜索预分配的频谱资源的通知后，根据维护的各感知系统信息和频谱占用信息，以及发生变化的感知系统频谱使用情况，以兼顾公平性和最大化频谱利用效率的原则，搜索适宜用于切换的频谱资源作为预分配的频谱资源，并将搜索到的预分配的频谱资源发送至通知模块；

通知模块，用于在搜索模块找到适宜用于切换的频谱资源后，向感知系统发送频谱切换资源预分配消息，通知感知系统预分配的频谱资源；以及在收到判断模块的频谱切换指示后，通知感知系统执行频谱切换以及完成切换的最长时间；

定时器维护模块，用于在收到启动指示后，启动频谱迁出定时器；以及在收到停止指示后，关闭频谱迁出定时器；

所述感知系统包括：

接收模块，用于接收来自认知数据库的频谱切换资源预分配消息；

频谱感知模块，用于对接收模块所接收的频谱切换资源预分配消息中携带的预分配的频谱资源进行频谱感知；

感知决策模块，用于对所述预分配的频偏资源进行感知决策，判断预分配的资源是否能够满足本系统的要求，将判断结果发送至反馈模块；

反馈模块，用于在收到的判断结果为是，向认知数据库反馈频谱切换资源预分配成功消息；

执行模块，用于在收到来自认知数据库的执行频谱切换的通知后，执行频谱切换。

较佳地，认知数据库的判断模块判断频谱迁出定时器超出预设时间，仍未收到来自感知系统的频谱切换资源预分配成功消息，则向通知模块发送频谱切换失败指示，并向定时器维护模发送停止指示；

认知数据库的通知模块在收到判断模块的频谱切换失败指示后，通知感知系统释放频谱；

所述感知系统的执行模块在收到来自认知数据库的频谱切换失败指示后，释放所述预分配的频谱资源。

较佳地，所述感知系统的反馈模块进一步用于在收到的判断结果为否，向认知数据库反馈频谱切换资源预分配失败消息；

认知数据库的判断模块进一步用于在频谱迁出定时器未超出预设时间之前，收到来自感知系统的频谱切换资源预分配失败消息后，通知搜索模块搜索预分配的频谱资源。

较佳地，所述认知数据库的判断模块判断频谱资源的使用状态发生变化的依据为授权系统或高优先级感知系统到达、或干扰增强。

较佳地，感知系统的感知决策模块进行感知决策的依据为频谱感知结果、信道质 量测量结果和/或频谱需求。

从以上技术方案可以看出，在感知系统使用的频谱资源发生变化时，在一定的时间范围内执行频谱切换，降低感知系统的中断概率。通过认知数据库预分配切换的目标频谱，然后辅以频谱感知来判决当前可用的目标频谱，降低整体切换时延。通过设置频谱迁出定时器时长，在定时器超时后切换失败则释放频谱资源，降低对授权用户的影响。

附图说明

图1为本申请实施例中的允许时间内预分配资源一次成功的频谱切换流程示意图；

图2为本申请实施例中的允许时间内经历预分配资源失败并最终成功的频偏切换流程示意图；

图3为本申请实施例中的允许时间内没有预分配切换资源导致切换失败的频谱切换流程示意图；

图4为本申请实施例中的允许时间内多次发生预分配切换资源失败导致最终切换失败的频谱切换流程示意图。

具体实施方式

为使本申请技术方案的技术原理、特点以及技术效果更加清楚，以下实施例中，分别通过频谱切换成功流程和频谱切换失败流程两个具体示例，对本申请提出的频谱共享机制中的频谱切换方法进行详细阐述。

频谱切换成功的定义如下：在规定时间内，认知数据库预分配用于切换的频谱资源并通知感知系统，收到感知系统反馈的成功消息后，通知感知系统执行切换。规定时间定义为预设的频谱迁出定时器时长，取值范围为[1秒，255秒]，可以根据多系统共享的实际情况以及频谱状态变化的原因设置不同时长。如果是授权系统到达需要释放频谱，根据频谱管理部门或标准组织规定，如美国联邦通讯委员会(FCC，Federal Communications Commission)规定的频谱释放时间不超过2s，频谱迁出定时器时长为2s；如果是高优先级感知系统到达需要释放频谱，可以根据高优先级感知系统业务特性来设置；如果是干扰增强需要释放频谱，根据不同系统受到的干扰结合不同系统业务特性进行设置。对于频谱切换成功，根据频谱切换过程中预分配发生的次数分为两种情况：第一种是预分配发生一次就成功，如图1所示；第二种是预分配经过多次失败并最终成功，如图2所示。

图1为本申请实施例中的允许时间内预分配资源一次成功的频谱切换流程，包括如下步骤：

步骤101：认知数据库判定频谱资源的使用状态发生变化，并启动频谱迁出定时器。判定的依据包括但不限于授权系统或高优先级感知系统到达、干扰增强等。干扰增强，可以是认知数据库检测出所分配频谱上的带外发射功率和/或杂散发射功率高于频谱管理部门规定的无用发射技术指标判决出对其他系统的干扰增强，和/或感知系统根据频谱感知测量或信道质量测量判决出自身系统受到的干扰增强，上报所分配频谱不可用。

步骤102：认知数据库根据维护的各感知系统信息和频谱占用信息，以及发生变化的感知系统频谱使用情况，以兼顾公平性和最大化频谱利用效率的原则，找出适宜用于切换的频谱资源作为预分配的频谱资源。

步骤103：认知数据库向感知系统发送频谱切换资源预分配消息，通知感知系统预分配的频谱资源。

步骤104：感知系统对预分配的频谱资源进行频谱感知。

步骤105：感知系统进行感知决策，判断预分配的资源是否能够满足本系统的要求。决策的依据包括但不限于频谱感知结果、信道质量测量结果和/或频谱需求等。例如，频谱感知结果为信道被占用，和/或信道质量测量结果为信道不可用，和/或频谱需求不满足，满足以上任一种情况，均为预分配的资源不能够满足本系统的要求。

步骤106：感知系统判断结果为预分配的资源能够满足本系统的要求，向认知数据库反馈频谱切换资源预分配成功消息。

步骤107：在频谱迁出定时器没有超出预设时间的情况下，认知数据库根据反馈结果，通知感知系统执行频谱切换以及完成切换的最长时间，并关闭频谱迁出定时器。

图2所示为本申请实施例中的允许时间内经历预分配资源失败并最终成功的频偏切换流程，包括如下步骤：

步骤201：认知数据库判定频谱资源的使用状态发生变化，并启动频谱迁出定时器。判定的依据包括但不限于授权系统或高优先级感知系统到达、干扰增强等。

步骤202：认知数据库根据维护的各感知系统信息和频谱占用信息，以及发生变化的感知系统频谱使用情况，以兼顾公平性和最大化频谱利用效率的原则，找出适宜用于切换的频谱资源作为预分配的频谱资源。

步骤203：认知数据库向感知系统发送频谱切换资源预分配消息，通知感知系统预分配的频谱资源。

步骤204：感知系统对预分配的频谱资源进行频谱感知。

步骤205：感知系统进行感知决策，判断预分配的资源是否能够满足本系统的要求。决策的依据包括但不限于频谱感知结果、信道质量测量结果、频谱需求等。

步骤206：感知系统判断结果为预分配的资源不能满足本系统的要求，向认知数据库反馈频谱切换资源预分配失败消息。

步骤207：重复步骤202至206，根据频谱迁出定时器计时情况、认知数据库查找 切换频谱资源的情况、感知系统反馈的频谱切换资源预分配失败情况，可能需要重复1次或多次。

步骤208：认知数据库根据维护的各感知系统信息和频谱占用信息，以及发生变化的感知系统频谱使用情况，以兼顾公平性和最大化频谱利用效率的原则，找出适宜用于切换的频谱资源作为预分配的频谱资源。

步骤209：认知数据库向感知系统发送频谱切换资源预分配消息，通知感知系统预分配的频谱资源。

步骤210：感知系统对预分配的频谱资源进行频谱感知。

步骤211：感知系统进行感知决策，判断预分配的资源是否能够满足本系统的要求。决策的依据包括但不限于频谱感知结果、信道质量测量结果、频谱需求等。

步骤212：感知系统判断结果为预分配的资源能够满足本系统的要求，向认知数据库反馈频谱切换资源预分配成功消息。

步骤213：在频谱迁出定时器没有超出预设时间的情况下，认知数据库根据反馈结果，通知感知系统执行频谱切换以及完成切换的最长时间，并关闭频谱迁出定时器。

频谱切换失败的定义如下：在预设的频谱迁出定时器时长内，认知数据库找不出用于切换的频谱资源，或者预分配用于切换的频谱资源后没有收到感知系统反馈的成功消息，无法执行切换并通知感知系统释放当前使用资源。

对于频谱切换失败，根据频谱切换过程中预分配发生的次数同样可以分为两种情况：第一种是，没有发生预分配，直到频谱迁出定时器超出预设时长而释放感知系统当前使用资源，如图3所示；第二种是多次预分配失败，直到频谱迁出定时器超出预设时长而释放感知系统当前使用资源，如图4所示。

图3所示为本申请实施例中的允许时间内没有预分配切换资源导致切换失败的频谱切换流程，包括如下步骤：

步骤301：认知数据库判定频谱资源的使用状态发生变化，并启动频谱迁出定时器。判定的依据包括但不限于授权系统或高优先级感知系统到达、干扰增强等。

步骤302：认知数据库根据维护的各感知系统信息和频谱占用信息，以及发生变化的感知系统频谱使用情况，以兼顾公平性和最大化频谱利用效率的原则，找不出用于切换的频谱资源。

步骤303：认知数据库找不出用于切换的频谱资源，频谱迁出定时器超出预设时间，判定频谱切换失败。

步骤304：认知数据库通知感知系统释放频谱，并关闭频谱迁出定时器。

图4所示为本申请实施例中的允许时间内多次发生预分配切换资源失败导致最终切换失败的频谱切换流程，包括如下步骤：

步骤401：认知数据库判定频谱资源的使用状态发生变化，并启动频谱迁出定时器。判定的依据包括但不限于授权系统或高优先级感知系统到达、干扰增强等。

步骤402：认知数据库根据维护的各感知系统信息和频谱占用信息，以及发生变化的感知系统频谱使用情况，以兼顾公平性和最大化频谱利用效率的原则，找出用于切换的频谱资源。

步骤403：认知数据库向感知系统发送频谱切换资源预分配消息，通知感知系统将要切换的频谱资源。

步骤404：感知系统对预分配的频谱资源进行频谱感知。

步骤405：感知系统进行感知决策，判断预分配的资源是否能够满足本系统的要求。决策的依据包括但不限于频谱感知结果、信道质量测量结果、频谱需求等。

步骤406：感知系统向认知数据库反馈频谱切换资源预分配失败消息。

步骤407：重复步骤402至406，根据频谱迁出定时器计时情况、认知数据库查找切换频谱资源的情况、感知系统反馈的频谱切换资源预分配失败情况，可能需要重复1次或多次。

步骤408：认知数据库找不出符合条件的切换频谱资源，频谱迁出定时器超出预设时间，判定频谱切换失败。

步骤409：认知数据库通知感知系统释放频谱，并关闭频谱迁出定时器。

本申请另一实施例还提供了一种频谱共享情形下的频谱切换系统，该频谱切换系统包括认知数据库和感知系统，

认知数据库包括：

判断模块，用于判断频谱资源的使用状态是否发生变化，若是，向定时器维护模块发送启动指示，并通知搜索模块搜索预分配的频谱资源；以及判断在频谱迁出定时器超出预设时间之前，是否收到来自感知系统的频谱切换资源预分配成功消息，若是，向通知模块发送频谱切换指示，并向定时器维护模块发送停止指示；

搜索模块，用于在接收到搜索预分配的频谱资源的通知后，根据维护的各感知系统信息和频谱占用信息，以及发生变化的感知系统频谱使用情况，以兼顾公平性和最大化频谱利用效率的原则，搜索适宜用于切换的频谱资源作为预分配的频谱资源，并将搜索到的预分配的频谱资源发送至通知模块；

通知模块，用于在搜索模块找到适宜用于切换的频谱资源后，向感知系统发送频谱切换资源预分配消息，通知感知系统预分配的频谱资源；以及在收到判断模块的频谱切换指示后，通知感知系统执行频谱切换以及完成切换的最长时间；

定时器维护模块，用于在收到启动指示后，启动频谱迁出定时器；以及在收到停止指示后，关闭频谱迁出定时器；

所述感知系统包括：

接收模块，用于接收来自认知数据库的频谱切换资源预分配消息；

频谱感知模块，用于对接收模块所接收的频谱切换资源预分配消息中携带的预分配的频谱资源进行频谱感知；

感知决策模块，用于对所述预分配的频偏资源进行感知决策，判断预分配的资源是否能够满足本系统的要求，将判断结果发送至反馈模块；

反馈模块，用于在收到的判断结果为是，向认知数据库反馈频谱切换资源预分配成功消息；

执行模块，用于在收到来自认知数据库的执行频谱切换的通知后，执行频谱切换。

根据本申请的另一实施例，认知数据库的判断模块判断频谱迁出定时器超出预设时间，仍未收到来自感知系统的频谱切换资源预分配成功消息，则向通知模块发送频谱切换失败指示，并向定时器维护模发送停止指示；

认知数据库的通知模块在收到判断模块的频谱切换失败指示后，通知感知系统释放频谱；

所述感知系统的执行模块在收到来自认知数据库的频谱切换失败指示后，释放所述预分配的频谱资源。

根据本申请的另一实施例，所述感知系统的反馈模块进一步用于在收到的判断结果为否，向认知数据库反馈频谱切换资源预分配失败消息；

认知数据库的判断模块进一步用于在频谱迁出定时器未超出预设时间之前，收到来自感知系统的频谱切换资源预分配失败消息后，通知搜索模块搜索预分配的频谱资源。

较佳地，所述认知数据库的判断模块判断频谱资源的使用状态发生变化的依据为授权系统或高优先级感知系统到达、或干扰增强。

较佳地，感知系统的感知决策模块进行感知决策的依据为频谱感知结果、信道质量测量结果和/或频谱需求。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请的保护范围，凡在本申请技术方案的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。