频谱管理系统、空白频谱感知方法及空白频谱分配方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，更具体的是涉及频谱管理系统、空白频谱感知方法及空白频谱分配方法。

背景技术：

无线电频谱是一种宝贵且有限的资源，随着无线应用的增加，无线世界中的电波越来越拥挤，频谱管理成为热点问题。目前世界各国大多采用的是基于频带固定分配原则与方案，由国家统一分配和授权使用，将授权频段分配给专门的用户使用，且这些用户独占该频段，拒绝其他未授权的用户在这些区域使用授权的频谱资源，不同的用户使用不同的频段，互不干扰。因此，随着无线业务种类的日益增长，可分配的频率资源越来越少，频率资源匮乏的问题日益严重，频率资源的稀缺性成为阻碍无线通信发展的瓶颈。

通过监测分析系统所在区域无线频谱的使用状况之后发现，获得许可的用户，并非全部都是全天候占用许可频段，一些频带部分时间内并没有用户使用，各种业务在利用频谱资源时，存在浪费的现象。认知无线电技术提供了动态使用频谱的思路，在不影响授权用户正常通信的情况下，无线通信设备之间组成无线网络，利用授权频段进行通信，可以大大提高频谱的利用率。

授权公告号为cn102232307b的中国发明专利公开了一种动态频谱分配方法、中心控制单元、基站及频谱分配系统，其中频谱分配系统包括中心控制单元和基站，中心控制单元根据基站的频谱资源请求为其分配频段，基站使用该频段进行通信，该专利的频谱分配方案采用集中式分配，当基站申请频谱资源时，中心控制单元从空闲的非授权频段中找出满足需求的频段，并分配给基站使用。

但该专利存在以下缺点：

1、频谱分配系统没有动态获取系统所在区域实时频谱占用情况，当本系统外的其他未知基站使用本系统认为的空白非授权频段进行通信时，本系统无法识别，可能导致中心控制单元为基站分配的频段通信质量较差；

2、频谱分配系统只有中心控制单元和基站，系统分配给基站的频段只考虑了基站的覆盖情况，未能考虑每个通信终端的实际通信质量，在通信终端位置不可变且需保证与基站建立通信的应用场景下，这种方案无法保证分配的频段一定能使基站与终端正常通信。

授权公告号为cn103369535b的中国发明专利公开了一种频谱分配方法、装置和系统，该专利的系统由代理服务器、接入设备、终端设备和数据库组成，其中数据库存储频谱信息，代理服务器通过频谱分配策略为接入设备分配频谱资源，接入设备将分配的频谱资源发送给终端设备用于通信。

但该专利存在以下缺点：

1、使用代理服务器作为区域频谱分配的控制中心，接入设备与代理服务器连接申请频谱分配，并由代理服务器完成频谱分配，然而在需要频谱分配控制中心任意移动的应用场景中，当前系统的设计无法实现；

2、该专利的系统同样无法动态感知实时频谱使用情况，无法保证通信终端的正常通信。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了解决现有的频谱分配系统无法动态感知实时频谱使用情况，导致通信终端的通信得不到保障的问题，本发明提供一种频谱管理系统、空白频谱感知方法及空白频谱分配方法，能够在广播电视频谱中找出空白频段，并利用该频段进行自适应组网通信。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

频谱管理系统，包括：

频谱采集设备：用于采集其所在区域的广播电视频谱的频谱信息；

转发服务器：系统数据传输的枢纽，收集频谱采集设备采集的频谱信息，并将频谱信息发送给频谱管理服务器；作为频谱采集设备、可变频通信设备和频谱管理服务器之间相互通信的媒介；

频谱管理服务器：系统的信息处理中心，实现系统各设备工作状态的监控，同时根据频谱信息和电磁频谱算法计算系统所在区域广播电视频谱中的空白频段，并通过空白频谱分配方法为可变频通信设备分配可用空白频段；

数据库：用于记录所采集和计算的系统所在区域的频谱信息、广播电视基站信息和地形数据；

可变频通信设备：通过频谱管理服务器分配的可用频段进行相互通信；

频谱采集设备、可变频通信设备和频谱管理服务器通过gprs网络与转发服务器通信。

进一步的，所述频谱采集设备包括以主机-从机模式进行工作的gprs通信模块a和数据采集模块，其中gprs通信模块a是主机，数据采集模块是从机；

gprs通信模块a通过gprs网络连接转发服务器，通过转发服务器接收频谱管理服务器的工作参数设置命令，周期性将工作参数发送给数据采集模块，等待并接收数据采集模块的采集结果，将采集结果通过转发服务器上传到频谱管理服务器，并定时向转发服务器发送心跳包维持长连接；

数据采集模块连接gprs通信模块a，通过gprs通信模块a接收工作参数进行数据采集，采集完成后通过中断通知gprs通信模块a采集结束。

进一步的，所述可变频通信设备包括可变频通信基站和可变频通信终端，其中可变频通信终端只能与可变频通信基站建立连接，可变频通信终端之间通过共同连接的可变频通信基站进行通信，可变频通信基站与多个可变频通信终端组成局域网；

每个可变频通信设备均包括以主机-从机模式工作的gprs通信模块b、可变频通信模块和gps模块，gprs通信模块b是主机，可变频通信模块和gps模块是从机；

gprs通信模块b连接转发服务器，通过转发服务器连接频谱管理服务器，向频谱管理服务器申请可用频段，收到频谱管理服务器分配的可用频段后将该参数发给可变频通信模块，并定时查询可变频通信模块的通信信噪比，将通信信噪比发送给频谱管理服务器；

可变频通信模块接收gprs通信模块b发送的可用频段参数进行通信，并响应gprs通信模块b的查询命令，将当前通信信噪比发送给gprs通信模块b；

gps模块用于获取可变频通信设备的当前位置信息。

进一步的，所述转发服务器用于连接各个设备和频谱管理服务器，对收到的命令数据进行解析，获取命令的目标设备，并将该命令发送给相应的目标设备，转发服务器包括连接状态监控模块、数据发送模块、书记解析模块和数据接收模块，监控模块用于监控各设备及频谱管理服务器的连接状态；数据发送模块用于命令转发；数据解析模块按照预定通信协议解析命令，获取数据的目标设备地址；数据接收模块用于接收各设备及频谱管理服务器发过来的命令。

进一步的，所述频谱管理服务器是系统数据处理中心，对各个设备工作状态进行监控管理；通过频谱采集设备上传的实时频谱数据和电磁频谱算法计算出系统所在区域可用频段；当可变频通信模块通信信噪比过低或申请分配频段时，通过频谱分配算法为其分配可用空白频段。

空白频谱感知方法，是在广播电视频段中找到可用的空白频段，包括如下步骤：

s1：频谱管理服务器利用电磁频谱算法根据已有的广播电视基站信息和地形数据计算系统所在区域频谱分布；

s2：频谱管理服务器接收各频谱采集设备采集的对应位置的频谱信息，对频谱信息和系统所在区域频谱分布进行数据融合，对所有频段进行分类，得到系统所在区域可用频谱信息。

进一步的，所述s1中广播电视基站信息包括广播电视频段的授权用户的位置、发射频段、使用带宽和发射功率，利用电磁频谱算法计算每个授权用户所用频段以及该频段在当前区域中的信号强度，根据信号强度判断该频段在系统所在区域是否可以被频谱管理系统使用。

进一步的，所述s2中分类后的频段包括以下5种类型：

a类频段：未被授权用户占用且未被其他非授权用户占用的空白频段；

b类频段：未被授权用户占用而被其他非授权用户占用的空白频段；

c类频段：已被授权用户占用但系统所在区域在授权用户发射台覆盖范围之外、未被其他非授权用户占用的频段；

d类频段：已被授权用户占用但系统所在区域在授权用户发射台覆盖范围之外、被其他非授权用户占用的频段；

e类频段：已被授权用户占用且系统所在区域在授权用户发射台覆盖范围之内的频段；

其中，a类频段可以被频谱管理系统直接使用，c类频段在限制功率的情况下可以被频谱管理系统使用，b类频段、d类频段和e类频段则不能被频谱管理系统使用；

对频段进行分类包括如下步骤：

步骤1：判断该频段是否被授权用户发射台占用，若未被占用，则执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2：判断频谱采集设备上传的数据中该频段对应的数据是否存在高于可用门限的值，若存在，则该频段为b类频段，否则为a类频段；

步骤3：频谱管理服务器通过电磁频谱算法计算该频段在系统所在区域的信号强度，若信号强度高于可用门限值，则该频段为e类频段，否则执行步骤4；

步骤4：判断频谱采集设备上传的数据中该频段对应的数据是否存在高于可用门限的值，若存在，则该频段为d类频段，否则为c类频段。

空白频谱分配方法，用于为系统所在区域的可变频通信设备分配可用频段，使可变频通信基站和可变频通信终端建立通信，组成局域网，且可变频通信终端与可变频通信基站分布的拓扑结构为星型结构，可变频通信基站为星型结构的中心；根据可变频通信基站的数量，将系统所在区域的可变频通信设备的分布分为以下两种情况：一种是单个可变频通信基站-多个可变频通信终端，简称单基站-多终端；另一种是多个可变频通信基站-多个可变频通信终端，简称多基站-多终端；

单基站-多终端的空白频谱分配方法为：可变频通信基站和可变频通信终端采用同一频段进行通信，频谱管理服务器接收频谱分配申请，从空白频段表中选择合适功率的可用频段，判断可变频通信设备使用该频段通信是否影响授权用户，若不影响，则将该频段分配给可变频通信设备，否则，重新选择可用频段；

多基站-多终端的空白频谱分配方法，由多个单基站-多终端的情况构成，每个可变频通信基站及与其对应的可变频通信终端使用同一频段通信，不同可变频通信基站在互不干扰的情况下才可使用相同频段；频谱管理服务器接收频谱分配申请后，判断空白频段表中的频段数是否大于申请的通信基站数，若是，则为每个可变频通信基站选择可用的空白频段，按照单基站-多终端的空白频谱分配方法进行频段分配，否则结束分配。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提出的频谱管理系统可动态感知频谱信息，能够确保频谱分配时依据的频谱信息是实时的，从而选出对授权用户干扰小且受其他非授权用户干扰小的空白频段，提高频谱利用率，确保通信质量。

2、本发明的频谱管理系统将通信的基站和终端全部纳入监控范围，能实时获取所有通信设备的通信状态，可在其通信不佳时为其重新分频频段。

3、本发明的系统引入转发服务器作为所有设备连接的中枢，通过通信数据的转发将频谱管理服务器(控制中心)分离出来，使频谱管理服务器实现可移动。

4、本发明的空白频谱感知方法结合了电磁频谱算法的计算结果和频谱采集设备获取的实测数据，可动态实现空白频段的感知。

5、本发明的空白频谱分配方法根据系统所在区域的基站和终端数量的不同提出了不同的频谱分配方法，适用范围广。

附图说明

图1是本发明频谱管理系统的结构示意图。

图2是频谱采集设备与转发服务器的通信示意图。

图3是gprs通信模块a的工作流程示意图。

图4是数据采集模块的工作流程示意图。

图5是可变频通信设备的结构示意图。

图6是可变频通信设备与转发服务器的通信示意图。

图7是gprs通信模块b的工作流程示意图。

图8是可变频通信模块的工作流程示意图。

图9是转发服务器的工作流程示意图。

图10是频谱管理服务器的工作流程示意图。

图11是空白频谱感知方法的流程图。

图12是单基站-多终端的示意图。

图13是多基站-多终端的示意图。

图14是单基站-多终端的空白频谱分配方法流程图。

图15是多基站-多终端的空白频谱分配方法流程图。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种频谱管理系统，包括：

多个频谱采集设备：用于采集其所在区域的广播电视频谱的频谱信息；

转发服务器：是系统数据传输的枢纽，用于收集频谱采集设备采集的频谱信息，并将频谱信息发送给频谱管理服务器；作为频谱采集设备、可变频通信设备和频谱管理服务器之间相互通信的媒介；

频谱管理服务器：用于根据频谱信息和电磁频谱算法识别出系统所在区域可用空白频谱，并通过空白频谱分配方法为可变频通信设备分配可用频段；

数据库：用于记录所采集和计算的系统所在区域的频谱信息、广播电视基站信息和地形数据；

多个可变频通信设备：通过频谱管理服务器分配的可用频段进行相互通信，具体的是利用频谱管理服务器下发的频率和功率等通信参数进行无线通信；

多个频谱采集设备、多个可变频通信设备和频谱管理服务器通过gprs网络与转发服务器通信。

如图2所示，所述频谱采集设备包括以主机-从机模式进行工作的gprs通信模块a和数据采集模块，其中gprs通信模块a是主机，数据采集模块是从机；

如图3所示，gprs通信模块a通过gprs网络连接转发服务器，通过转发服务器接收频谱管理服务器的工作参数设置命令，周期性将工作参数发送给数据采集模块，等待并接收数据采集模块的采集结果，将采集结果通过转发服务器上传到频谱管理服务器，并定时向转发服务器发送心跳包维持长连接；

如图4所示，数据采集模块连接gprs通信模块a，通过gprs通信模块a接收工作参数进行数据采集，采集完成后通过中断通知gprs通信模块a采集结束。

如图5所示，所述可变频通信设备包括可变频通信基站和可变频通信终端，其中可变频通信终端只能与可变频通信基站建立连接，可变频通信终端之间通过共同连接的可变频通信基站进行通信，可变频通信基站与多个可变频通信终端组成局域网；

如图6所示，每个可变频通信设备均包括以主机-从机模式工作的gprs通信模块b、可变频通信模块和gps模块，gprs通信模块b是主机，可变频通信模块和gps模块是从机；

如图7所示，gprs通信模块b连接转发服务器，通过转发服务器连接频谱管理服务器，向频谱管理服务器申请可用频段，收到频谱管理服务器分配的可用频段后将该参数发给可变频通信模块，并定时查询可变频通信模块的通信信噪比，将通信信噪比发送给频谱管理服务器；

如图8所示，可变频通信模块接收gprs通信模块b发送的可用频段参数进行通信，并响应gprs通信模块b的查询命令，将当前通信信噪比发送给gprs通信模块b；

gps模块用于获取可变频通信设备的当前位置信息。

如图9所示，所述转发服务器用于连接各个设备和频谱管理服务器，对收到的命令数据进行解析，获取命令的目标设备，并将该命令发送给相应的目标设备，转发服务器包括连接状态监控模块、数据发送模块、书记解析模块和数据接收模块，监控模块用于监控各设备及频谱管理服务器的连接状态；数据发送模块用于命令转发；数据解析模块按照预定通信协议解析命令，获取数据的目标设备地址；数据接收模块用于接收各设备及频谱管理服务器发过来的命令。

如图10所示，所述频谱管理服务器是系统数据处理中心，对各个设备工作状态进行监控管理；通过频谱采集设备上传的实时频谱数据和电磁频谱算法计算出系统所在区域可用频段；当可变频通信模块通信信噪比过低或申请分配频段时，通过频谱分配算法为其分配可用空白频段。

如图11所示，基于上述频谱管理系统，本实施例还提供一种空白频谱感知方法，是在广播电视频段中找到可用的空白频段，考虑到空间频谱分布的复杂性，本实施例采用点面的方式感知系统所在区域空间频谱使用状态，包括如下步骤：

s1：频谱管理服务器利用电磁频谱算法根据已有的广播电视基站信息和地形数据计算系统所在区域频谱分布；

s2：频谱管理服务器接收各频谱采集设备采集的对应位置的频谱信息，对频谱信息和系统所在区域频谱分布进行数据融合，对所有频段进行分类，得到系统所在区域可用频谱信息。

所述s1中广播电视基站信息包括广播电视频段的授权用户(广播电视发射台)的位置、发射频段、使用带宽和发射功率，利用电磁频谱算法计算每个授权用户所用频段以及该频段在系统所在区域中的信号强度，根据信号强度判断该频段在系统所在区域是否可以被频谱管理系统使用；

系统所在区域空间中可能存在其他非授权用户占用授权频段的情况，而这种情况无法用算法计算出，本系统用频谱采集设备采集频谱数据，根据实时的频谱信息对系统所在区域的频谱状态做进一步判断；

所述s2中分类后的频段包括以下5种类型：

a类频段：未被授权用户占用且未被其他非授权用户占用的空白频段；

b类频段：未被授权用户占用而被其他非授权用户占用的空白频段；

c类频段：已被授权用户占用但系统所在区域在授权用户发射台覆盖范围之外、未被其他非授权用户占用的频段；

d类频段：已被授权用户占用但系统所在区域在授权用户发射台覆盖范围之外、被其他非授权用户占用的频段；

e类频段：已被授权用户占用且系统所在区域在授权用户发射台覆盖范围之内的频段；

其中，a类频段可以被频谱管理系统直接使用，c类频段在限制功率的情况下可以被频谱管理系统使用，b类频段、d类频段和e类频段则不能被频谱管理系统使用；

对频段进行分类包括如下步骤：

步骤1：判断该频段是否被授权用户发射台占用，若未被占用，则执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2：判断频谱采集设备上传的数据中该频段对应的数据是否存在高于可用门限的值，若存在，则该频段为b类频段，否则为a类频段；

步骤3：频谱管理服务器通过电磁频谱算法计算该频段在系统所在区域的信号强度，若信号强度高于可用门限值，则该频段为e类频段，否则执行步骤4；

步骤4：判断频谱采集设备上传的数据中该频段对应的数据是否存在高于可用门限的值，若存在，则该频段为d类频段，否则为c类频段。

基于上述空白频谱感知方法，本实施例还提供一种空白频谱分配方法，用于为系统所在区域的可变频通信设备分配可用频段，使可变频通信基站和可变频通信终端建立通信，组成局域网，且可变频通信终端与可变频通信基站的通信方式为星型结构，可变频通信基站为星型结构的中心；根据可变频通信基站的数量，将系统区域的可变频通信设备的分布分为以下两种情况：一种是单个可变频通信基站-多个可变频通信终端，简称单基站-多终端，如图12所示；另一种是多个可变频通信基站-多个可变频通信终端，简称多基站-多终端，如图13所示；

如图14所示，单基站-多终端的空白频谱分配方法为：可变频通信基站和可变频通信终端采用同一频段进行通信，频谱管理服务器接收频谱分配申请，从空白频段表中选择合适功率的可用频段，判断可变频通信设备使用该频段通信是否影响授权用户，若不影响，则将该频段分配给可变频通信设备，否则，重新选择可用频段；

如图15所示，多基站-多终端的空白频谱分配方法，由多个单基站-多终端的情况构成，每个可变频通信基站及与其对应的可变频通信终端使用同一频段通信，不同可变频通信基站在互不干扰的情况下才可使用相同频段；频谱管理服务器接收频谱分配申请后，判断空白频段表中的频段数是否大于申请的通信基站数，若是，则为每个可变频通信基站选择可用的空白频段，按照单基站-多终端的空白频谱分配方法进行频段分配，否则结束分配。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。