针对日益严重的无线频谱资源短缺这一瓶颈问题，可以通过基于无线电 系统重配置策略和技术创新来解决，从而达到频谱资源的高效利用。基于软 件无线电(Software Defined Radio：SDR)的频谱共享概念由J.Mitola首次提 出，这一技术使得在任何时间、任何地点分配任意频谱成为可能。
无线电系统的通信量是随着时间和地点不断变化的，然而当前大多数无 线电系统的频谱都是根据“峰值时刻”的通信量来分配，因此在非“峰值时刻” 的频谱资源都未能得到充分利用，造成浪费。
鉴于通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunication System： UMTS)和陆地数字广播电视(Digital Video Broadcasting Terrestrial：DVB-T) 系统频谱需求在时间上差异及空间上重叠，很容易联想到使这两个系统共享 同一频谱。这样频谱的分配可以根据不同时间的需求动态调整，而不必按照 两个系统的“峰值时刻”的通信量来分配，大大节省了频谱资源。同时还可以 在深夜(1:00-7:00AM，此时UMTS和DVB-T业务量都很小)为首选的租用 系统提供频谱资源。除了UMTS和DVB-T外，现实中还有许多其它的主系 统和租用系统可以进行动态频谱共享，即所谓动态频谱分配(Dynamic Spectrum Allocation：DSA)策略。
为了达到频谱资源的最大利用，频谱的授权必须是灵活的。本发明为租 用系统提供了访问本不属于它们的频谱的一种办法，同时主系统通过出租频 谱也可以增加收入，从而达到双赢的结果。
保罗·里乌(Paul leaves)等人在“组合可重构无线电系统中的动态频谱分 配”(“Dynamic spectrum allocation in composite reconfigurable wireless networks，”IEEE Communication Magazine，vol.37，issue 2，pp.72-81，May 2004.)论文中提及在英国和美国已经展开了对频谱管理政策的讨论，例如， 英国政府主张“频谱商业化应当尽快在英国实行”，同时指出“广播公司应该有 能力将未用频谱租用给其它用户”；美国的联邦通信委员会(Federal Communication Commission：FCC)频谱政策工作组也认可了新的频谱政策对 提高频谱效率所具有的潜力。然而，为了使网络能够具备共享能力，现有的 规则必须做出重大调整。
为了实现多无线电系统频谱共享，保罗·里乌等人提出了动态频谱共享方 案，包括相邻动态频谱分配，即相邻DSA(Contiguous Dynamic Spectrum Allocation)，以及分片动态频谱分配，即分片DSA(Fragmented Dynamic Spectrum Allocation)两种方法。
相邻DSA方法适用于频谱相邻的两个无线电系统的动态频谱共享。图1 是固定频谱分配方法(FSA)的示意图，图2是相邻DSA示意图。图1、图 2中相邻的两个频段分别分配给不同的两个无线电系统，其中深灰色为系统 RAN1占用的频段，浅灰色为系统RAN2占用的频段，它们之间通过空白部 分的保护频带隔离。图2的相邻DSA方法与图1的固定频谱分配方法(FSA) 不同的是：图2的相邻DSA可以根据系统在不同时刻网络业务量的变化动态 地调整两个系统各自频段的宽度，而图1则是固定分配频段给不同系统，一 旦分配，不管系统业务量大小，频段宽度不能调整，因此相邻DSA方法与传 统的固定频谱分配方法比较，可以节省频谱资源。
从图2还可以看出，相邻DSA仍然存在一些问题，它只适合于频谱相邻 的无线电系统的频谱共享，而且一个无线电系统不能随意增加频谱的分配， 除非相邻另一系统释放一部分频谱。因此，此方案频谱利用率仍然偏低，并 且频谱分配的公平性差。
图3是分片DSA的示意图。分片DSA认为所有不同的频谱块都是独立 和可共享的，任何无线电系统可以在任何时刻使用任意的未被占用的频谱块。
不同的无线电系统对频谱的需求可能不同。同样，不同无线电系统之间的保 护频带宽度由于干扰程度不同也可能不同。该方法可在多个无线电系统(不 局限于相邻频谱的无线电系统)频谱中实现空闲频谱块的动态共享。为了简 单起见，图3中仅给了3个无线电系统RAN1、RAN2、RAN3采用分片DSA 进行频谱分配的示意图。
该方法的不足是：由于不同无线电系统之间的干扰，分片DSA的控制比 起相邻DSA要复杂一些。为了避免系统间干扰，相邻的不同系统，如图3 中的RAN1、RAN2、RAN3任意两个系统所使用的相邻频谱块之间，必须设 置保护频带(图3中的空白部分)。但由于每个系统是将其随机出现的空闲频 谱块，出租给其它的随机的租用系统用户使用。因此主系统出租的空闲频谱 块在其频谱中分布是随机杂乱的，而不能使同一系统使用或租用的频谱块相 对集中。导致主系统出租的所有共享频谱块需要的保护频带数量很大，频谱 资源的利用率有待进一步提高。
伯铎·胡贝图斯(Petrus Hubertus)在美国专利“无线电系统中的频谱共享 方案”(Petrus Hubertus，Method and arrangement for spectrum sharing in a radio communication environment，Patent No.US 005907812A，May 25，1999)通 过把主系统固定的无线信道(频谱块)划分成更小的子信道(频谱块)单位 直接提供给租用系统的用户使用，从而避免了当主系统的频谱块比租用系统 的频谱块大时形成的带宽的浪费。此方案相对以前的固定无线信道(频谱块) 方案优化了频谱利用率，但其出租的空闲频谱块仍然是随机分布的。为了避 免不同系统之间的干扰，同样需要加入大量的系统间保护频带，频谱利用仍 不充分。

本发明的目的就是提供一种基于动态虚拟频谱边界的多无线电系统动态 频谱分配方法，该方法系统间保护频带少，频谱利用率高。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种基于动态虚拟频谱边 界的多无线电系统动态频谱分配方法，该方法由以下步骤组成：
(1)确定多个无线电系统的最小频谱块Bm，每个无线电系统 RANk，k∈[1，K]的授权频谱为[fak，fbk]，其中fak为授权频谱的下限频谱值，fbk为 授权频谱的上限频谱值，将授权频谱按最小频谱块Bm划分为Nk＝Bk/Bm个单 位，其中Bk＝fbk-fak为授权频谱的宽度；每个无线电系统RANk根据历史记录 和当前业务量设定主系统虚拟边界VDk，该边界VDk和系统下限频谱值fak内的 频谱块为主系统私有频谱，边界VDk和系统上限频谱值fbk内的频谱块为共享 频谱池。
(2)求出每个无线电系统RANk当前私有频谱的最小频谱块数NBk占总的 最小频谱块数Nk的比值即私有频谱占有率ηk＝NBk/Nk，所有当前ηk＜1的无线 电系统为主系统，其中ηk≤预设的门限值THk的主系统则为富余主系统；所 有当前ηk＝1的无线电系统和无授权频谱的系统均为租用系统，租用系统有频 谱需求且其自身不能满足时即租用主系统的空闲频谱块。
(3)富余主系统从现有租用系统中选择一个当前频谱需求量最大的租用 系统确定为其首选租用系统；选定后在其共享频谱池内为所选择的首选租用 系统设置一个首选租用边界VPk，其中首选租用边界VPk和系统上限频谱值fbk内 的频谱块为首选租用系统私有频谱，包含NPk个最小频谱块Bm；首选租用边 界VPk和主系统虚拟边界VDk之间的频谱块为共享频谱池；该首选租用系统需 租用频谱块时，优先租用对应富余主系统的首选租用系统私有频谱内的频谱 块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于主系统虚拟边界根据无线电系统的当前业务量确定，是动态可调的， 且主系统用户的频谱需求主要在其私有频谱内集中满足，这些频谱块之间无 需保护频带，具有相邻DSA的优点，频谱资源利用率高。
同时，由于共享的频谱池的存在，其空闲频谱块可以出租给任何租用系 统使用，而不局限于频谱相邻的系统，因此它也具有分片DSA的优点，所有 主系统的空闲频谱能得到有效、公平的利用。
空闲频谱块数量多的主系统成为富余主系统，并将当前业务需求量最大 的租用系统选择为其首选租用系统，并在富余主系统的空闲频谱池中设定出 动态的首选租用系统私有频谱，该首选租用系统的频谱需求首先由该首选租 用系统私有频谱满足，这些频谱块之间也无需设置保护频带，使得经常性的、 大量的租用频谱块之间无需保护频带，大大减少保护频带的数量，增加了可 用频谱资源，进一步克服了分片DSA的缺点。
总之，本发明不但具有相邻DSA和分片DSA的优点，同时兼顾了公平性， 显者提高了频谱利用率。
本发明的基于动态虚拟频谱边界的多无线电系统动态频谱分配方法可以 采取以下的更具体的做法：
(1)上述的无线电系统RANk将其状态及其系统内的频谱块使用情况全 部动态记录到公用共享频谱数据库中；无线电系统的状态包括系统类型属于 主系统、富余主系统、租用系统、首选租用系统中的哪一种及富余主系统与 首选租用系统的对应关系；频谱块使用情况：包括主系统虚拟边界、首选租 用边界及其两者之间共享频谱池中的所有块频谱块占用情况。
主系统将其虚拟边界VDk及其私有频谱块的使用情况动态记录在其本地 数据库中，其中富余主系统在该表中还将记录首选租用边界VPk。
首选租用系统将其自身的授权频谱块的使用情况，以及其租用的富余主 系统的首选租用边界VPk及其首先租用系统私有频谱块的使用情况，记录到首 选租用系统的本地数据库中。
其它租用系统只需将其自身的授权频谱块的使用情况记录在其本地数据 库中，但如果该租用系统自身不拥有任何授权私用频谱的系统(完全使用他 人频谱)，则不用建立此数据库。
(2)包括富余主系统在内的主系统有频谱需求时，首先访问主系统本地 数据库，搜索主系统私有频谱块中的空闲频谱块，有则分配之；否则，访问 公用共享频谱数据库，搜索并分配本系统的共享频谱池内的空闲频谱块；如 果本系统共享频谱池内仍没有空闲频谱块，则搜索并分配其它主系统共享频 谱池中的空闲频谱块；若仍没有空闲频谱块，则强行中断并分配本主系统共 享频谱池内，靠近主系统虚拟边界VDk的，其它租用系统正使用的频谱块。
当首选租用系统有频谱需求时，首先访问本地数据库，搜索本地授权频 谱的空闲频谱块，有则分配之；否则搜索对应富余主系统的首选租用系统私 有频谱块，若有空闲频谱块则分配之，若没有空闲频谱块则访问公用共享频 谱数据库，搜索并分配共享频谱池中的空闲频谱块。
当其它租用系统有频谱需求时，首先访问其本地数据库，搜索本地授权 频谱的空闲频谱块，有则分配之；否则，在公用共享频谱数据库共享频谱池 中搜索并获取空闲频谱块。
(3)所有系统在分配频谱块后，均在本地数据库或者公用共享频谱数据 库中将所分配频谱块的状态改写为已占用；业务完成不再需用频谱，释放频 谱块后，都必须将本地数据库和相应的频谱块改写为空闲，以便其它系统从 本地数据库和中随时得到当前频谱的空闲频谱块信息。
首先，采用以上方式可以动态、完整且简明地记录到当前所有主系统和 租用系统的状态及其频谱块的使用状态；无线电系统有业务需求时，通过以 上方式可以按其优先级别搜索并分配到相应频谱块，如首选租用系统先查找 自身的授权频谱是否有空闲频谱块，再查找其对应的富余主系统上的首选租 用系统私有频谱是否有空余频谱块，然后查找共享频谱池。这种优先级别使 得无需保护频带的私有频谱块优先得到使用，频谱的利用率高；并且这种记 录分配的方式，如系统查找自己的频谱块时，只需访问本地数据库，系统之 间所需的访问信息量及记录信息所需的存储容量小。总之，可实现无线电系 统之间的的动态频谱共享有效、快捷、方便、准确；使本发明实施容易，稳 定、可靠。
其次，本发明能为租用系统提供良好的服务质量(QoS)：因为即使主系 统有频谱需求，但已经分配给租用系统的频谱块不能立刻切换给主系统使用， 除非整个频谱已经没有空闲频谱块可用。因此，本发明能在不影响主系统性 能的前提下，减小租用系统的被迫中断率，从而为租用系统提供较好的服务 质量。
上述的主系统总是从其授权频谱的下限频谱值fak开始向上使用空闲频 谱块，直到到达主系统虚拟边界VDk为止；首选租用系统的频谱需求超过自身 的授权频谱后，从其对应富余主系统上限频谱值fbk开始向下取空闲频谱块， 直到到达首选租用边界VPk为止；所有系统在共享频谱池内搜索空闲频谱使用 时，按分片动态频谱分配(Fragment DSA)方式进行，为了避免干扰，必须在 相邻系统的频谱块之间增加保护频带，任意两个系统之间的保护频带带宽可 以从预先定义的保护频带矩阵BG(KxK)中得到。
这种方式使得各系统的私有频谱、共享频谱池的确定有序、方便。保证 了系统有效地按自身授权频谱中的私有频谱、首选租用系统私有频谱，共享 频谱池的优先顺序使用频谱块，最大地提高了频谱的利用率，而在共享频谱 池的使用时，则采用成熟的分片动态频谱分配方式进行，使得系统的控制与 分配相对简单，方便本发明的实施。
上述的一种基于动态虚拟频谱边界的多无线电系统动态频谱分配方法， 其设定主系统虚拟边界和首选租用边界的具体方法为：
(1)所述的主系统每次分配或释放频谱块后，动态调整主系统虚拟边界 VDk：
当主系统的业务量增加导致主系统虚拟边界VDk内私有频谱的空闲最小频 谱块数NFk减少时，如果该空闲最小频谱块数量NFk与其私有频谱总的最小频 谱块数NBk的比值即NFk/NBk≤预设的低门限值THBk1，则增加主系统虚拟边界 VDk并更新其本地数据库中的数据，使得主系统的私有频谱量增加；若当前私 有频谱最小频谱块数NBk使得私有频谱占有率ηk＝NBk/Nk＞THk，则此主系统不 再是富余主系统，若此时存在首选租用系统，则释放之，同时，更新共享频 谱数据库中的系统状态数据。
当主系统的业务量减少导致主系统虚拟边界VDk内私有频谱的空闲频谱 块数NFk增加时，如果该空闲最小频谱块数量NFk与其私有频谱总的最小频谱 块数NBk的比值即NFk/NBk≥预设的高门限值THBk2，则减小主系统虚拟边界VDk 并更新其本地数据库中的数据，使得主系统的私有频谱量降低；若主系统虚 拟边界VDk内私有频谱总的最小频谱块数NBk使得私有频谱占有率 ηk＝NBK/NK≤THk，则此主系统成为富余主系统，应从现有未成为首选租用系统 的租用系统中选择一个作为其首选租用系统，同时更新共享频谱数据库中的 系统状态数据。
如果主系统的业务量增加或减少，但并未使其私有频谱的空闲最小谱块 的数量NFK满足NFk/NBk≤THBk1或者NFk/NBk≥THBk2，则保持主系统虚拟边界VDk 不变。
(2)所述的首选租用系统每次分配或释放频谱块后，动态调整首选租用 边界VPk：
当首选租用系统的业务量增加导致首选租用边界VPk内私有频谱的空闲最 小频谱块数NPFk减少时，如果该空闲最小频谱块数量NPFk与首选租用系统私 有频谱总的最小频谱块数量NPk的比值即NPFk/NPk≤预设的首选系统低门限值 THPk1，则增加首选租用边界VPk，并更新其本地数据库中的数据，使得首选租 用系统的私有频谱量增加。
当首选租用系统的业务量减少导致首选租用边界VPk内私有频谱的空闲 最小频谱块数NPFk增加时，如果该空闲最小频谱块数量NPFk与首选租用系统私 有频谱总的最小频谱块数量NPk的比值即NPFk/NPk≥预设的首选系统高门限值 THPk2，则减少首选租用边界VPk，若减少到首选租用系统私有频谱总的最小 频谱块数NPk与相应主系统的总的最小频谱块数NK的比值即NPK/NK≤预设 的首选系统门限值THPk，则释放此首选租用系统，相应主系统根据现有租用 系统的业务量重新选择新的首选租用系统，同时更新其本地数据库中的数据。
如果首选租用系统的业务量增加或减少，但并未使其首选租用边界内的 私有频谱的空闲最小频谱块的数量NPFk满足NPFk/NPk≤THPk1或者 NPFk/NPk≥THPk2，则保持首选租用边界VPk不变。
采用以上方式对实时地根据无线电系统的业务量，按预定的值动态地调 整主系统虚拟边界、首选租用边界，并转变无线电系统的系统类型，既实时 地保证了各系统自身的动态频谱需求，又将各系统的动态空闲频谱块充分地 及时地加以利用，且能保证系统自身私有频谱和首选租用系统私有频谱的优 先使用。使得本发明在不同时刻，均能做到频谱资源的高效、充分利用。
上述的多无线电系统最小频谱块Bm的确定方法为：首先根据各个无线电 系统(RAN)频谱块Bm1，Bm2，...BmK的宽度，和从保护频带矩阵BG(KxK)中得到的任 意两个RAN之间的保护频带宽度Bgij，其中i≠j且i，j∈[1，K]，取Bm1，Bm2，...BmK和Bgij 的最大公约数，作为多无线电系统频谱划分的最小频谱块 Bm＝gcd(Bm1，Bm2，...BmK，Bgij)。
这样，所确定的所有无线电系统的最小频谱块是所有的无线电系统的频 谱块和所有的保护频带宽度的最大公约数，也即所有的无线电系统的频谱块 和所有的保护频带宽度刚好是该最小频谱块的一倍或数倍；因此，采用本发 明方法可按该最小频谱块的一倍或数倍进行分配，使得每个系统在有业务需 求时，分配得到的频谱块的宽度都刚好合适，既不会造成分配得到的频谱块 的宽度大于7实际需要的宽度，没有频谱资源的浪费，进一步提高了频谱的 利用率。同时由于该最小频谱块是最大公约数，使得本发明方法在保证频谱 利用率的前提下，所管理的最小频谱块数量最少，降低了管理的复杂性。
上述的搜索分配第k个主系统RANk(k∈[1，K])的主系统私有频谱应按其 自身的频谱块Bmk为单位，而不按最小频谱块Bm进行管理，主系统本地数据 库相应按Bmk为单位进行管理；同理，搜索分配其对应的首选租用系统私有频 谱应按首选租用系统自身的频谱块Bmpk为单位进行，也非最小频谱块Bm，其 本地数据库按Bmpk为单位进行管理；对于共享频谱池，则按最小频谱块Bm进 行搜索和分配，公用共享频谱数据库相应也按Bm为单位进行管理。
主系统私有频谱及主系统本地数据库按其自身的频谱块为单位进行管 理，搜索分配其对应的首选租用系统私有频谱应按首选租用系统自身的频谱 块Bmpk为单位进行管理，这样降低了管理的难度和复杂性。
上述的基于动态虚拟频谱边界的多无线电系统动态频谱分配方法中，调 整主系统虚拟边界VDk和首选租用边界VPk按照一定步长进行，对不同的无线 电系统，该步长可能不同，并且对同一个无线电系统，该步长也是可变的。
根据不同的无线电系统的授权频谱的宽度及其业务量的变化特点，采用 不同的步长调整主系统虚拟边界VDk和首选租用边界VPk步长越大，主系统 虚拟边界VDk及首选租用边界VPk的调整越有效，收敛速度越快，但频谱利用 率越低，主要适用于频谱长度较长、业务量变化较大的系统使用；步长越小， 频谱利用率越高，但收敛速度越慢，适用于业务量变化较小或频谱长度较短 的系统。同一系统在业务量变化较小的时段，采用较小的步长，业务量变化 较大的时段，则采用较大的步长。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为固定频谱分配(FSA)方案的示意图。
图2为相邻DSA方案的示意图。
图3为分片DSA方案的示意图。
图4为本发明实施例的富余主系统RAN1的动态频谱分配示意图。
图5为采用本发明实施例的所有系统在某个时刻的频谱状态示意图。
图6为本发明与固定频谱分配、相邻/分片DSA的频谱利用率的仿真
结果比较图。
图7为实施本发明实施例的物理设备的示意图。具体实施方式
实施例
图4、图5示出，本发明的一种具体实施方式为，一种基于动态虚拟频 谱边界的多无线电系统动态频谱分配方法，该方法由以下步骤组成：
(1)确定多个无线电系统的最小频谱块Bm，每个无线电系统 RANk，k∈[1，K]的授权频谱为[fak，fbk]，其中fak为授权频谱的下限频谱值，fbk为 授权频谱的上限频谱值，将授权频谱按最小频谱块Bm划分为Nk＝Bk/Bm个单 位，其中Bk＝fbk-fak为授权频谱的宽度；每个无线电系统RANk根据历史记录 和当前业务量设定主系统虚拟边界VDk，该边界VDk和系统下限频谱值fak内的 频谱块为主系统私有频谱，边界VDk和系统上限频谱值fbk内的频谱块为共享 频谱池。
其中最小频谱块Bm的确定按如下步骤进行：
定义保护频带宽度：由于共享频谱池采用分片DSA方法进行动态频谱分 配，为了避免干扰，任意两个不同系统的频谱块之间都规定有一定宽度的保 护频带，将这些保护频带集中起来，构成如下矩阵：
${\mathrm{BG}}_{\left(\mathrm{KxK}\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}0& B_{g12}& ·& ·& B_{g1K}\\ B_{g21}& 0& ·& ·& B_{g2K}\\ ·& ·& ·& ·& ·\\ ·& ·& ·& ·& ·\\ B_{\mathrm{gK}1}& B_{\mathrm{gK}2}& ·& ·& 0\end{array}\right]$
                 其中，Bgij＝Bgji & Bgii＝0
其中，Bgij表示系统i与系统j之间的保护频带宽度。
确定每个无线电系统RANk，k∈[1，K]频谱块的大小，分别记为Bm1，Bm2，...BmK， 如GSM，iDEN，IS-95和DVB-T的频谱块大小分别为200KHz，25KHz，1250KHz 和6-8MHz；并从保护频谱矩阵BG(KxK)中得到任意两个RAN之间的保护频带宽 度Bgij，其中i≠j且i，j∈[1，K]；取Bm1，Bm2，...BmK和Bgij的最大公约数，记为 Bm＝gcd(Bm1，Bm2，...BmK，Bgij)，作为每个RAN频谱划分的最小单位，这样，每个 RAN的频谱需求和保护频带带宽均为Bm的整数倍。
(2)求出每个无线电系统RANk当前私有频谱的最小频谱块数NBk占总的 最小频谱块数Nk的比值即私有频谱占有率ηk＝NBk/Nk，所有当前ηk＜1的无线 电系统为主系统，其中ηk≤预设的门限值THk的主系统则为富余主系统；所 有当前ηk＝1的无线电系统和无授权频谱的系统均为租用系统，租用系统有频 谱需求且其自身不能满足时即租用主系统的空闲频谱块。
(3)富余主系统从现有租用系统中选择一个当前频谱需求量最大的租用 系统确定为其首选租用系统；选定后在其共享频谱池内为所选择的首选租用 系统设置一个首选租用边界VPk其中首选租用边界VPk和系统上限频谱值fbk内 的频谱块为首选租用系统私有频谱，包含NPk个最小频谱块Bm；首选租用边 界VPk和主系统虚拟边界VDk之间的频谱块为共享频谱池；该首选租用系统需 租用频谱块时，优先租用对应富余主系统的首选租用系统私有频谱内的频谱 块。
本例的方法中：
(1)无线电系统RANk将其状态及其系统内的频谱块使用情况全部动态 记录到公用共享频谱数据库中；无线电系统的状态包括系统类型属于主系统、 富余主系统、租用系统、首选租用系统中的哪一种及富余主系统与首选租用 系统的对应关系；频谱块使用情况：包括主系统虚拟边界、首选租用边界及 其两者之间共享频谱池中的所有块频谱块占用情况。
主系统将其虚拟边界VDk及其私有频谱块的使用情况动态记录在主系统 本地数据库中，其中富余主系统在该数据中还将记录首选租用边界VPk
首选租用系统将其自身的授权频谱块的使用情况，以及其租用的富余主 系统的首选租用边界VPk及其首先租用系统私有频谱块的使用情况，记录到首 选租用系统的本地数据库中。
其它租用系统只需将其自身的授权频谱块的使用情况记录在其本地数据 库中，但如果该租用系统自身不拥有任何授权私用频谱的系统(完全使用他 人频谱)，则不用建立此数据库。
(2)包括富余主系统在内的主系统有频谱需求时，首先访问主系统本地 数据库，搜索主系统私有频谱块中的空闲频谱块，有则分配之；否则，访问 公用共享频谱数据库，搜索并分配本系统的共享频谱池内的空闲频谱块；如 果本系统共享频谱池内仍没有空闲频谱块，则搜索并分配其它主系统共享频 谱池中的空闲频谱块；若仍没有空闲频谱块，则强行中断并分配本主系统共 享频谱池内，靠近主系统虚拟边界VDk的，其它租用系统正使用的频谱块。
可见，即使主系统有频谱需求，但已经分配给租用系统的频谱块不能立 刻切换给主系统使用，除非整个频谱已经没有空闲频谱块可用。因此，本发 明能在不影响主系统性能的前提下，减小租用系统的被迫中断率，从而为租 用系统提供较好的服务质量(QoS)。
当首选租用系统有频谱需求时，首先访问其本地数据库，搜索本地授权 频谱的空闲频谱块，有则分配之；否则搜索对应富余主系统的首选租用系统 私有频谱块，若有空闲频谱块则分配之，若没有空闲频谱块则访问公用共享 频谱数据库，搜索并分配共享频谱池中的空闲频谱块。
当其它租用系统有频谱需求时，首先访问其本地数据库，搜索本地授权 频谱的空闲频谱块，有则分配之；否则，在公用共享频谱数据库共享频谱池 中搜索并获取空闲频谱块。
(3)所有系统在分配频谱块后，均在本地数据库或者公用共享频谱数据 库中将所分配频谱块的状态改写为已占用；业务完成不再需用频谱，释放频 谱块后，都必须将本地数据库和相应的频谱块改写为空闲，以便其它系统从 本地数据库和中随时得到当前频谱的空闲频谱块信息。
本例的动态频谱分配方法中：
主系统总是从其授权频谱的下限频谱值fak开始向上使用空闲频谱块，直 到到达主系统虚拟边界VDk为止；首选租用系统的频谱需求超过自身的授权频 谱后，从其对应富余主系统上限频谱值fbk开始向下取空闲频谱块，直到到达 首选租用边界VPk为止；所有系统在共享频谱池内搜索空闲频谱使用时，按现 有的分片DSA方式进行，为了避免干扰，必须在相邻系统的频谱块之间增加 保护频带，任意两个系统之间的保护频带带宽可以从预先定义的保护频带矩 阵BG(KxK)中得到。共享频谱池根据系统业务量动态变化，当前的频谱池内频 谱块忙闲状态可以通过查询得到；访问这些频谱块要基于可重配置系统来实 现。
本例的方法中：
(1)主系统每次分配或释放频谱块后，动态调整主系统虚拟边界VDk：
当主系统的业务量增加导致主系统虚拟边界VDk内私有频谱的空闲最小频 谱块数NFk减少时，如果该空闲最小频谱块数量NFk与其私有频谱总的最小频 谱块数NBk的比值即NFk/NBk≤预设的低门限值THBk1，则增加主系统虚拟边界 VDk并更新其本地数据库中的数据，使得主系统的私有频谱量增加。具体计算 方法如下：
                  VDk＝VDk+nk×Bmk，nk为步长
若更新主系统虚拟边界VDk后，当前私有频谱最小频谱块数NBk使得私有频 谱占有率ηk＝NBk/Nk＞THk，则此主系统不再是富余主系统，若此时存在首选 租用系统，则释放之，同时，更新共享频谱数据库中的系统状态数据。
当主系统的业务量减少导致主系统虚拟边界VDk内私有频谱的空闲最小 频谱块数NFk增加时，如果该空闲最小频谱块数量NFk与其私有频谱总的最小 频谱块数NBk的比值即NFk/NBk≥预设的高门限值THBk2，则减小主系统虚拟边 界VDk并更新其本地数据库中的数据，使得主系统的私有频谱量降低。具体计 算方法如下：
                  VDk＝VDk-nk×Bmk，nk为步长
若更新主系统虚拟边界VDk后，主系统虚拟边界VDk内私有频谱总的最小 频谱块数NBk使得私有频谱占有率ηk＝NBK/NK≤THk，则此主系统成为富余主系 统，应从现有未成为首选租用系统的租用系统中选择一个作为其首选租用系 统，同时更新共享频谱数据库中的系统状态数据。
如果主系统的业务量增加或减少，但并未使其私有频谱的空闲最小谱块 的数量NFK满足NFk/NBk≤THBk1或者NFk/NBk≥THBk2，则保持主系统虚拟边界VDk 不变。
(2)首选租用系统每次分配或释放频谱块后，动态调整首选租用边界VPk：
当首选租用系统的业务量增加导致首选租用边界VPk内私有频谱的空闲最 小频谱块数NPFk减少时，如果该空闲最小频谱块数量NPfk与首选租用系统私 有频谱总的最小频谱块数量NPk的比值即NPFk/NPk≤预设的首选系统低门限值 THPk1，则增加首选租用边界VPk，具体计算方法如下：
                  VPk＝VPk+nk×Bmpk，nk为步长
并更新其本地数据库中的数据，使得首选租用系统的私有频谱量增加。
当首选租用系统的业务量减少导致首选租用边界VPk内私有频谱的空闲 最小频谱块数NPFk增加时，如果该空闲最小频谱块数量NPFk与首选租用系统私 有频谱总的最小频谱块数量NPk的比值即NPFk/NPk≥预设的首选系统高门限值 THPk2，则减少首选租用边界VPk。具体计算方法如下：
                  VPk＝VPk-nk×Bmpk，nk为步长
若减少到首选租用系统私有频谱总的最小频谱块数NPk与相应主系统的 总的最小频谱块数NK的比值即NPK/NK≤预设的首选系统门限值THPk，则释 放此首选租用系统，相应主系统根据现有租用系统的业务量重新选择新的首 选租用系统，同时更新其本地数据库中的数据。
如果首选租用系统的业务量增加或减少，但并未使其首选租用边界内的 私有频谱的空闲最小频谱块的数量NPFk满足NPFk/NPk≤THPk1或者 NPFk/NPk≥THPk2，则保持首选租用边界VPk不变。
为了保证所有租用系统的公平性，本发明在动态调整首选租用边界VPk 时，除了可按以上方法进行外，还可在增加首选租用边界VPk时，在满足门限 值条件后，还检测其它所有租用系统的阻塞率，当所有阻塞率均较低时，才 能增加首选租用边界VPk，以使首选租用系统的阻塞率与其它租用系统的阻塞 率基本一致。
由于主系统虚拟边界VDK和首选租用边界VPK的增加，使得频谱块边界发 生改变，因此，可能导致租用系统的被迫中断(Forced Termination)。被迫 中断会导致QoS不能保证，是实时通信系统中非常敏感的问题。不仅先前的 DSA方案会引起被迫中断，本发明进行主系统虚拟边界调整时，也面临这一 问题，但本发明可通过以下方式消除或降低被迫中断率：
通过基于门限值THBk1和THPk1的主系统虚拟边界VDK和首选租用边界VPK增 加，如果共享频谱池内相应被划入私有频谱的频谱块正在被其它无线电系统 用户使用，则将该用户业务先切换到其它空闲频谱块，再收回此频谱块。
尽可能将共享频谱池内靠近主系统虚拟边界VDK和首选租用边界VPK的频 谱块分配给非实时业务(如数据业务)。
本例方法中：搜索分配第k个主系统RANk(k∈[1，K])的主系统私有频谱 应按其自身的频谱块Bmk为单位进行，而非最小频谱块Bm，因此，主系统本 地数据库按Bmk为单位进行管理；同理，搜索分配其对应的首选租用系统私有 频谱应按首选租用系统自身的频谱块Bmpk为单位进行，也非最小频谱块Bm， 其本地数据库按Bmpk为单位进行管理；对于共享频谱池，则按最小频谱块Bm进 行搜索和分配，公用共享频谱数据库相应也按Bm为单位进行管理。
公用共享频谱数据库按Bm为单位进行管理的具体方法为：当租用系统有 频谱需求时，或者主系统和首选租用系统的频谱需求超过各自的私有频谱时， 都必须各自独立地按需扫描中频谱池内的空闲频谱块，以获得空闲频谱块的 使用权，占用后改写频谱块的标注为已占用；当系统业务完成后，则释放占 用的频谱块，并将中相应的频谱块标注为空闲，重新供其它系统使用；通过 这样的动态更新，保证当前中频谱块信息都是最新的，任何系统在任何时候 都可以从中得到当前主系统虚拟边界VDk首选租用边界VPK和频谱池中空闲 频谱块的最新信息；这样虽然增加了一些额外的开销，但主系统、租用系统 和首选租用系统在需要使用频谱池内的频谱块时，只需要访问，便可得到当 前的空闲频谱块信息。
本例中，调整主系统虚拟边界VDk和首选租用边界VPk按照一定步长进行， 对不同的无线电系统，该步长可能不同，并且对同一个无线电系统，该步长 是可变的。第K个系统RANk的步长用nk表示，即主系统虚拟边界VDK和首选租 用边界VPK界调整时，一次增加或减少nk个频谱单位；对主系统来说，频谱单 位取其自身的最小的频谱块Bmk，即主系统虚拟边界NBk的调整以Bmk为单位进 行，具体数量取决于nk的大小；对首选租用系统来说，频谱单位取首选租用 系统自身的最小的频谱块Bmpk，同理首选租用边界NPk的调整以Bmpk为单位进 行，具体数量同样取决于nk的大小。
为了最大限度发挥本发明优势，不同的无线电系统的步长nk可能不同， 对同一个无线电系统，步长nk动态变化的，主要取决于相应无线电系统(主 系统或其对应的首选租用系统)的频谱需求，步长越大，动态虚拟频谱边界 (VDK和VPK)的调整越有效(收敛速度高)但频谱利用率越低，步长越小频谱利 用率越高但收敛速度越慢。
由于本发明的方法是根据各个共享的无线电系统当前的业务量，确定主 系统和首选租用系统，动态地调整虚拟频谱边界VDk以尽可能地减少所使用 的保护频带。因此，本发明也可称为自适应边界DSA(动态频谱分配)方案。
在图4及图6中也将本发明的方法标为自适应边界DSA。
图4为本实施例的富余主系统RAN1的动态频谱分配示意图。为简化起见， 只有首选租用系统RAN2和其它租用系统RAN3租用系统RAN1的空闲频谱块。 从图中可以看出主系统虚拟边界VD1在不同时刻是动态变化的，首选租用边界 VP1在不同时刻也是动态变化的；主系统虚拟边界VD1以下的频谱块全部为主系 统RAN1的私有频谱块，全部由主系统RAN1使用，而首选租用边界VP1以上的 频谱块为首选租用系统RAN2的私有频谱块，全部由首选租用系统RAN2使用， 而VD1与VP1之间的共享频谱池则由系统RAN1、RAN2、RAN3随机使用。从图4 中也可明显看出，保护频带只在共享频谱池内出现，较之图3的分片DSA方 案，其保护频带的数量明显减少。
图5为采用本实施例的所有系统在某个时刻的频谱状态示意图。图中的 系统RAN1此时作为富余主系统，它选择RAN2作为其首选租用系统，该首选 租用系统RAN2为无授权频谱的无线电系统；系统RAN3此时为一般主系统， 其上部的共享频谱池可供所有租用系统租用；系统RAN K为有授权频谱的一 般租用系统，可以租用所有租用系统共享频谱池的空闲频谱块；为了简化起 见，从RAN4到RAN K-1的其它无线电系统的频谱状态省略未画。
仿真结果
为了比较固定频谱分配、相邻DSA、分片DSA及本发明的自适应边界DSA 四种方案的频谱利用率，在如下条件进行计算机仿真：三个无线电系统共享 频谱，每个系统的最小频谱块Bm的数量Nk分别为15，12，12，三个系统对 频谱块的需求分别服从参数为λ1，λ2，λ3的泊松分布，驻留时间服从参数 为1/μ1，1/μ2，1/μ3的指数分布。取λ1＝0.2，λ2＝0.05，λ3＝0.03；1/ μ1＝180秒，1/μ2＝180秒，1/μ3＝100秒；系统RAN1、RAN2的频谱需求负载 分别取9和3爱尔兰(Erlang)，系统RAN3的频谱需求负载取36爱尔兰；更 新时间τ设为1800秒。对本发明方案而言，三个系统中RAN1、RAN2为主系 统，RAN3为首选租用系统。
基于以上设定的呼叫达到率、驻留时间和可用资源，通过仿真得到：本 发明与固定频谱分配、相邻DSA及分片DSA的频谱利用率比较结果如图6所 示。由图6可知，在多无线电系统频谱共享环境下，在相同的频谱需求到达 率(呼叫达到率与驻留时间乘积)下，本发明比固定频谱分配、相邻DSA及 分片DSA能获得更高的频谱利用率，且频谱需求到达率越高，本发明提高频 谱利用率的效果越明显。
实现的物理设备
本发明可以用于不同的无线通信设备，如蜂窝通信设备、无线监控设备、 DVB-T转播设备、无线局域网设备等等。
本发明的方法在实施时其物理实现的终端设备，可以采用图7的可重配 置设备(即采用软件无线电，实现动态分配频谱的终端设备)来实现。可重 配置设备最基本的部件包括：射频单元、中频单元、基带单元和信号处理单 元；其中的中频单元主要由数模/模数转换器、数字信号上行/下行转换器组 成。整个可重配置设备所有的单元都是可编程的。
射频单元采用模拟射频电路，负责在所操作的频段上进行信号的收发。
中频单元负责数模和模数转换，包括采用传统的无线设备对数字信号进 行处理。在接收方，信号通过模数转换器进入数字信号下行转换器，同样， 在发送方，信号从基带单元过来，通过数字信号上行转换器后，在数模转换 器进行数模转换。数字信号上行/下行转换器都需要采用数字信号处理技术进 行处理，以满足可重配置无线设备的完全可编程和重配置的要求。
可重配置设备的最后一个阶段是基带单元，在这里，数字信号通过处理 以适应相应的协议。随着协议的复杂化，要求相应的信号处理能力也要随之 提高。
可重配置设备还包括信号处理单元，负责数字信号处理或者为以上单元 提供其它处理，它可以和以上单元相集成或相对独立。
除了以上单元的功能，可重配置设备还可根据需要增加信源编码/解码、 信道编码/解码、多路访问处理、扩频/解扩、加密/解密等功能单元，实现相 应的功能。
此外，一般本发明的主系统私有频谱由其主系统虚拟边界VDk与系统下限 频谱值fak内的频谱块组成，首选租用系统私有频谱由首选租用边界VPk和系 统上限频谱值fbk内的频谱块组成，这是多无线电系统动态频谱分配的习惯做 法，也便于简明的说明本发明的方法。当然，在实际实施时也可通过等同的 相反方式实现，即主系统私有频谱由其主系统虚拟边界VDk与系统上限频谱值 fbk内的频谱块组成，首选租用系统私有频谱由首选租用边界VPk和系统下限 频谱值fak内的频谱块组成。