頻譜共享技術(shù)及其在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用建議

王學(xué)靈（上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，上海 200092）

1 概述

5G在增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMMB）模式下的峰值速率為數(shù)十Gbit/s，根據(jù)《國(guó)家無(wú)線電管理規(guī)劃（2016—2020年）》，為IMT 儲(chǔ)備不低于500 MHz 的頻譜資源。面對(duì)如此大的帶寬要求，一方面，3 GHz 以下頻譜已經(jīng)分配殆盡，從WRC-15 對(duì)IMT 頻 段的協(xié) 調(diào)結(jié)果 來(lái)看［2］，6 GHz 以下可能實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一頻譜的只有3.5 GHz 頻段100 MHz左右的頻段，遠(yuǎn)不能滿足5G三大應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)頻譜的需求；另一方面，因?yàn)楝F(xiàn)行頻譜管理機(jī)制的原因，存在利用效率低下的情況［6］。下面通過(guò)對(duì)頻譜共享技術(shù)的研究，分析共享頻譜技術(shù)解決頻譜資源受限和提升頻譜利用效率提供的可能性，從而為5G時(shí)代頻譜共享提供借鑒。頻譜共享技術(shù)也是近年來(lái)業(yè)界研究的熱點(diǎn)之一。

2 頻譜共享技術(shù)

頻譜共享技術(shù)研究的對(duì)象主要分為2 類，一類是授權(quán)頻段，現(xiàn)有IMT頻段都是授權(quán)頻段，運(yùn)營(yíng)商通過(guò)分配和拍賣的方式獲得，又分為獨(dú)占和共用2 種情況。獨(dú)占技術(shù)有授權(quán)共享接入（LSA），跨頻譜共享主要包括非授權(quán)頻譜LTE 輔助接入（LAA）、非授權(quán)頻譜LTE接入（LTE-U）、LTE 與Wi-Fi 鏈路聚合（LWA）等技術(shù)。另一類是非授權(quán)頻段，如MulteFire 技術(shù)。對(duì)授權(quán)頻譜的共享使用主要包括認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)［1］、動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)。

2.1 電視白頻譜及認(rèn)知無(wú)線電

電視白空間/白頻譜（TVWS），美國(guó)FCC 將其命名為“超級(jí)Wi-Fi”，是指廣播電視的空閑頻譜，包括已分配未使用或未充分使用（如發(fā)射臺(tái)停播時(shí)段）、相鄰頻道間的保護(hù)頻段以及“模數(shù)轉(zhuǎn)換”騰退出來(lái)的“數(shù)字紅利”頻段。廣播電視頻譜屬于低頻段范疇，具有損耗低、繞射能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是部署廣域覆蓋網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)選頻段。除了APT700 頻段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于LTE 組網(wǎng)建設(shè)之外（獨(dú)占使用為主），白頻譜的應(yīng)用主要是采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，通過(guò)頻譜感知、地理位置信息庫(kù)及信標(biāo)接收3 種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)白頻譜的共享使用［5］，白頻譜的應(yīng)用場(chǎng)景主要是在農(nóng)村等偏遠(yuǎn)區(qū)域的應(yīng)急廣播及寬帶通信，國(guó)外已有應(yīng)用。歐美國(guó)家認(rèn)知無(wú)線電的應(yīng)用起步較早，發(fā)布了很多具有指導(dǎo)意義的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)目前雖然尚未出臺(tái)相關(guān)政策，但相關(guān)研究已取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

2.2 動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)

動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)采用資源池的方式，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)聽(tīng)信道、感知無(wú)線環(huán)境、確定參數(shù)、信道分配和管理實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的共享［3-4］。主要包括機(jī)會(huì)頻譜接入（此用戶在主用戶不用的情況下使用頻譜）、頻段重疊共享（控制此用戶對(duì)主用戶的干擾水平情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的共享使用）、動(dòng)態(tài)頻譜分配（根據(jù)頻譜的使用情況統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)一對(duì)不同系統(tǒng)進(jìn)行頻譜的動(dòng)態(tài)分配）和公共頻譜共享（非授權(quán)頻譜供不同的系統(tǒng)使用）等技術(shù)［6］。

3 LTE頻譜共享技術(shù)分類

LTE 引入了多項(xiàng)頻譜共享技術(shù)，包括支持跨頻譜類型聚合的授權(quán)接入（LAA/LTE-U）、支持跨技術(shù)聚合的LTE 和Wi-Fi 鏈路聚合（LWA）、與現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商和其他部署模式共享頻譜的共享授權(quán)接入（LSA），以及支持在非授權(quán)頻譜獨(dú)立部署運(yùn)行的MulteFire 技術(shù)。如表1 所示，不同的需求可采用不同的頻譜共享接入方式。

下面對(duì)這幾種頻譜共享技術(shù)逐一進(jìn)行介紹。

3.1 授權(quán)共享接入（LSA）

授權(quán)共享接入（LSA）采用頻譜管理授權(quán)機(jī)制，使授權(quán)用戶使用特定未使用頻段提供服務(wù)，不對(duì)原有系統(tǒng)用戶產(chǎn)生干擾，是3GPP R14標(biāo)準(zhǔn)方案。主要是運(yùn)營(yíng)商使用原先用于衛(wèi)星通信、政府、軍隊(duì)使用的頻段為用戶提供LTE 服務(wù)。LSA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，使用前和使用過(guò)程中對(duì)擬用頻段進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)，能夠較為簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)授權(quán)用戶和主用戶雙贏。目前，法國(guó)、意大利與愛(ài)立信、諾基亞、紅色科技在2.3～2.4 GHz 頻段試點(diǎn)進(jìn)行了廣泛的技術(shù)試驗(yàn)；美國(guó)谷歌公司進(jìn)行了平臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用試驗(yàn)，推動(dòng)美國(guó)在3.5 GHz 上的LSA 發(fā)展公民寬帶無(wú)線服務(wù)（CBRS）。

表1 LTE不同頻譜共享技術(shù)

3.2 跨頻譜類型共享接入

IEEE 陣營(yíng)的Wi-Fi 技術(shù)和3GPP 陣營(yíng)的LTE 技術(shù)已經(jīng)成為了最為成功的兩大無(wú)線技術(shù)，前者以短距、室內(nèi)覆蓋為主，后者以廣域覆蓋為主，各有優(yōu)缺點(diǎn)。一直以來(lái)，兩大陣營(yíng)在不斷的博弈過(guò)程中也相互借鑒，業(yè)界也一直嘗試將兩大技術(shù)進(jìn)行融合。

3.2.1 授權(quán)LTE輔助接入（LAA）

授權(quán)輔助接入（LAA）是將LTE網(wǎng)絡(luò)中部分業(yè)務(wù)卸載到未授權(quán)頻段，即由包含著大量Wi-Fi 業(yè)務(wù)的未授權(quán)頻段承載部分LTE 業(yè)務(wù)。LAA 支持先監(jiān)聽(tīng)再通話（LBT——Listen Before Talk），從而能夠有效規(guī)避與頻段內(nèi)現(xiàn)有系統(tǒng)的干擾問(wèn)題，是3GPP R13 標(biāo)準(zhǔn)方案。LAA 是一個(gè)非獨(dú)立（NSA——Non-Stand Alone）的方案，即授權(quán)頻譜與非授權(quán)頻譜通過(guò)載波聚合（CA）的方式捆綁使用，而不能單獨(dú)使用。LAA 是LTE-U 的演進(jìn)升級(jí)，LAA 的演進(jìn)方向?yàn)閑LAA。2017 年初，沃達(dá)豐在土耳其開(kāi)通首個(gè)LAA 商用網(wǎng)，利用5 GHz的40 MHz非授權(quán)頻譜和2.6 GHz的15 MHz授權(quán)頻譜進(jìn)行三載波聚合。

3.2.2 非授權(quán)LTE接入（LTE-U）

非授權(quán)頻譜LTE 接入（LTE-U），將未授權(quán)頻譜作為次選頻譜，通過(guò)載波聚合技術(shù)將未授權(quán)頻譜與授權(quán)頻譜整合到一起，從而可以實(shí)現(xiàn)頻譜的高效利用。與LAA 方式類似，是授權(quán)頻譜與非授權(quán)頻譜通過(guò)CA 方式捆綁使用，不可單獨(dú)使用。兩者的主要區(qū)別在于，LTE-U 是由LTE-U Forum 提出的方案在3GPP R12 版本中體現(xiàn)，并且不支持LBT 技術(shù)。LTE-U 原理如圖1所示。

圖1 LTE-U原理示意圖

3.2.3 LTE 與Wi-Fi鏈路聚合（LWA）

LWA 技術(shù)可分離LTE 數(shù)據(jù)有效載荷，部分業(yè)務(wù)流量通過(guò)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)傳輸（Wi-Fi 接入網(wǎng)，如圖2 所示），剩余的流量通過(guò)LTE 網(wǎng)絡(luò)傳送，從而有效提升LTE 服務(wù)的性能。與LAA/LTE-U 的區(qū)別是借助Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)而不僅僅是Wi-Fi 頻段將部分LTE 流量通過(guò)Wi-Fi 進(jìn)行隧道傳輸（即流量經(jīng)過(guò)LTE 網(wǎng)絡(luò)而不是經(jīng)過(guò)Wi-Fi回到互聯(lián)網(wǎng)），剩余流量通過(guò)LTE 自身運(yùn)行。因此LWA是聚合授權(quán)和非授權(quán)頻譜的結(jié)合。

3.3 非授權(quán)頻譜共享接入（MulteFire技術(shù)）

MulteFire 技術(shù)通過(guò)在非授權(quán)頻譜（如全球5 GHz非授權(quán)頻譜）上獨(dú)立運(yùn)行LTE 技術(shù)來(lái)部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。一方面，由于使用了多種LTE 設(shè)計(jì)中的復(fù)雜特征，MulteFire 網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橛脩籼峁┡cLTE 類似的高品質(zhì)服務(wù)；另一方面，MulteFire 技術(shù)具備與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)一樣易于部署的特性。MulteFire 支持LBT 技術(shù)，技術(shù)設(shè)計(jì)符合全球非授權(quán)頻譜的監(jiān)管法規(guī)，包括歐洲和日本等地區(qū)所要求的“載波偵聽(tīng)”特性，使其能夠在全球范圍內(nèi)部署。MulteFire技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖2 LWA架構(gòu)原理圖

圖3 MulteFire技術(shù)架構(gòu)原理圖

4 未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)頻譜共享

以上介紹的LTE 頻譜共享技術(shù)在4G 時(shí)代并沒(méi)有大規(guī)模的使用，但是隨著頻譜共享標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)研發(fā)等工作的不斷推進(jìn)，將在5G網(wǎng)絡(luò)以及B5G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。

未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要采用高頻、中頻和低頻進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以適應(yīng)5G三大應(yīng)用場(chǎng)景的頻譜需求。未來(lái)5G 新空口（NR）頻譜共享將在LTE 頻譜共享方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行演進(jìn)，如表2所示。

表2 未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)頻譜共享技術(shù)

4.1 運(yùn)營(yíng)商與其他運(yùn)營(yíng)主體的頻譜共享建議

4.1.1 電視白頻譜再利用

目前1 GHz 以下的頻譜資源已經(jīng)基本分配完畢，無(wú)空閑頻譜資源可供分配。因?yàn)閷?duì)700 MHz 頻段（698～806 MHz，廣電有線電視）的重新利用受到行業(yè)限制，所以還有很大變數(shù)。WRC 將在2020 年之后，考慮470～698 MHz 頻段，即數(shù)字電視微波接力頻段的分配工作。因此，對(duì)此300 多MHz 的頻段建議采用頻譜共享方式，滿足廣電部門(mén)與運(yùn)營(yíng)商的頻譜需求，具體方案可參考CBRS 的推進(jìn)方案，提升頻譜利用效率的同時(shí)解決運(yùn)營(yíng)商低頻段的頻譜資源需求問(wèn)題。

共享建議：中國(guó)對(duì)電視白頻譜的再利用，以政府分配/拍賣、獨(dú)立占用為主，廣電總局擁有電視白頻譜的規(guī)劃和使用權(quán)，因此我國(guó)的白頻譜還沒(méi)有得到開(kāi)發(fā)和利用。隨著國(guó)家三網(wǎng)融合的發(fā)展，廣電行業(yè)也涌現(xiàn)大量的新穎應(yīng)用，對(duì)頻譜的需求也隨著增加。國(guó)家監(jiān)管部門(mén)應(yīng)該盡快做好電視白頻譜的規(guī)劃和使用，擺脫目前廣電無(wú)牌照卻占用電視白頻譜，通信運(yùn)營(yíng)商有牌照卻沒(méi)有電視白頻譜的局面，可以通過(guò)基于NR 的分層共享等頻譜共享技術(shù)，讓“數(shù)字紅利”頻段發(fā)揮其真正的效益。

4.1.2 毫米波頻譜共享

5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)高頻段頻譜的需求是低頻段的數(shù)倍甚至幾十倍，只能通過(guò)毫米波的大帶寬來(lái)滿足要求。根據(jù)2016年12月1日開(kāi)始實(shí)施的《中華人民共和國(guó)無(wú)線電管理?xiàng)l例》對(duì)無(wú)線電頻譜的劃分，高頻段特別是毫米波頻段，很多是政府和軍隊(duì)在使用。從全球范圍來(lái)看，也是這樣的情況。

共享建議：對(duì)毫米波的頻譜共享，需要國(guó)家層面的推進(jìn)和管控。一方面要做好政府及軍隊(duì)部門(mén)對(duì)頻譜使用情況梳理和安全影響評(píng)估，另一方面在保證安全的前提下，政府要做好該段頻譜的共享監(jiān)管。政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)是頻譜發(fā)現(xiàn)方式、門(mén)限值設(shè)定、協(xié)同合作及地理位置信息系統(tǒng)的規(guī)定，在不影響現(xiàn)有用戶使用的前提下實(shí)現(xiàn)頻譜共享，政府應(yīng)該出臺(tái)相關(guān)鼓勵(lì)政策，支持運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商投入資源對(duì)頻譜共享相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行研究。

4.2 運(yùn)營(yíng)商已授權(quán)頻譜共享建議

運(yùn)營(yíng)商已授權(quán)頻譜共享分為2個(gè)方面。

a）運(yùn)營(yíng)商之間頻譜共享，即運(yùn)營(yíng)商之間將各自分配到的5G 頻譜進(jìn)行共享。該頻譜共享可以借鑒印度政府的類似做法，允許2 家運(yùn)營(yíng)商共享服務(wù)區(qū)域內(nèi)特定頻段的頻譜，以提高頻譜利用率。5G 時(shí)代，中國(guó)不排除采用類似的做法，除了帶來(lái)頻譜的高效率使用，還帶來(lái)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投入的降低。

b）運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部的頻譜共享，即5G 頻段與4G 頻段的頻譜共享。注意這里的頻譜共享和4G 時(shí)代的頻率重耕（Refarming）是有區(qū)別的，前者是頻譜共享使用，有分時(shí)獨(dú)占共享和分頻段共享2 種情況，而后者是頻譜的獨(dú)占使用。5G 與4G 頻譜共享，可以采用LTE 與GSM 頻譜共享方案，選擇上行共享或者下行共享。在運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部進(jìn)行頻譜共享，目前已有成功商用案例。

4.3 頻譜共享面臨的挑戰(zhàn)

可用頻譜資源的缺乏、對(duì)現(xiàn)有頻譜資源的高效率利用的需求推進(jìn)頻譜共享，通信行業(yè)管理部門(mén)及運(yùn)營(yíng)商有支持頻譜共享的意愿。另一方面，頻譜資源共享技術(shù)經(jīng)過(guò)多年研究，已經(jīng)有商用案例，技術(shù)已經(jīng)不是主要問(wèn)題。但是頻譜共享面臨的挑戰(zhàn)也是顯而易見(jiàn)的，主要是在安全和監(jiān)管方面。

a）國(guó)家無(wú)線電行政管理部門(mén)對(duì)相關(guān)頻譜資源的協(xié)調(diào)、授權(quán)以及頻譜資源使用情況數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與維護(hù)。

b）軍隊(duì)使用的頻譜的使用涉及國(guó)家機(jī)密，需要做好評(píng)估及防護(hù)措施。

c）對(duì)非法使用頻譜資源問(wèn)題的解決。

5 總結(jié)與展望

采用頻譜共享技術(shù)可以獲得更多的頻率匯聚、增強(qiáng)的本地寬帶以及實(shí)現(xiàn)構(gòu)建專有的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。隨著包括人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)算法在內(nèi)的技術(shù)的不斷進(jìn)步，也將大大提升網(wǎng)絡(luò)的共享能力和效率。頻譜共享對(duì)運(yùn)營(yíng)商、制造商以及用戶都是有利的，但是因各方存在利益沖突，需要政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)和頻率使用方以及各相關(guān)組織的通力協(xié)作，政府主導(dǎo)、產(chǎn)業(yè)界支持，從而使頻譜共享早日實(shí)現(xiàn)。