頻譜共享應(yīng)用中的動態(tài)頻率規(guī)劃方案探討

張冬晨, 孟德香, 孫超

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

1 引言

頻譜共享是提高頻譜利用率、緩解局部頻譜緊張局面的重要探索，是當(dāng)前國內(nèi)外無線通信領(lǐng)域的研究熱點[1～3]。頻譜共享技術(shù)的核心思想是改變傳統(tǒng)的頻率靜態(tài)分配的使用方式，允許多個無線系統(tǒng)在不相互干擾的情況下，動態(tài)共用相同的頻率資源。頻譜共享技術(shù)的出現(xiàn)為當(dāng)前蜂窩移動通信發(fā)展的頻譜緊張局面提供了一種極為有效解決途徑。如果能夠通過頻譜共享的方式，允許蜂窩移動通信系統(tǒng)在不對授權(quán)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的前提下，動態(tài)地利用低頻率利用率的無線系統(tǒng)在業(yè)已分配的頻段上存在的空閑頻率資源，將能夠極大的提升頻譜利用率，緩解當(dāng)前移動通信系統(tǒng)頻譜資源緊缺的壓力。目前，國家通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會和多個國家重大專項課題都在積極探討未來移動通信系統(tǒng)與其他大覆蓋、低頻譜利用率的無線系統(tǒng)的頻譜共享方案，典型的共享應(yīng)用場景如我國698～806MHz頻段上的廣播系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)的頻譜共享應(yīng)用、2300～2400MHz頻段上的雷達系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)的共享應(yīng)用等[4～5]。

蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃是保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定和高效運營的根本[6～7]。傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃都是在可用頻率固定的情況下進行的，無法適應(yīng)未來這種新的頻譜共享應(yīng)用模式。因此，如何實現(xiàn)在動態(tài)頻譜環(huán)境中蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃，最大化、最優(yōu)化的利用覆蓋區(qū)域內(nèi)的動態(tài)可用頻譜資源，將是頻譜共享技術(shù)在實際蜂窩移動通信系統(tǒng)應(yīng)用中所亟需解決的關(guān)鍵問題。

2 頻譜共享應(yīng)用中的頻率規(guī)劃問題分析

移動通信系統(tǒng)與授權(quán)系統(tǒng)在共享頻段實現(xiàn)頻譜共用的前提是：移動通信系統(tǒng)的引入不能對授權(quán)系統(tǒng)造成任何有害干擾、影響授權(quán)系統(tǒng)的正常運營。這就要求移動通信系統(tǒng)可以得到共享頻段內(nèi)某些地理區(qū)域和某些時間上的空閑頻帶信息，利用這些空閑頻帶進行通信，并保證授權(quán)大覆蓋、低頻率利用率的無線系統(tǒng)的頻率使用和系統(tǒng)性能不受限制和損失。如果空閑頻帶有變化，移動通信系統(tǒng)需要進行相應(yīng)的調(diào)整，如圖1所示。

圖1 蜂窩移動通信系統(tǒng)與其他無線系統(tǒng)的頻譜共享應(yīng)用場景

頻率復(fù)用是蜂窩移動通信系統(tǒng)得以實現(xiàn)的最基本的技術(shù)手段。為了解決大區(qū)集群通信的容量瓶頸，20世紀(jì)70年代末提出的蜂窩移動通信系統(tǒng)通過空間復(fù)用頻率的思想，突破了原有的有限頻率資源對系統(tǒng)可容納最大用戶數(shù)的限制，最終使得蜂窩移動通信成為近10年來通信領(lǐng)域最熱門的方向之一。頻率復(fù)用的基本思想是降低基站的發(fā)射功率，使得小區(qū)半徑收縮，只覆蓋相對較小的一片區(qū)域，相隔若干個小區(qū)后再重復(fù)利用相同的頻率。蜂窩移動通信系統(tǒng)通過空間頻率復(fù)用，能夠有效提高頻率的使用效率和系統(tǒng)容量。

傳統(tǒng)的蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃都是基于可用頻率固定進行的，而動態(tài)頻譜共享應(yīng)用方式下，用于蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻率資源將發(fā)生動態(tài)變化，其使用頻率取決于規(guī)劃區(qū)域內(nèi)授權(quán)系統(tǒng)對該頻率的占用情況。這種可用頻率的動態(tài)變化對蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜規(guī)劃體制提出了新的挑戰(zhàn)。首先，由于在不同的地理位置上授權(quán)系統(tǒng)占用頻率的情況不同，移動通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃需要適應(yīng)不同地理位置上的這種差異。傳統(tǒng)的頻率復(fù)用規(guī)劃方式無法對差異頻譜進行統(tǒng)一復(fù)用規(guī)劃，而如果單獨對各區(qū)內(nèi)蜂窩小區(qū)的頻率規(guī)劃，又將會造成在大區(qū)覆蓋交界區(qū)域的混亂，導(dǎo)致系統(tǒng)干擾增大，網(wǎng)絡(luò)性能將會受到嚴(yán)重影響。其次，在使用周期內(nèi)，移動通信系統(tǒng)可用頻譜在時間上動態(tài)變化，靜態(tài)頻率規(guī)劃方法無法響應(yīng)這種變化，將造成共享系統(tǒng)間的強烈干擾，導(dǎo)致無法通信。

3 動態(tài)頻率規(guī)劃方案研究

3.1 動態(tài)可用頻率獲取

蜂窩移動通信系統(tǒng)動態(tài)頻率規(guī)劃的前提是在共享覆蓋區(qū)域?qū)崟r獲知可用的“空閑”頻率信息。可用頻率獲取需要通過空口的頻譜檢測來實現(xiàn)，同時，為了進一步確保對授權(quán)系統(tǒng)的保護，還可以設(shè)立系統(tǒng)間的聯(lián)合頻譜信息數(shù)據(jù)庫庫進行管理，如圖2所示。

圖2 共享頻譜獲取方式

空口頻譜檢測不需要授權(quán)系統(tǒng)主動提供頻率占用情況的信息，通過有效的頻譜檢測方法，對所處區(qū)域的頻率占用情況，功率和干擾值大小等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。在部署方式上，根據(jù)實際授權(quán)系統(tǒng)覆蓋情況的不同，蜂窩移動通信系統(tǒng)可以采用嵌入基站側(cè)或者在多個小區(qū)共用獨立檢測實體的部署方式。單基站檢測節(jié)點的部署方式適合于授權(quán)系統(tǒng)單小區(qū)發(fā)射功率較低且移動小區(qū)半徑較大的場景，而多個蜂窩小區(qū)共用獨立檢測節(jié)點的部署方式適合授權(quán)系統(tǒng)大覆蓋范圍或蜂窩小區(qū)半徑較小的場景，此時，多個聯(lián)合蜂窩小區(qū)的可用頻譜基本一致。由于當(dāng)前的頻譜檢測技術(shù)都不可避免的存在漏檢和錯判概率，錯誤的檢測結(jié)果會造成對共享系統(tǒng)間的干擾，因此，共享系統(tǒng)間還可以進一步增設(shè)聯(lián)合頻譜信息數(shù)據(jù)庫，授權(quán)系統(tǒng)將頻率占用和調(diào)整的信息提供給集中控制的頻譜數(shù)據(jù)庫，蜂窩移動通信系統(tǒng)實時讀取這些信息，從而精確的判斷并指導(dǎo)本系統(tǒng)的頻譜使用。

3.2 動態(tài)頻率規(guī)劃

適應(yīng)頻譜動態(tài)變化的頻率規(guī)劃是蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)共享應(yīng)用的關(guān)鍵。本節(jié)我們基于蜂窩小區(qū)的業(yè)務(wù)量和頻譜可用度優(yōu)先級，并綜合考慮工程應(yīng)用的規(guī)劃復(fù)雜性，提出一種適應(yīng)頻率動態(tài)變化的頻率規(guī)劃方案。動態(tài)頻率規(guī)劃的算法流程如圖3所示。整個規(guī)劃方案可以分為兩個階段：載波預(yù)規(guī)劃與載波動態(tài)調(diào)整階段。其中第一階段主要完成可用頻譜在地理分布上發(fā)生變化情況的規(guī)劃，第二階段則主要處理可用頻譜在時間上的動態(tài)變化問題。

圖3 蜂窩移動通信系統(tǒng)動態(tài)頻率規(guī)劃的實施步驟

3.2.1 載波預(yù)規(guī)劃算法

3.2.1.1 規(guī)劃區(qū)域空閑載波統(tǒng)計

根據(jù)長期檢測統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)合聯(lián)合頻譜信息數(shù)據(jù)庫，獲取授權(quán)系統(tǒng)在不同時間段及不同覆蓋區(qū)域的頻譜使用分布情況及空閑概率。

3.2.1.2 可用載波的確定與分類

根據(jù)先驗統(tǒng)計頻段信息，確定規(guī)劃區(qū)域內(nèi)不同地理位置的基站的可用載波，并進行載波分類?？捎幂d波的分類需要根據(jù)具體共享系統(tǒng)的干擾門限指標(biāo)進行。表1給出了一組針對TD-LTE系統(tǒng)在698～806MHz頻段與廣播系統(tǒng)共享應(yīng)用的載波類別設(shè)定。

表1 TD-LTE系統(tǒng)在698～806MHz頻段與廣播系統(tǒng)共享應(yīng)用的載波類別設(shè)定

3.2.1.3 確定移動通信系統(tǒng)載波復(fù)用簇

根據(jù)蜂窩移動通信系統(tǒng)性能，確定頻率復(fù)用規(guī)劃簇的大小，簇的大小可為1個或多個基站或1個扇區(qū)。由于授權(quán)系統(tǒng)信號分布差異，移動通信系統(tǒng)在規(guī)劃區(qū)域內(nèi)可用載波將存在差異，所以這里的簇與傳統(tǒng)意義上移動通信系統(tǒng)的復(fù)用規(guī)劃簇有一定差別。傳統(tǒng)意義上移動通信系統(tǒng)各簇之間載波分配及使用方式相同；但在共享應(yīng)用情況下，蜂窩移動通信系統(tǒng)內(nèi)各個簇的可用載波將會出現(xiàn)一定的不同。

3.2.1.4 可用載波預(yù)規(guī)劃

首先對已分類可用載波按類別分別設(shè)定權(quán)值。權(quán)值設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)性能的具體需求而定，一般而言，A類載波在各扇區(qū)均衡性是最重要的規(guī)劃指標(biāo)。然后完成調(diào)用優(yōu)先級排序，對共享頻段的所有可用載波進行統(tǒng)一編號，對不同規(guī)劃簇相同編號的載波按所屬分類進行權(quán)值求和，得到此編號載波在總規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的全局權(quán)重，并按全局權(quán)重對所有可用載波進行優(yōu)先級排序。最后進行各扇區(qū)載波分配，將所有排序后載波按照一定的順序分配到各個扇區(qū)中，確定在整個規(guī)劃區(qū)域內(nèi)載波預(yù)規(guī)劃模板。在實際應(yīng)用中可根據(jù)不同移動通信系統(tǒng)的情況使用不同的分配規(guī)則，如：選擇按載波優(yōu)先級從高到低以順時針依次分配，直到所有可用載波分配完為止。

3.2.1.5 簇內(nèi)載波調(diào)整

可用載波的預(yù)規(guī)劃模板包含了共享頻段上移動通信系統(tǒng)的所有可用載波，但由于不同位置授權(quán)系統(tǒng)對載波占用情況不同，移動通信系統(tǒng)各個規(guī)劃簇的可用載波還存在一定的差別，因此需在具體扇區(qū)中對載波分配進行調(diào)整并確定各扇區(qū)內(nèi)載波的使用優(yōu)先級。在實現(xiàn)上，首先刪除各扇區(qū)D類載波，然后從A到C設(shè)置調(diào)用優(yōu)先級。其中，采用扇區(qū)間A、B類載波個數(shù)相差≥2的鄰扇區(qū)借調(diào)機制，避免調(diào)整過程中出現(xiàn)少數(shù)扇區(qū)高優(yōu)先級載波數(shù)量分配不均衡的現(xiàn)象。

3.2.2 載波動態(tài)調(diào)整算法

針對授權(quán)系統(tǒng)使用頻率的時間可變性，需要及時響應(yīng)并對規(guī)劃進行動態(tài)調(diào)整。

3.2.2.1 授權(quán)系統(tǒng)載波占用調(diào)整

在遇到授權(quán)系統(tǒng)突發(fā)占用某些可用載波時，啟動占用調(diào)整處理：對正在使用這些載波的小區(qū)立即切換到本小區(qū)其他可用載波上；在授權(quán)系統(tǒng)頻率占用區(qū)域內(nèi)，將移動通信系統(tǒng)中已標(biāo)記的這些載波從可用載波集中刪除；根據(jù)各個規(guī)劃簇內(nèi)的用戶業(yè)務(wù)量及QoS需求判斷是否需要觸發(fā)鄰扇區(qū)載波借調(diào)機制；更新該頻帶內(nèi)載波的統(tǒng)計信息，包括占用概率、信號強度分布等統(tǒng)計信息，并判定是否需要進行載波類別調(diào)整。

3.2.2.2 授權(quán)系統(tǒng)載波空閑調(diào)整

當(dāng)授權(quán)系統(tǒng)的某一工作載波由占用變?yōu)榭臻e時，啟動空閑調(diào)整處理：更新該頻帶內(nèi)載波的統(tǒng)計信息，包括占用概率、信號強度分布等統(tǒng)計信息，并判定是否需要進行載波使用優(yōu)先級調(diào)整；當(dāng)檢測到授權(quán)系統(tǒng)退出對某一頻率的占用，首先將該頻率加入可用載波集中，并置為最低使用優(yōu)先級，根據(jù)扇區(qū)業(yè)務(wù)負(fù)載情況進行分配；隨著檢測周期的推移調(diào)整空閑載波使用優(yōu)先級，根據(jù)使用優(yōu)先級調(diào)整載波調(diào)用次序。

3.2.2.3 載波優(yōu)先級及規(guī)劃調(diào)整更新

根據(jù)共享頻帶內(nèi)載波的統(tǒng)計信息結(jié)果，當(dāng)整個規(guī)劃區(qū)域內(nèi)多個可用載波類型發(fā)生了變化且在一段較長時間內(nèi)穩(wěn)定不變時，重復(fù)上述規(guī)劃對規(guī)劃區(qū)域內(nèi)可用載波進行優(yōu)先級重置及規(guī)劃調(diào)整。需要注意的是，當(dāng)授權(quán)系統(tǒng)使用頻率變化較慢時，這一更新過程可以相對較慢，更新周期取決于服務(wù)提供商對是否進行全網(wǎng)重新規(guī)劃的判斷。

4 仿真分析

本節(jié)我們基于獨立開發(fā)的頻譜共享系統(tǒng)級仿真平臺，以我國698～806MHz頻段的低頻率利用率、大覆蓋范圍的廣播系統(tǒng)與TD-LTE系統(tǒng)的實際共享應(yīng)用為例，對本文所提的蜂窩移動通信系統(tǒng)動態(tài)頻率規(guī)劃方案的性能進行了仿真驗證。重點分析了以下兩種情況的移動通信系統(tǒng)性能：

不同廣播覆蓋區(qū)域的TD-LTE系統(tǒng)動態(tài)頻譜規(guī)劃的組網(wǎng)性能；

同區(qū)域廣播占用頻率動態(tài)變化時，TD-LTE系統(tǒng)的動態(tài)頻譜規(guī)劃調(diào)整及網(wǎng)絡(luò)性能。

4.1 不同地理區(qū)域的共享頻譜情況

假設(shè)在一個城市區(qū)域內(nèi)，三個廣播電視塔使用了698～806MHz頻段內(nèi)的部分信道，如圖4的規(guī)劃界面所示，1號站使用該頻段內(nèi)的第一個8MHz信道（載波編號1），2號臺站使用2號信道，3號廣播臺站使用4號信道。假設(shè)廣播塔發(fā)射功率均為100kW， TD-LTE系統(tǒng)在相同區(qū)域利用該頻段其他可用廣播信道進行動態(tài)組網(wǎng)應(yīng)用。

圖4給出了在以圓圈中心為中點的區(qū)域TD-LTE系統(tǒng)（以一個基站為規(guī)劃簇）的可用頻率規(guī)劃結(jié)果。從左到右的仿真結(jié)果顯示：（1）根據(jù)移動基站在廣播覆蓋區(qū)域內(nèi)的干擾測量結(jié)果，廣播系統(tǒng)的使用信道及其相應(yīng)的鄰頻信道由于干擾超過使用門限，均被從動態(tài)規(guī)劃模板中剔除，不能為TD-LTE系統(tǒng)使用。該頻段的其他可用信道（如編號7～12信道）則可以按規(guī)則進行組網(wǎng)應(yīng)用。（2）當(dāng)所考察的TD-LTE系統(tǒng)規(guī)劃區(qū)域處于廣播塔覆蓋半徑外較遠(yuǎn)的地理位置時，廣播信號干擾已低于不能使用的門限值，但相比其他可用載頻其同頻干擾依然較大，即處于C、D類載波。根據(jù)規(guī)劃算法，其各扇區(qū)可使用的同頻載波（如1、2和3號載波）均被規(guī)劃在相應(yīng)的扇區(qū)最低優(yōu)先級位置，供各扇區(qū)在高負(fù)載情況下使用。（3）當(dāng)所考察的規(guī)劃區(qū)域在更遠(yuǎn)的地理位置，同頻載波干擾可以被忽略，即同處于A或B類載波。此時所有載波均可以使用且優(yōu)先級按載波號從小到大排列，達到該頻段的最高頻率利用率。

圖4 廣播基站占用情況和TD-LTE系統(tǒng)動態(tài)頻率規(guī)劃結(jié)果

圖5 不同地理位置的TD-LTE系統(tǒng)性能仿真

圖5給出了在以上3種不同地理區(qū)域TD-LTE系統(tǒng)基于動態(tài)頻率規(guī)劃組網(wǎng)的性能。從仿真結(jié)果中可以看到：隨著TD-LTE系統(tǒng)逐漸遠(yuǎn)離廣播覆蓋區(qū)域，可用載波增加導(dǎo)致系統(tǒng)相對吞吐量由0.61逐漸增加到1（系統(tǒng)相對吞吐量指實際系統(tǒng)吞吐量與使用全部頻率且無干擾情況下系統(tǒng)吞吐量的比值）；系統(tǒng)SINR的CDF曲線較為集中（0～15dB左右），約50%的用戶SINR>10dB，系統(tǒng)IoT指標(biāo)也控制在一個理想的水平內(nèi)。這說明基于動態(tài)頻率規(guī)劃的TD-LTE系統(tǒng)在不同地理位置均能夠達到穩(wěn)定的共享應(yīng)用性能。值得注意的是，相比其他地理位置，地理位置2的SINR相對較差，IoT干擾指標(biāo)也較大且在上端有一定波動，這是因為當(dāng)處于廣播覆蓋范圍外不遠(yuǎn)處，干擾較大的D類載波將參與規(guī)劃，D類載波的使用雖然提高了整體吞吐量，但其載波干擾也會相對較大。因此，根據(jù)動態(tài)頻率規(guī)劃的調(diào)度規(guī)則，各小區(qū)應(yīng)在負(fù)載較重時才選擇使用低優(yōu)先級的D類載波。

4.2 頻率隨時間變化的共享情況

本節(jié)重點分析了TD-LTE系統(tǒng)在相同區(qū)域，廣播系統(tǒng)頻率動態(tài)變化情況下的規(guī)劃調(diào)整結(jié)果及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)性能仿真。廣播頻率初始占用及部署與上一小節(jié)相同，但在不同時間將臨時占用和空閑所使用的頻率，以圓圈為中點的區(qū)域TD-LTE系統(tǒng)的動態(tài)頻率規(guī)劃結(jié)果從左到右如圖6所示。規(guī)劃結(jié)果顯示：（1）初始情況下，TD-LTE系統(tǒng)處于廣播發(fā)射塔的4號載波同頻覆蓋范圍內(nèi)，因此，4號載頻由于干擾超過保護門限而被剔除，而1號和2號載頻雖然可以使用，但由于存在干擾，被規(guī)劃為該扇區(qū)中較低的優(yōu)先級。（2）當(dāng)廣播系統(tǒng)臨時增加使用12號載頻的發(fā)射塔時，TD-LTE系統(tǒng)動態(tài)避讓了該載波頻率，并由于鄰頻干擾超過保護門限，及時剔除了第一和第二鄰頻以提供對廣播系統(tǒng)的有效保護，其他載波類別和排序保持不變。（3）當(dāng)?shù)谌龔V播塔停止使用698～806MHz頻段上的4號載波時，由于檢測到4號載波剛剛空閑，根據(jù)規(guī)則，4號載波被及時按預(yù)規(guī)劃模板調(diào)整到相應(yīng)扇區(qū)，作為最低優(yōu)先級使用。

TD-LTE系統(tǒng)經(jīng)過上述3種動態(tài)頻譜調(diào)整后的整體性能如圖7所示。由于TD-LTE系統(tǒng)規(guī)劃的可用載波數(shù)隨著廣播系統(tǒng)的頻率變化而變化，不同時刻TDLTE系統(tǒng)的總?cè)萘繒l(fā)生一定的變化，但三種動態(tài)調(diào)整后的網(wǎng)絡(luò)SINR及IoT分布均能保持一致，且處于理想的性能水平，這說明經(jīng)過動態(tài)頻率規(guī)劃的TD-LTE系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)變化的頻譜環(huán)境，在保證對授權(quán)廣播系統(tǒng)的保護同時，保證了自身的網(wǎng)絡(luò)性能達到基本類似的水平，實現(xiàn)了動態(tài)共享應(yīng)用。

5 結(jié)論

圖6 廣播基站隨時間的頻率占用情況和TD-LTE系統(tǒng)動態(tài)頻率規(guī)劃結(jié)果

蜂窩移動通信系統(tǒng)與其他大覆蓋、低頻譜利用率的無線系統(tǒng)的頻譜共享應(yīng)用具有巨大的應(yīng)用價值和市場前景。本文在充分考慮共享應(yīng)用場景的頻譜資源時變特性和蜂窩移動通信系統(tǒng)頻率復(fù)用技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，提出了適應(yīng)頻譜動態(tài)變化的動態(tài)頻率規(guī)劃技術(shù)，有效解決了頻譜共享在移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用的核心問題，為未來頻譜共享蜂窩無線通信系統(tǒng)的實際大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖7 不同時刻的TD-LTE系統(tǒng)性能仿真

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