動態(tài)頻譜管理的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)對策略分析

姚富強(qiáng) 張建照 柳永祥 趙杭生

(南京電訊技術(shù)研究所，江蘇 南京 210007)

引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，廣播電視、移動通信、射頻識別、遠(yuǎn)程監(jiān)控等無線電應(yīng)用日益廣泛.在現(xiàn)有無線業(yè)務(wù)用戶數(shù)量快速增長的同時，新的無線通信技術(shù)和服務(wù)不斷出現(xiàn)，頻譜需求迅猛增長，頻譜成為一種制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源.傳統(tǒng)的頻譜管理采用固定的頻譜分配模式[1]：將大部分頻段作為授權(quán)頻段，讓授權(quán)用戶在給定區(qū)域內(nèi)對該頻段具有長期的絕對排他使用權(quán)；同時，保留一些非授權(quán)頻段允許非授權(quán)競爭使用，例如各國通用的2.4 GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用(Industrial，Scientific and Medical，ISM)頻段.

根據(jù)2003年美國國家電信與信息管理局公布的頻譜分配圖，目前可分配的授權(quán)頻段已經(jīng)面臨枯竭[2]，而在非授權(quán)ISM頻段，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量快速增長，頻段越來越擁擠.在頻譜資源稀缺問題日益突出的同時，大量相關(guān)機(jī)構(gòu)的測量結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，已分配頻段的利用率并不高，3 GHz以下頻段的利用率不足30%[3-4].這說明頻譜稀缺并非完全由于資源本身的缺乏，已分配的頻譜實(shí)際上并未被充分利用.因此，新的無線通信技術(shù)和無線業(yè)務(wù)面臨的頻譜稀缺問題和已分配頻段低利用率的局面共存.

傳統(tǒng)的提高頻譜利用率的方法是研究提高信源編碼、信道編碼和調(diào)制解調(diào)效率的通信技術(shù).然而，這些傳統(tǒng)技術(shù)在頻譜利用率上的提高難以滿足呈指數(shù)增長的頻譜需求.基于軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，Joseph Mitola博士于1999年提出了認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)[5]技術(shù).CR能夠感知頻譜環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實(shí)時改變功率、載頻、調(diào)制方式、傳輸速率等工作參數(shù)，伺機(jī)接入當(dāng)前空閑頻譜，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜接入.這種動態(tài)、智能利用頻譜的能力，為提高頻譜利用率、解決頻譜資源稀缺提供了一種有效的途徑.

與之相適應(yīng)，需要研究能高效利用頻譜的動態(tài)頻譜管理技術(shù)，其基本思想是在遵循頻譜資源規(guī)劃的條件下，基于不同區(qū)域、不同時間和不同的頻譜需求，動態(tài)地分配頻譜，實(shí)現(xiàn)頻譜使用與需求的動態(tài)最優(yōu)搭配，從而達(dá)到頻譜資源的高效利用，具有較強(qiáng)的實(shí)時性、靈活性，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的頻譜資源動態(tài)優(yōu)化[6].然而，要實(shí)現(xiàn)以上目的，需要管理和用頻兩個方面的有效配合，而不僅僅是管理，或者說高效頻譜利用包含動態(tài)頻譜管理和動態(tài)頻譜使用兩個方面.

為了推動動態(tài)頻譜管理的應(yīng)用，需要對動態(tài)頻譜接入技術(shù)、頻譜管理框架、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)等多方面進(jìn)行深入的研究.本文首先介紹基于CR的動態(tài)頻譜接入的關(guān)鍵技術(shù)，然后全面梳理國內(nèi)外動態(tài)頻譜管理領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)動態(tài)頻譜管理的發(fā)展趨勢，并就應(yīng)對策略進(jìn)行了探討.

1 動態(tài)頻譜接入技術(shù)

1.1 基于CR實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜接入的關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)無線電相比，CR具備兩大基本功能：認(rèn)知功能和重配置功能.認(rèn)知功能指獲取或感知無線環(huán)境信息的能力；重配置功能是指根據(jù)無線環(huán)境的變化，在不改變硬件的情況下調(diào)整工作參數(shù)的能力.基于這兩大功能，認(rèn)知用戶(Secondary User，SU)可以感知空閑頻段，并在不影響該頻段授權(quán)用戶(Primary User，PU)的情況下，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的動態(tài)利用，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括[7]：

1) 頻譜感知：通過分析感興趣的頻段，找出可以被利用的頻譜資源.單節(jié)點(diǎn)頻譜感知由于陰影、多徑等不利影響，性能難以滿足要求且開銷較大，目前主要研究方向?yàn)槎喙?jié)點(diǎn)協(xié)作感知[8-11].

2) 頻譜決策：在獲得可用頻譜信息的基礎(chǔ)上分析頻譜特征，決策選取合適的頻段/點(diǎn)，滿足SU傳輸?shù)腝oS需求.頻譜決策的研究主要優(yōu)化公平性、通信開銷以及切換次數(shù)等指標(biāo)[12-13].

3) 頻譜共享：主要解決多個用戶之間不沖突地選擇頻譜以最大化頻譜利用率的問題.頻譜共享需要同時考慮公平性和高效性，采用動態(tài)頻譜分配算法.

4) 頻譜切換：SU在當(dāng)前使用的信道感知到PU出現(xiàn)或者信道質(zhì)量嚴(yán)重下降時，切換到其他可用信道上繼續(xù)通信.切換時要求快速、平穩(wěn)執(zhí)行，保證PU不受干擾，并且對SU的性能影響最小.

以上動態(tài)頻譜接入的技術(shù)及進(jìn)程是在動態(tài)頻譜管理政策和規(guī)范前提下，由具備CR功能的無線用戶實(shí)現(xiàn).

1.2 頻譜接入方式的轉(zhuǎn)變

以CR為代表的動態(tài)頻譜接入技術(shù)的出現(xiàn)，推動了頻譜接入方式的變革.

美國國防部提出了基于網(wǎng)絡(luò)中心的頻譜管理為目標(biāo)的國防頻譜管理架構(gòu)，根據(jù)對任務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保證能力，將頻譜接入分為靜態(tài)頻譜接入(Static Spectrum Access，SSA)、協(xié)作頻譜接入(Coordinated Spectrum Access，CSA)和伺機(jī)頻譜接入(Opportunistic Spectrum Access，OSA)[14]三種方式.SSA工作在固定接入頻段，保證授權(quán)業(yè)務(wù)對頻譜使用的最高優(yōu)先級；CSA工作在協(xié)作接入頻段，共用該頻段的用戶相互協(xié)調(diào)以滿足各自的用頻需求；OSA工作在自治接入頻段，終端競爭接入頻譜，對任務(wù)的QoS提供盡力而為(Best Effort)的服務(wù).三種接入方式的靈活性比較如圖1所示[15]，當(dāng)前的SSA方式靈活性最差，CSA和OSA方式靈活性依次提高.

CSA的一般形式是具有一個中心代理，在各個網(wǎng)絡(luò)之間、終端之間，或網(wǎng)絡(luò)和終端之間，根據(jù)動態(tài)變化的頻譜需求協(xié)作接入頻譜.基于CSA的動態(tài)頻譜管理的典型網(wǎng)絡(luò)是泛在移動網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)智能頻譜管理項目(the Dynamic Intelligent Management of Spectrum for Ubiquitous Mobile Network, DIMSUMNet)[16]提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu).該架構(gòu)在每個區(qū)域內(nèi)由一個頻譜信息和管理經(jīng)紀(jì)人掌握所有頻段的頻率范圍、時間、空間、信號和功率等信息，并根據(jù)基站的請求進(jìn)行頻譜的動態(tài)分配.動態(tài)頻譜分配的目標(biāo)是根據(jù)用戶的優(yōu)先級、QoS等要求，公平、高效、快速地分配一定數(shù)量的頻譜資源，使系統(tǒng)性能得到改善或者逼近最優(yōu)狀態(tài).由于動態(tài)頻譜分配屬于非確定多項式(Non-Deterministic Polynomial,NP)(Non-deterministic Polynomial,NP)問題，尋找次優(yōu)解的貪婪算法是主要的研究方向[17-20].

圖1 頻譜接入方式的演變

比CSA更為靈活的頻譜接入方式是不依靠基礎(chǔ)設(shè)施的OSA方式.OSA最早由DARPA資助的下一代無線通信計劃(neXt Generation，XG)項目提出，定義為：“設(shè)備終端首先感知其希望接入的頻譜，辨識頻譜是否為PU所用；基于這一信息，如果頻譜政策允許其使用，則設(shè)備標(biāo)識其為頻譜時機(jī)(時域、頻域或碼域)，然后在滿足PU設(shè)定的干擾限制的前提下接入頻譜進(jìn)行傳輸”.OSA方式利用CR的感知和學(xué)習(xí)能力獲得可用頻譜空洞并接入使用，不依靠基礎(chǔ)設(shè)施，可以更加靈活、快捷地接入頻譜，采用分布式?jīng)Q策，計算開銷比CSA小.對OSA方式動態(tài)頻譜利用的研究，主要關(guān)注在分布式架構(gòu)下，SU節(jié)點(diǎn)單獨(dú)或者與鄰居用戶節(jié)點(diǎn)合作進(jìn)行頻譜接入的優(yōu)化問題，主要的研究方向是基于博弈論的優(yōu)化算法[21-23].

以上頻譜接入方式均是由管理和無線用戶雙方共同完成的.

2 國內(nèi)外動態(tài)頻譜管理技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢

2.1 美國的相關(guān)研究

聯(lián)邦通訊委員會(Federal Communications Commission,FCC)于2003年公布了《使用認(rèn)知無線電促進(jìn)頻譜利用的通知》[24]，成立頻譜政策任務(wù)工作組.2004年5月，F(xiàn)CC發(fā)布建議允許在不影響PU業(yè)務(wù)的前提下通過CR技術(shù)使用廣播電視頻段中的空閑頻譜資源[25].2005年10月，F(xiàn)CC正式批準(zhǔn)引入CR技術(shù)和使用CR設(shè)備的法規(guī)[26].2008年11月，F(xiàn)CC允許免許可設(shè)備接入電視頻帶(54～72 MHz)，(76～88 MHz)，(174～216 MHz)，(470～806 MHz)和(614～698 MHz)中的空閑可用信道[27].

美國國家自然科學(xué)基金委員會(National Science Foundation,NSF)于2009年3月召集FCC、DARPA等頻譜管理機(jī)構(gòu)和從事CR研究的知名大學(xué)在Arlington召開了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)論壇，探討認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)研究中的重要問題，提出了近期動態(tài)頻譜管理和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)研究的路線圖，建議NSF建立重大的項目群資助相關(guān)技術(shù)的研究，促進(jìn)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模安全應(yīng)用[28].

美國全球電磁頻譜信息系統(tǒng)(Global Electro Magnetic Spectrum Information System, GEMSIS)[29]是由國防頻譜組織(Defense Spectrum Organization,DSO)于2006年提出的長期頻譜轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略規(guī)劃.該系統(tǒng)將在國防部范圍內(nèi)提供一體化頻譜應(yīng)用能力，與聯(lián)邦、州和地方政府頻譜管理局和盟軍部隊實(shí)現(xiàn)互操作.根據(jù)該戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型目標(biāo)，將把頻譜管理從目前的預(yù)先規(guī)劃和靜態(tài)分配的策略轉(zhuǎn)型為自動、自適應(yīng)的頻譜應(yīng)用，使無線設(shè)備能把頻譜和網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)相結(jié)合，提高頻譜使用的效率、靈活性和共享能力.國防頻譜管理體系結(jié)構(gòu)草案V3.0給出了頻譜管理轉(zhuǎn)型計劃的進(jìn)程，頻譜管理模式從當(dāng)前的靜態(tài)頻譜管理轉(zhuǎn)為認(rèn)知自同步頻譜使用并最終實(shí)現(xiàn)隨時隨地的頻譜接入，共分為5個階段，預(yù)計到2020年以后才能實(shí)現(xiàn)，如圖2所示[30].

DARPA資助的XG計劃目標(biāo)是使美軍通信設(shè)備可以檢測環(huán)境變化，并根據(jù)所處環(huán)境的頻譜管理政策選擇頻譜，主要研究通過靈活的頻譜政策實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜管理的框架[31-32].XG網(wǎng)絡(luò)可以工作在多個授權(quán)頻段以及非授權(quán)頻段，與工作在相應(yīng)頻段的主網(wǎng)絡(luò)(Primary Networks)共存，其架構(gòu)如圖3所示[33]，有三種不同的接入方式：Ad Hoc方式，利用XG基站的集中式接入，以及在一定條件下通過授權(quán)網(wǎng)絡(luò)基站接入.其中，利用XG基站進(jìn)行集中式接入時，可以通過頻譜代理(Spectrum Broker)協(xié)調(diào)不同網(wǎng)絡(luò)之間的頻譜共享，實(shí)現(xiàn)多個XG網(wǎng)絡(luò)的共存.2006年8月SSC公司和DARPA在弗吉尼亞州的堡馬士基山進(jìn)行了XG網(wǎng)絡(luò)實(shí)測，測試結(jié)果表明XG系統(tǒng)在對PU干擾限制、動態(tài)頻譜接入范圍、網(wǎng)絡(luò)接入時間等關(guān)鍵指標(biāo)上達(dá)到了設(shè)計要求[34].

圖2 GEMSIS頻譜管理轉(zhuǎn)型計劃進(jìn)程

圖3 DARPA XG網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在XG項目研究的基礎(chǔ)上，DARPA于2008年啟動了下一步無線網(wǎng)絡(luò)計劃(Wireless Network after Next，WNaN)，目的是為未來戰(zhàn)術(shù)通信提供可負(fù)擔(dān)、可靠和具有自組織能力的無線網(wǎng)絡(luò)[35].WNaN將動態(tài)頻譜接入技術(shù)和容斷網(wǎng)絡(luò)(Disruption Tolerant Networking，DTN)[36]技術(shù)集成到MANET中，使得無線終端可以在900 MHz～6 GHz范圍內(nèi)動態(tài)選擇信道，實(shí)現(xiàn)90 kbps～2 Mbps的數(shù)據(jù)速率.WNaN網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)頻譜接入架構(gòu)如圖4所示[37].網(wǎng)絡(luò)為用戶提供基于任務(wù)的拓?fù)?、頻譜規(guī)劃，提供鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(傳統(tǒng)連通網(wǎng)絡(luò)模式)和存儲轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議(DTN模式)兩種路由方式；無線電設(shè)備判斷頻譜質(zhì)量，并在不影響(QoS)的情況下自動選擇最佳的頻譜及其接入技術(shù)；鏈路控制功能為無線設(shè)備提供鏈路狀態(tài)和鄰居節(jié)點(diǎn)等信息.WNaN項目組于2010年6月和9月成功進(jìn)行了由52個和100個手持移動終端組成的驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的演示實(shí)驗(yàn)[38].

圖4 WNaN的動態(tài)頻譜接入功能

由于感知、分析可用頻譜信息需要的開銷很大，維吉尼亞工學(xué)院研究無線電環(huán)境地圖(Radio Environment Map，REM)[39]為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)提供外部支持.REM通過對地理特征、監(jiān)管制度、政策、無線設(shè)備功能及該區(qū)域用頻經(jīng)驗(yàn)等現(xiàn)實(shí)無線電環(huán)境特征的抽象描述，組成一個綜合的空時數(shù)據(jù)庫，如圖5所示[1].基于REM可以支持用戶設(shè)備的認(rèn)知功能，如情景意識、推理、學(xué)習(xí)和計劃能力等.CR的認(rèn)知功能可以從觀測全局或本地REM獲得；推理和學(xué)習(xí)可以通過過去的經(jīng)驗(yàn)和觀測結(jié)果進(jìn)行學(xué)習(xí)；做出決策、計劃和調(diào)整后及時更新REM，以利于未來的優(yōu)化決策.REM的構(gòu)建和使用可以使認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的性能得以大幅改進(jìn)，同時也可以協(xié)助動態(tài)頻譜管理政策的分發(fā)和實(shí)現(xiàn)，成為動態(tài)頻譜管理研究的重要內(nèi)容.DARPA資助的自適應(yīng)增強(qiáng)無線小組項目(Adaptive Cognition Enhanced Radio Teams,ACERT)研究了使用REM支持以建立分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的方案[40].

圖5 REM示意圖

此外，加利福尼亞大學(xué)Broderson教授的研究組提出一種基于CR的虛擬非授權(quán)頻譜使用系統(tǒng)(Cognitive Radio Approach for Virtual Unlicensed Spectrum,CORVUS)[41]；Rutgers大學(xué)、Kansas大學(xué)、Blossom Inc等聯(lián)合研究設(shè)計了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)(CogNet)[42]；微軟亞洲研究院資助了Nautilus項目.這些項目的研究，使得基于CR的動態(tài)頻譜管理網(wǎng)絡(luò)逐步從理論向?qū)嵱眠~進(jìn).

2.2 歐洲的相關(guān)研究

歐洲對動態(tài)頻譜管理的研究重點(diǎn)是以移動蜂窩網(wǎng)為核心的頻譜共享.歐盟委員會2005年發(fā)布“歐盟未來無線電頻譜政策——第二個年度報告”，開始規(guī)劃使用CR實(shí)現(xiàn)靈活的頻譜使用.2009年歐盟下屬的無線頻譜政策研究組提交了對CR的研究報告和相關(guān)政策建議.

歐盟第六框架計劃(FP6)支持了多項CR相關(guān)項目.其中，SPORTVIEWS項目[43]詳細(xì)規(guī)劃了頻譜管理從當(dāng)前的命令/控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鹘尤氲摹癈alifornia Dream”模式需要經(jīng)歷的九個階段.E2R項目致力于研究異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中端到端重配置能力及網(wǎng)絡(luò)的頻譜管理方式.E2RII項目提出了靈活頻譜管理(Flexible Spectrum Management, FSM)的概念[44]，研究轉(zhuǎn)讓頻譜使用權(quán)和動態(tài)改變頻譜使用方式的過程和新技術(shù)，以最大程度地發(fā)揮認(rèn)知和可重配置終端的優(yōu)勢.E2RII項目預(yù)計頻譜利用從當(dāng)前“Command & Control”模式推進(jìn)到FSM模式的政策轉(zhuǎn)變到2016年實(shí)現(xiàn)，而相關(guān)授權(quán)頻段轉(zhuǎn)入靈活運(yùn)用可能需要到這些授權(quán)過期才能實(shí)現(xiàn)[45].

第七框架計劃(FP7)的E3項目[46]研究面向下一代移動通信的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)，側(cè)重于增加新的實(shí)體或服務(wù)完成對運(yùn)營商間、RAT間、網(wǎng)絡(luò)間和終端之間的無線資源分配與協(xié)調(diào)，以提高頻譜的利用效率.項目采用面向服務(wù)的架構(gòu)，提出動態(tài)頻譜管理(Dynamic Spectrum Management,DSM)服務(wù)和動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)計劃和管理服務(wù)(Dynamic Self-organized Network Planning and Management service,DSNPM)的概念.DSM對不同無線系統(tǒng)進(jìn)行中長期(以小時、天為單位)頻譜管理規(guī)劃與協(xié)調(diào)，提供頻率、價格和租借時間等信息并推理得到頻譜租借建議、交易意向以及提供頻譜使用特許權(quán)等.DSNPM則根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)政策、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及服務(wù)的業(yè)務(wù)特性，提供無線資源的預(yù)約、分配和釋放等服務(wù)[47].

此外，德國Karlsruhe大學(xué)通信工程研究所提出了基于正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)進(jìn)行集中式動態(tài)頻譜接入的頻譜池系統(tǒng)；法國Thales Communications公司的城區(qū)無線電通信規(guī)劃項目(Urban planning for Radio Communication,URC)[48]研究較小時間粒度的數(shù)字簽名算法(Digital Signature Algorithm,DSA)算法以提高頻譜利用率；愛爾蘭都柏林Trinity學(xué)院根據(jù)動態(tài)頻譜接入的特點(diǎn)，提出了頻譜管理主體間的生存模型[49]；Simon Dealer比較了認(rèn)知導(dǎo)頻信道(Cognitive Pilot Channel,CPC)模式和數(shù)據(jù)庫訪問模式獲取頻譜管理服務(wù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了CPC和數(shù)據(jù)庫聯(lián)合的方式獲取頻譜管理服務(wù)的觀點(diǎn)[50].

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

國際組織和行業(yè)聯(lián)盟也積極推進(jìn)動態(tài)頻譜管理的相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)制定[51].

ITU-R 1B完成了認(rèn)知無線電系統(tǒng)(Cognitive Radio Systems,CRS)的定義，提出了軟件定義的無線電(Software Definition Radio,SDR)和CRS的應(yīng)用場景，并考慮了兩者的相關(guān)性和現(xiàn)有無線電法規(guī)的影響.在2010年5月的ITU-R WP 5A會議上，陸地移動業(yè)務(wù)中的CRS報告取得了突破性進(jìn)展，提交的“移動業(yè)務(wù)中的認(rèn)知無線電系統(tǒng)”是目前為止ITU-R第一個關(guān)于CR技術(shù)的報告書.該報告書定義和描述了在陸上移動通信服務(wù)中的CR應(yīng)用，主要包括潛在的增益、部署方案、共存以及業(yè)務(wù)問題.

IEEE 802.22工作組是第一個世界范圍的基于CR技術(shù)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)化組織，目標(biāo)是基于CR技術(shù)利用廣播電視頻段，組建無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Regional Area Network,WRAN).工作組2006年通過了D1.0標(biāo)準(zhǔn)草案，2010年12月提交討論了新的草案版本.IEEE SCC41主要關(guān)注動態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)以提高頻譜利用率，包括新的動態(tài)頻譜接入、網(wǎng)絡(luò)管理和信息共享等技術(shù).此外，IEEE 1900工作組提出了在異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)下頻譜利用的架構(gòu)、策略語言要求以及基于策略的控制架構(gòu).

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)的TC RRS工作組負(fù)責(zé)CR標(biāo)準(zhǔn)化工作.ETSI TR102 803主要討論了SDR和CRS與頻譜管理法規(guī)的相關(guān)性，ETSI TR102 683制定了重配置無線電系統(tǒng)導(dǎo)頻信道、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中端到端連接等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).歐洲計算機(jī)制造商協(xié)會(European Computer Manufactures Association,ECMA)的ECMA-392草案描述了在電視機(jī)(TV)頻段的空閑信道上個人和手持無線終端的介質(zhì)訪問控制(Media Access Control,MAC)層和物理層操作，并描述了一些滿足系統(tǒng)需要的保護(hù)機(jī)制.

2.4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2005年，國家863計劃首次支持了CR關(guān)鍵技術(shù)的研究；2008年973計劃在信息領(lǐng)域?qū)ｍ椫袉诱J(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)研究；同年國家自然科學(xué)基金委員會在CR領(lǐng)域設(shè)立重點(diǎn)項目群，主要研究無線頻譜環(huán)境認(rèn)知理論與技術(shù)的研究.

目前，上述國家專項課題中對動態(tài)頻譜管理關(guān)鍵技術(shù)的研究，在基礎(chǔ)理論、技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方面均取得了豐富的研究成果.

863重點(diǎn)項目“頻譜資源共享無線通信系統(tǒng)”圍繞頻譜感知共享與CR關(guān)鍵問題展開[52-53].2012年9月，該項目的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)子課題通過驗(yàn)收，所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)由8個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，與現(xiàn)有業(yè)務(wù)共存的情況下，在698～806 MHz頻段完成了試驗(yàn)驗(yàn)證.此外，該項目的動態(tài)頻譜資源共享技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用研究方向，針對WRC12 1.19議題，基于項目相關(guān)技術(shù)研究提煉動態(tài)頻譜資源共享技術(shù)所需的頻譜管理策略，為我國參與國際上有關(guān)頻段共享標(biāo)準(zhǔn)化研究提供了技術(shù)支撐[54].

此外，國家重大專項“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”中的“面向WRC12的頻譜有效利用關(guān)鍵技術(shù)研究及驗(yàn)證”項目針對2012年世界無線電通信大會(World Radio communication Conference,WRC)大會相關(guān)課題開展頻譜有效利用與資源管理關(guān)鍵技術(shù)研究與驗(yàn)證[55].973課題“認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重點(diǎn)解決認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的適變性、多域環(huán)境的認(rèn)知性、管理與控制的自主性等三個基礎(chǔ)性問題.在相關(guān)項目的支持下，電信研究院、廣電、中科院、北郵、22所、54所、中興等部門以及軍隊科研單位在相關(guān)領(lǐng)域都開展了一定的研究，在理論研究和標(biāo)準(zhǔn)化方面都取得了一定的進(jìn)展.

國內(nèi)在動態(tài)頻譜管理領(lǐng)域?qū)φJ(rèn)知無線電、動態(tài)頻譜接入等基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究較多，而對向推進(jìn)頻譜管理模式轉(zhuǎn)變途徑的研究較少，也缺乏類似GEMSIS的國家性動態(tài)頻譜管理推進(jìn)規(guī)劃.同時，對動態(tài)頻譜管理和動態(tài)用頻相結(jié)合的研究不多，使得該項研究成果的實(shí)用化途徑還不夠明確.

2.5 發(fā)展趨勢

從研究現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展中可以總結(jié)頻譜管理技術(shù)的發(fā)展趨勢.

1) 動態(tài)頻譜管理是必然趨勢

動態(tài)頻譜管理是解決頻譜資源匱乏問題的有效途徑，其動態(tài)頻譜接入、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等已經(jīng)得到了廣泛、深入的研究，動態(tài)頻譜管理技術(shù)也得到了世界各國頻譜管理部門和標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)同和支持，利用率較低的電視頻段等逐步開放、相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)逐步推出.

2) 靜態(tài)與動態(tài)頻譜管理在相當(dāng)長的時期內(nèi)將共存

為了推動當(dāng)前的靜態(tài)頻譜管理模式向動態(tài)頻譜管理轉(zhuǎn)變，需要設(shè)計具有動態(tài)頻譜接入能力的無線終端，提出完善的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，特別是需要改變現(xiàn)有的頻譜管理政策法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).從發(fā)展規(guī)劃來看，美國GEMSIS系統(tǒng)預(yù)計到2020年以后實(shí)現(xiàn)一體化的動態(tài)頻譜管理，而歐盟預(yù)計到2016年以后開始實(shí)現(xiàn)靈活頻譜管理，已分配頻段的動態(tài)利用，需要等到授權(quán)過期以后才能實(shí)現(xiàn).

3) 頻譜接入和頻譜管理的時間、空間粒度不斷縮小

隨著以CR為代表的動態(tài)頻譜接入技術(shù)的快速發(fā)展，無線終端可以實(shí)時調(diào)整通信參數(shù)，在更小的時間、空間、頻率域接入頻譜.同時，頻譜政策也有固定的法律條文向動態(tài)的“捷變政策”轉(zhuǎn)變，頻譜管理的粒度也不斷縮小.

4) 動態(tài)頻譜管理框架和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驗(yàn)證將是下一個階段研究的重點(diǎn)

經(jīng)過十余年的研究，動態(tài)頻譜管理的理論研究和算法設(shè)計已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，XG項目、WNaN項目等已經(jīng)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)測證明了其可行性與優(yōu)越性.下一個階段，需要針對具體的應(yīng)用場景和不同業(yè)務(wù)的需求，提出完善的動態(tài)頻譜管理架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)方案，并對這些方案進(jìn)行演示、驗(yàn)證，以推動其大規(guī)模應(yīng)用.

3 應(yīng)對策略分析

動態(tài)頻譜管理技術(shù)的研究與應(yīng)用，將推動無線通信和頻譜管理領(lǐng)域的深刻變革，為了適應(yīng)這種變革，并且在未來無線通信的發(fā)展中掌握主動，需要研究和明確其應(yīng)對策略.

1) 區(qū)分頻譜管理和用戶用頻之間的關(guān)系

動態(tài)頻譜管理和用戶動態(tài)用頻之間緊密相關(guān)，既有區(qū)別，又有聯(lián)系，動態(tài)頻譜管理重點(diǎn)是制定相應(yīng)的政策和頻譜指配策略，而用戶動態(tài)用頻則是在管理政策的前提下，用戶終端根據(jù)環(huán)境的變化，在一定的范圍內(nèi)科學(xué)地動態(tài)用頻，兩者之間還應(yīng)有必要的信息交互.長期以來，我國業(yè)界對這一與實(shí)用化密切相關(guān)的問題重視不夠，似乎管理和用頻各走各的路，界線不明確，出現(xiàn)了管理設(shè)備和用頻設(shè)備各自都在尋找可用頻譜資源，需要很好地結(jié)合，以避免出現(xiàn)新的資源浪費(fèi).

2) 制定軍民融合的頻譜轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略規(guī)劃

對動態(tài)頻譜管理的研究，涉及頻譜政策、標(biāo)準(zhǔn)制定以及通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、協(xié)議設(shè)計和終端開發(fā)等諸多環(huán)節(jié)，必須進(jìn)行頻譜管理和用戶用頻的一體化設(shè)計，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，還涉及到一些理念的變化和頻譜使用方式的變革，無法由單個科研機(jī)構(gòu)或企業(yè)完成，需要國家制定軍民融合的中遠(yuǎn)期戰(zhàn)略規(guī)劃，引導(dǎo)相關(guān)研究，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

3) 積極參與相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定

動態(tài)頻譜管理技術(shù)的研究和應(yīng)用，涉及大量無線通信和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)、政策法規(guī)的制定或修改，世界各國都非常重視并積極參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定.只有積極地研究相關(guān)技術(shù)并參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，爭取在該領(lǐng)域的話語權(quán)，才能維護(hù)我國在頻譜管理方面的利益，促進(jìn)我國無線通信和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展.

4) 研究適用于我軍的動態(tài)頻譜管理框架

從動態(tài)頻譜管理的研究現(xiàn)狀可以看出，軍事應(yīng)用是促進(jìn)其研究與發(fā)展的主要動力之一，并將對未來軍事通信的用頻方式和頻譜管理模式產(chǎn)生重要影響.美國XG項目、WNaN項目、GEMSIS規(guī)劃等都是面向軍事通信進(jìn)行動態(tài)頻譜管理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的研究.根據(jù)我軍新時期新階段的歷史使命和信息化建設(shè)的需要，應(yīng)當(dāng)在已有研究的基礎(chǔ)上，加快研究、驗(yàn)證適用于我軍特點(diǎn)的動態(tài)頻譜管理框架，并突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù).

5) 研究基于動態(tài)頻譜接入的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)

實(shí)際上，動態(tài)頻譜接入不僅可以大幅度提高頻譜利用率，而且還可明顯提高無線通信系統(tǒng)的抗干擾能力和復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性.美軍通過XG計劃、WNaN計劃，驗(yàn)證了動態(tài)頻譜管理技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且已經(jīng)開始了在聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(Joint Tactical Radio System,JTRS)、“增強(qiáng)定位報告系統(tǒng)”(Enhanced Position Location Reporting System,EPLRS)等戰(zhàn)術(shù)終端上增加動態(tài)頻譜接入能力的研究.然而，與民用通信系統(tǒng)相比，軍用的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)具有一些自身的特殊性，在采用動態(tài)頻譜接入技術(shù)時，應(yīng)高度重視和解決無線電靜默的適應(yīng)性、緊急使用時的可通率和實(shí)際通信效率等問題，否則將影響其實(shí)用性.

4 結(jié) 論

以CR為代表的動態(tài)頻譜接入技術(shù)的出現(xiàn)，推動了頻譜管理由靜態(tài)分配模式向動態(tài)管理模式轉(zhuǎn)變.本文介紹了動態(tài)頻譜接入的關(guān)鍵技術(shù)，梳理了動態(tài)頻譜管理領(lǐng)域的最新研究現(xiàn)狀，總結(jié)了其發(fā)展趨勢，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施.

值得強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，動態(tài)頻譜管理絕非僅僅是管理問題，而應(yīng)是管理與用頻的一體化聯(lián)合設(shè)計.為了適應(yīng)頻譜管理高效使用的需求，我國應(yīng)當(dāng)制定中長期頻譜管理的轉(zhuǎn)型規(guī)劃，積極參與相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，并重點(diǎn)關(guān)注軍事通信領(lǐng)域動態(tài)頻譜管理技術(shù)的研究和應(yīng)用.

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