動(dòng)態(tài)頻譜共享簡(jiǎn)述

周鈺哲

無(wú)線電頻譜是新一代信息技術(shù)的重要載體，頻譜共享是解決傳統(tǒng)使用方式帶來(lái)的資源供需矛盾和資源利用率低等重要問(wèn)題的有效手段，為了對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜共享進(jìn)行介紹，首先通過(guò)解析頻譜共享概念，分類闡述頻譜共享方式，加深了對(duì)頻譜共享內(nèi)涵的理解，之后具體介紹了動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)的發(fā)展和兩種主流實(shí)現(xiàn)技術(shù)，最后討論了推行頻譜共享的必要性。

頻譜共享 頻譜資源 頻譜利用率 認(rèn)知無(wú)線電 頻譜池

1 引言

頻譜是信息經(jīng)濟(jì)時(shí)代的重要戰(zhàn)略性資源，是信息化和工業(yè)化深度融合的重要載體，目前主要由國(guó)家統(tǒng)一管理和授權(quán)使用。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，引發(fā)對(duì)頻譜資源需求的急劇增長(zhǎng)。然而，研究表明，當(dāng)前無(wú)線頻譜利用中最突出問(wèn)題是整體頻譜利用效率低，例如，在美國(guó)最擁擠的城市區(qū)域，在用頻段的利用率也只有不到20%。如何有效利用有限的頻譜資源，解決頻譜供需矛盾，已成為各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題。目前各國(guó)積極通過(guò)立法、市場(chǎng)化等管理手段以及頻譜共享技術(shù)等手段不斷優(yōu)化頻譜資源配置，支持移動(dòng)通信等新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文通過(guò)闡述頻譜共享的概念，對(duì)頻譜共享進(jìn)行了分類，重點(diǎn)討論了兩種頻譜共享實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過(guò)對(duì)比我國(guó)未來(lái)規(guī)劃和頻譜使用現(xiàn)狀，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到國(guó)家推進(jìn)頻譜共享的必要性。

2 頻譜共享的內(nèi)涵

2.1 頻譜共享的概念

2001年，英國(guó)的Paul Leaves等人提出動(dòng)態(tài)頻譜分配的概念。2003年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）給出了認(rèn)知無(wú)線電的定義，通過(guò)認(rèn)知技術(shù)從時(shí)間和空間上充分利用閑置的頻率資源，從而實(shí)現(xiàn)頻譜共享。此后，隨著無(wú)線電通信技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，以及軍用、民用大量的頻譜資源需求，國(guó)際社會(huì)對(duì)頻譜共享的研究和推行的呼聲越來(lái)越高。頻譜共享是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上用戶共同使用一個(gè)指定頻段的電磁頻譜[1]，參與頻譜共享的用戶主要分為主用戶和次用戶兩類。其中，主用戶是指最初被授予頻段且愿意與其他接入者共享資源的用戶；次用戶是指其余被允許按照共享規(guī)則使用頻譜的用戶。

2.2 頻譜共享的分類

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以將頻譜共享行為分成不同的類型，這里列舉四種分類方式和相應(yīng)的頻譜共享類型。

（1）基于頻譜資源授權(quán)方式

1）免許可頻譜共享

免許可頻譜共享是一種基本上不受監(jiān)管的共享機(jī)制，所有用戶都將共享的頻譜看作是一種無(wú)需許可證的公共資源。但是，所有用戶都要受到輻射功率、協(xié)議等強(qiáng)制性約束條件的限制。在這種共享機(jī)制中，用戶之間不存在使用層次的高低，即無(wú)主用戶、次用戶之分，所有用戶都在盡力接入并使用頻譜資源。

2）授權(quán)頻譜共享

授權(quán)頻譜共享接入[2]是有限數(shù)量用戶被授權(quán)共享一段頻譜的授權(quán)機(jī)制。由于待共享頻段已經(jīng)被分配給一個(gè)或多個(gè)用戶，因此應(yīng)在一定的共享規(guī)則基礎(chǔ)上授權(quán)次級(jí)用戶使用該段頻譜的全部或部分資源，以保證所有授權(quán)用戶都能獲得一定的服務(wù)質(zhì)量。

授權(quán)頻譜共享還可以分為橫向共享和垂直共享。橫向共享是指一個(gè)擁有多余頻譜資源的運(yùn)營(yíng)商（主用戶）提供訪問(wèn)接口給另一個(gè)或多個(gè)運(yùn)營(yíng)商（次用戶），以有效利用未能充分利用的頻譜資源。垂直共享是指在運(yùn)營(yíng)商（主用戶）和非運(yùn)營(yíng)商（次用戶），如政府、軍隊(duì)、公共安全組織機(jī)構(gòu)、科學(xué)團(tuán)體等之間進(jìn)行頻譜資源共享。此外，非運(yùn)營(yíng)商也可以成為與其他共享參與方垂直共享頻譜資源的主用戶。

（2）基于頻譜資源分配行為

1）共存式頻譜共享

共存式頻譜共享是指次用戶以低于能夠?qū)χ饔脩舢a(chǎn)生有害干擾的功率使用主用戶的頻段。例如，無(wú)線局域網(wǎng)（Wi-Fi、Bluetooth）以及超寬帶（UWB）技術(shù)等，一方面，由于無(wú)需采用額外的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)和干擾控制技術(shù)，共存式頻譜共享實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單；另一方面，由于發(fā)射功率較低，因此共存式頻譜共享只適合短距離通信。

2）非協(xié)作式（機(jī)會(huì)式）頻譜共享

非協(xié)作式頻譜共享是指次用戶伺機(jī)占用主用戶未使用的頻譜資源，而主用戶不必事先知道次用戶的存在。例如，移動(dòng)通信系統(tǒng)使用廣播電視系統(tǒng)的“白頻譜”等。在該頻譜共享方式中，主用戶優(yōu)先級(jí)高于次用戶體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是當(dāng)主用戶占用頻譜資源時(shí)，次用戶不能使用相同的頻譜資源；二是當(dāng)主用戶需要使用頻譜資源時(shí)，次用戶必須釋放已占用的頻譜資源。

3）協(xié)作式頻譜共享

協(xié)作式頻譜共享是指主次用戶之間采取對(duì)等或集中控制等合作方式共享頻譜資源，與機(jī)會(huì)式頻譜共享不同，協(xié)作式頻譜共享中主用戶事先知道次用戶的存在和需求，兩者之間通過(guò)協(xié)作將更加精確和高效地檢測(cè)頻譜，但這將一定程度上增加主用戶的開(kāi)銷(xiāo)。

（3）基于次用戶的接入方式

1）下墊式頻譜共享（Underlay Sharing）

下墊式頻譜共享方式要求次用戶對(duì)主用戶產(chǎn)生的干擾低于預(yù)先定義的干擾門(mén)限，即僅僅約束次用戶的發(fā)射功率。次用戶可以采用兩種方式滿足干擾限制：一是使主次用戶之間有較好的空間分離，如采用MIMO技術(shù)；二是在采用低于主用戶接收噪聲的擴(kuò)頻通信方式，如采用UWB技術(shù)。

2）填充式頻譜共享（Overlay Sharing）

填充式頻譜共享方式由次用戶采取一定的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與主用戶的共存通信，次用戶利用已知的主用戶信息，并采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和編碼解碼技術(shù)，如臟紙編碼等，將自己對(duì)主用戶的干擾進(jìn)行抵消，不但可以滿足自己的通信需求，還可以提高主用戶通信質(zhì)量。

3）交織式頻譜共享（Interweave Sharing）

交織式頻譜共享[3]類似于非協(xié)作式頻譜共享，不同之處在于交織式頻譜共享中的所有用戶都具有無(wú)線電認(rèn)知能力，所有用戶互相協(xié)作。用戶的關(guān)系也是相對(duì)的，某一用戶可能是新加入用戶的主用戶，同時(shí)也可能是已經(jīng)存在用戶的次用戶。

（4）基于動(dòng)態(tài)頻譜分配方法

根據(jù)參與到動(dòng)態(tài)頻譜分配過(guò)程中的無(wú)線電系統(tǒng)個(gè)數(shù)和相應(yīng)的頻譜關(guān)系可以將頻譜共享分成相鄰動(dòng)態(tài)頻譜分配方法和分片動(dòng)態(tài)頻譜分配方法[4]。其中，相鄰動(dòng)態(tài)頻譜分配存在于頻譜相鄰的兩個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)之間，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)間的頻譜邊界來(lái)分配頻譜資源。而分片動(dòng)態(tài)頻譜分配對(duì)無(wú)線電系統(tǒng)個(gè)數(shù)和頻譜位置關(guān)系沒(méi)有嚴(yán)格約束，因此局限性小。但該方法將給現(xiàn)有系統(tǒng)帶來(lái)額外的開(kāi)銷(xiāo)：一是需要增加認(rèn)知無(wú)線電的搜索感知功能；二是需要對(duì)空閑頻譜塊進(jìn)行分配和管理；三是需要額外的系統(tǒng)間保護(hù)頻帶。

3 動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)

3.1 動(dòng)態(tài)頻譜共享的產(chǎn)生和發(fā)展

動(dòng)態(tài)頻譜分配、認(rèn)知無(wú)線電、軟件無(wú)線電、多址技術(shù)、大規(guī)模多輸入多輸出天線、新型擴(kuò)頻碼等新技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使頻譜高效利用成為可能。然而，在現(xiàn)有靜態(tài)的頻譜管理方式下，頻譜資源的使用主要存在以下兩個(gè)矛盾：一是可用頻譜資源稀缺，而已用頻譜資源利用率低；二是頻譜劃分固定，而頻譜需求動(dòng)態(tài)變化。這種問(wèn)題的根源在于頻譜管理方式確定的頻譜劃分無(wú)法及時(shí)地根據(jù)需求做出及時(shí)調(diào)整。針對(duì)這些矛盾，通過(guò)采用動(dòng)態(tài)的頻譜管理方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜共享，可顯著提升頻譜資源的使用效率。在以上新技術(shù)中，融合各種技術(shù)特色的動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)[5]將是提高頻譜利用率的根本方法。

認(rèn)知無(wú)線電被提出后，各國(guó)的頻譜管理部門(mén)、組織、研究機(jī)構(gòu)紛紛展開(kāi)相關(guān)研究。FCC、IEEE 802.22工作組以及歐盟的FP7都致力于研究利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)利用暫時(shí)空閑的頻譜進(jìn)行無(wú)線通信。美國(guó)和德國(guó)的科研機(jī)構(gòu)在各種頻譜感知技術(shù)、算法以及共享頻譜池技術(shù)方面取得了顯著成效。2013年，諾基亞西門(mén)子通信公司在TD-LTE試驗(yàn)中證明授權(quán)共享接入可為5G網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)基礎(chǔ)[9]，2015年，LTE-U論壇發(fā)布了其首個(gè)關(guān)于應(yīng)用5 GHz非授權(quán)頻譜的技術(shù)規(guī)范。同年，諾基亞通信與T-Mobile共同研發(fā)LAA標(biāo)準(zhǔn)解決方案，實(shí)現(xiàn)了在授權(quán)和免授權(quán)頻譜間的LTE載波聚合。

3.2 動(dòng)態(tài)頻譜共享實(shí)現(xiàn)技術(shù)

（1）認(rèn)知無(wú)線電

在非協(xié)作式、協(xié)作式、填充式、交織式、相鄰動(dòng)態(tài)頻譜分配和分片動(dòng)態(tài)頻譜分配頻譜共享方式中，都有用戶需要對(duì)無(wú)線電磁頻譜進(jìn)行感知，以確定空閑頻譜，同時(shí)需要強(qiáng)大的軟硬件可重配置能力完成無(wú)線電參數(shù)的調(diào)整。能夠完成該項(xiàng)工作的技術(shù)稱為認(rèn)知（感知）無(wú)線電技術(shù)[6]。如圖1所示，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)通過(guò)接收無(wú)線電磁環(huán)境的無(wú)線電磁信息進(jìn)行頻譜感知，對(duì)頻譜使用狀態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)以確定空閑頻譜，進(jìn)一步自適應(yīng)地調(diào)整功率、頻率、調(diào)制、編碼等無(wú)線電特性參數(shù)發(fā)射無(wú)線電磁信號(hào)。因此，在不對(duì)主用戶產(chǎn)生有害干擾的前提下，利用主用戶的空閑頻譜提高整體頻譜利用率。

（2）頻譜池

頻譜池[7]是指通過(guò)頻譜管理系統(tǒng)將不同用戶的空閑頻譜集中起來(lái)形成一個(gè)資源池，如圖2所示。頻譜池系統(tǒng)中提供空閑頻譜的用戶為主用戶，通過(guò)申請(qǐng)和使用頻譜的用戶為次用戶。主用戶多為授權(quán)頻譜用戶，其頻譜較多，可通過(guò)將空閑頻譜出租給次用戶使用并獲得一定收益。次用戶自身頻譜不足，需要額外的頻譜資源。次用戶可能是非授權(quán)頻譜用戶，如ISM頻段用戶，也可能是無(wú)空閑頻譜的授權(quán)用戶。頻譜池系統(tǒng)通過(guò)一定的市場(chǎng)手段有效配置頻譜資源，但需要有一個(gè)第三方頻譜管理系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理。

將頻譜共享的多種方式和實(shí)現(xiàn)技術(shù)結(jié)合起來(lái)可更好地提高頻譜利用率效果，例如為每個(gè)系統(tǒng)設(shè)定其私有和公有頻譜池、時(shí)分動(dòng)態(tài)頻譜共享與空分動(dòng)態(tài)頻譜共享相結(jié)合、基于頻譜池的認(rèn)知無(wú)線電方案等可以更大程度提高頻譜資源的利用率。然而，目前關(guān)于動(dòng)態(tài)頻譜共享的研究很少涉及多個(gè)系統(tǒng)之間的頻譜共享，業(yè)務(wù)類型也較少涉及非對(duì)稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等，因此現(xiàn)在的相關(guān)研究[8]仍不夠完善。

4 頻譜共享的必要性

我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃將新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為重點(diǎn)發(fā)展方向和主要任務(wù)之一。新一代信息技術(shù)，例如下一代移動(dòng)通信、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等，正在強(qiáng)烈地改變著人們的生活和工作方式，而無(wú)線電頻譜資源在無(wú)線信息通信技術(shù)中扮演著不可替代的信息載體的角色。2013年，國(guó)務(wù)院連續(xù)出臺(tái)了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略和促進(jìn)信息消費(fèi)等政策推進(jìn)頻譜相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在兩化深度融合的背景下，2015年，我國(guó)政府工作報(bào)告中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃和“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略規(guī)劃。以上國(guó)家戰(zhàn)略和政策均對(duì)頻譜資源在工業(yè)、交通運(yùn)輸、公共事業(yè)、信息通信等領(lǐng)域應(yīng)用的質(zhì)和量都提出了更高的要求。然而，隨著新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新的無(wú)線應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，無(wú)線移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求呈現(xiàn)噴發(fā)式增長(zhǎng)。這帶來(lái)的問(wèn)題就是頻譜需求的急劇增長(zhǎng)，未來(lái)頻譜供需矛盾將日益突出。因此，我國(guó)推行頻譜共享的必要性主要有以下兩個(gè)方面：

第一，頻譜共享是緩解未來(lái)頻譜供需矛盾的重要措施，是應(yīng)對(duì)未來(lái)無(wú)線電業(yè)務(wù)快速發(fā)展帶來(lái)的頻譜供求失衡挑戰(zhàn)的基本保證。有了頻譜共享的資源保障，新一代信息技術(shù)才能有效地加速實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及智慧城市等產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

第二，頻譜共享是提高頻譜利用率、避免資源浪費(fèi)的有效途徑。目前，各國(guó)無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)通常對(duì)牌照持有者以外的用戶視為干擾，從而采取禁止措施。但很多情況下這些頻率在時(shí)空范疇內(nèi)均未得到充分利用。此外，牌照持有者如需調(diào)整其無(wú)線電業(yè)務(wù)時(shí)，則要花費(fèi)大量的時(shí)間和成本。頻譜共享能夠在不影響牌照持有者頻譜使用權(quán)的情況下動(dòng)態(tài)利用空閑頻譜，使多種業(yè)務(wù)或多個(gè)用戶共用一個(gè)段頻譜，并保證互相之間干擾可容忍，從而能避免頻譜重置的高昂成本，并顯著提升頻譜資源的利用效率。

因此，我國(guó)積極推行頻譜共享研究，提升頻譜資源利用率，可最大化滿足新興信息產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)的用頻需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先闡述了頻譜共享的概念，并按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)將頻譜共享分成了四大類。接著，介紹了頻譜共享技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，并重點(diǎn)討論了認(rèn)知無(wú)線電和頻譜池兩種頻譜共享實(shí)現(xiàn)技術(shù)。最后，指出了我國(guó)無(wú)線電頻譜資源使用和在相關(guān)事業(yè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的問(wèn)題，以及國(guó)家利用頻譜共享緩解頻譜供需矛盾和提高頻譜利用率的必要性。