我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)研究

周鈺哲

（中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院無(wú)線電管理研究所，北京 100846）

我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)研究

周鈺哲

（中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院無(wú)線電管理研究所，北京 100846）

在無(wú)線電頻譜資源供需矛盾不斷深化的背景下，歐美國(guó)家加快研究高效的頻譜管理政策和利用技術(shù)，其中美國(guó)最早提出了“頻譜高速公路”概念。在借鑒國(guó)內(nèi)外頻譜管理研究成果的基礎(chǔ)上，定義了我國(guó)頻譜高速公路的基本含義和特征，闡述了主要應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而提出了我國(guó)頻譜高速公路的系統(tǒng)功能架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)和對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)工作流程，并提出了構(gòu)建我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)的相關(guān)建議，展望了建設(shè)過(guò)程中需要應(yīng)對(duì)的問(wèn)題。

頻譜高速公路；系統(tǒng)架構(gòu)；頻譜共享；頻譜切換；頻譜市場(chǎng)

1 引言

隨著無(wú)線電技術(shù)的飛速發(fā)展和無(wú)線電業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，頻譜資源稀缺與應(yīng)用需求的巨大矛盾日益突出。在國(guó)際頻譜權(quán)益不斷爭(zhēng)奪、頻譜需求不斷擴(kuò)大化的背景下，美國(guó)作為全球領(lǐng)先的無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用國(guó)家，率先提出了“頻譜高速公路（spectrum super-highway，SSH）”概念，旨在從國(guó)家戰(zhàn)略的高度重視無(wú)線電頻譜資源的高效利用問(wèn)題[1]，通過(guò)創(chuàng)新頻譜管理手段，解決相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)的頻譜供需矛盾。

當(dāng)前，我國(guó)正處在推動(dòng)“中國(guó)制造2025”“寬帶中國(guó)”“互聯(lián)網(wǎng)+”等戰(zhàn)略實(shí)施的重要時(shí)期。這些國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施對(duì)頻譜的需求已從傳統(tǒng)意義上的公眾移動(dòng)通信擴(kuò)大至物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)新興領(lǐng)域。為保證國(guó)家重大戰(zhàn)略的有效實(shí)施，必須從我國(guó)國(guó)情和頻譜管理的實(shí)際出發(fā)，通過(guò)改革頻譜管理、使用模式，科學(xué)規(guī)劃和研究構(gòu)建我國(guó)的頻譜高速公路。頻譜高速公路系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)、廣泛區(qū)域內(nèi)的大量用戶通過(guò)頻譜感知、頻譜共享、頻譜市場(chǎng)等技術(shù)和管理手段，利用有限的頻譜資源完成高速率的信息傳輸，并相應(yīng)地簡(jiǎn)化頻譜監(jiān)管工作。這將有利于引領(lǐng)無(wú)線電技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，消除地區(qū)數(shù)字鴻溝，促進(jìn)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，增強(qiáng)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力[2]。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

為搶占新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，各國(guó)紛紛出臺(tái)相關(guān)的發(fā)展戰(zhàn)略、計(jì)劃，通過(guò)政策指導(dǎo)激勵(lì)、直接投入等措施，加快移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提速，引領(lǐng)新科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革命。作為無(wú)線電通信唯一載體的頻譜資源的戰(zhàn)略重要性愈發(fā)顯現(xiàn)。主流國(guó)家均加大了對(duì)無(wú)線電頻譜高效管理和利用技術(shù)的研究和投入。

2.1 美國(guó)研究現(xiàn)狀

2010年6 月，題為《釋放無(wú)線寬帶革命》[3]的美國(guó)總統(tǒng)備忘錄建議在2020年之前回收500 MHz頻譜用于無(wú)線寬帶接入。然而，美國(guó)國(guó)家電信和信息通信管理局（National Telecommunication Industry Administration，NTIA）在推行這一計(jì)劃的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、協(xié)調(diào)難，使該計(jì)劃的可操作性十分低。為彌補(bǔ)現(xiàn)行政策的不足，2012年7月，美國(guó)總統(tǒng)科技顧問(wèn)委員會(huì) （the President’s Council of Advisors on Science and Technology，PCAST）提交報(bào)告[4]，首次提出了“頻譜高速公路”的概念。

美國(guó)確定選取2 700～3 700 MHz聯(lián)邦頻譜建立第一個(gè)頻譜高速公路，通過(guò)轉(zhuǎn)變頻譜管理手段，采用新的頻譜結(jié)構(gòu)，實(shí)施新的無(wú)線電系統(tǒng)架構(gòu)，以便不同無(wú)線電業(yè)務(wù)在此頻段內(nèi)形成動(dòng)態(tài)共享，從而極大提高頻譜的使用效率[5]。隨后，美國(guó)在2014年召開了專題討論會(huì)，確定采用一種頻譜資源管理網(wǎng)絡(luò)——頻譜接入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小小區(qū)/微小區(qū)的低功率二次接入或一般授權(quán)接入。2016年4月，谷歌在美國(guó)進(jìn)行了3 550～3 650 MHz頻譜許可共享接入技術(shù)試驗(yàn)，借助路燈桿和其他建筑物部署天線提供無(wú)線寬帶接入服務(wù)[6]。

2.2 歐盟研究現(xiàn)狀

2011 年，歐盟頻率管理工作組提出了授權(quán)共享/許可共享接入 （authorized shared access/license shared access，ASA/LSA）[7]方案，實(shí)現(xiàn)未用頻譜的動(dòng)態(tài)共享。2012年，歐盟提出“無(wú)線電頻譜政策計(jì)劃”，目標(biāo)是通過(guò)協(xié)商分享的方法帶來(lái)更大的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)容量，催生新的市場(chǎng)，以重新取得移動(dòng)和數(shù)據(jù)方面的全球產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位。該計(jì)劃確定在2017年左右可通過(guò)一般授權(quán)機(jī)制接入1 200 MHz帶寬的頻譜，在2020年確保每個(gè)歐洲人擁有高速和超高速寬帶。隨后，歐盟在全區(qū)范圍內(nèi)定義有益共享機(jī)會(huì)，并采用共享頻譜接入權(quán)利作為面向全歐頻譜資源共享接入的通用框架。此外，為促進(jìn)頻譜共享的實(shí)施，歐盟制定了允許無(wú)線局域網(wǎng)與雷達(dá)共享5 GHz頻段的標(biāo)準(zhǔn)，還在部分地區(qū)進(jìn)行了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)通過(guò)位置定位信息來(lái)識(shí)別廣播“白頻譜”[8]的試驗(yàn)。

3 我國(guó)頻譜高速公路的內(nèi)涵

為應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)中頻譜資源需求不斷擴(kuò)大的要求，有效緩解頻譜資源緊張的矛盾，我國(guó)應(yīng)積極借鑒國(guó)外先進(jìn)的頻譜管理經(jīng)驗(yàn)，抓緊研究頻譜資源高效管理和使用技術(shù)，構(gòu)建適合我國(guó)國(guó)情的頻譜高速公路系統(tǒng)。本節(jié)定義頻譜高速公路的相關(guān)內(nèi)涵。

3.1 基本含義和特征

早期的用頻模式類似于公路系統(tǒng)中每種車輛獨(dú)占一條道路，各類車輛彼此互不相干。而頻諧高速公路系統(tǒng)類似于高速公路系統(tǒng)，車道并行、相互關(guān)聯(lián)。頻譜高速公路不單指加寬的“車道”，即一段大帶寬頻譜，還應(yīng)包括一系列“道路交通規(guī)則”，即頻譜分配、用戶接入、共享等協(xié)議。頻譜高速公路系統(tǒng) （spectrum super-highway system，SSHS）是指從國(guó)家戰(zhàn)略出發(fā)，以緩解頻譜供需矛盾、提高頻譜使用效率、支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展為目標(biāo)，在一個(gè)或多個(gè)大帶寬的無(wú)線電頻譜上，采用用戶分級(jí)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)準(zhǔn)入等控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)、不同用戶在空間、時(shí)間、頻率等多個(gè)維度上高速、有序、高效共享頻譜資源的智能管理系統(tǒng)。在不清除頻段內(nèi)原有用戶、不對(duì)擁有執(zhí)照的原用戶產(chǎn)生有害干擾的前提下，通過(guò)頻譜高速公路系統(tǒng)這種頻譜管理節(jié)點(diǎn)可授權(quán)其他用戶按規(guī)則接入相應(yīng)頻譜，實(shí)現(xiàn)頻譜共享共用。頻譜高速公路應(yīng)具有以下主要特征。

（1）大帶寬劃分（larger bandwidth division）

大帶寬的頻譜劃分有利于容納各種兼容性應(yīng)用，并適應(yīng)于各種工作寬帶，實(shí)現(xiàn)多個(gè)業(yè)務(wù)、多個(gè)用戶共享同一頻段，適應(yīng)不同用戶的需求。同時(shí)，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)幕A(chǔ)，有效確保較高的用戶服務(wù)質(zhì)量。

（2）頻譜用戶分級(jí)（spectrum user classification）

頻譜高速公路系統(tǒng)面向的用戶包括原有授權(quán)用戶以及符合頻譜高速公路框架協(xié)議的用戶。由于各類頻譜用戶的需求、數(shù)量和價(jià)值不同，因此頻譜高速公路系統(tǒng)對(duì)不同的用戶通過(guò)不同的授權(quán)進(jìn)行區(qū)分，以實(shí)現(xiàn)各類用戶根據(jù)優(yōu)先級(jí)共用頻譜資源。

（3）授權(quán)共享（authorized spectrum sharing）

通過(guò)對(duì)共享用戶按優(yōu)先級(jí)分級(jí)授權(quán)，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)、不同用戶多維度動(dòng)態(tài)共享頻譜高速公路的頻譜資源，既確保了原授權(quán)用戶繼續(xù)使用頻段的權(quán)利，同時(shí)又給新用戶提供了新的、更多的頻譜接入機(jī)會(huì)。授權(quán)共享保障了頻譜接入的有序性，防止用戶間的干擾。

（4）無(wú)縫切換（seamless spectrum handoff）

通過(guò)動(dòng)態(tài)共享授權(quán)，確保在每個(gè)頻段上的用戶接入或終止頻譜使用時(shí)，其他用戶能夠根據(jù)授權(quán)無(wú)縫收縮或擴(kuò)展使用相關(guān)的頻段，防止產(chǎn)生過(guò)多的頻譜空洞。這種無(wú)縫切換的頻譜使用方式極大提高了頻譜整體利用率，實(shí)現(xiàn)了頻譜高效利用。

3.2 主要應(yīng)用領(lǐng)域

頻譜高速公路系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)面向兩大應(yīng)用領(lǐng)域，即公網(wǎng)和專網(wǎng)應(yīng)用。這些領(lǐng)域內(nèi)的業(yè)務(wù)技術(shù)產(chǎn)品較為成熟，商業(yè)化運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，通過(guò)建設(shè)頻譜高速公路系統(tǒng)，可提升行業(yè)運(yùn)行效率，創(chuàng)造更大價(jià)值。如圖1所示，根據(jù)應(yīng)用的時(shí)間和空間維度的動(dòng)態(tài)性特征[9]，頻譜高速公路可以解決公網(wǎng)用戶無(wú)線寬帶的瓶頸問(wèn)題，為用戶提供高清多媒體通信、交互式娛樂、實(shí)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)等服務(wù)。在專網(wǎng)方面，頻譜高速公路可服務(wù)于公共安全、交通運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)、大型活動(dòng)、協(xié)同作業(yè)等公共事業(yè)以及移動(dòng)辦公、信息傳輸?shù)壬虡I(yè)活動(dòng)。

圖1 應(yīng)用的時(shí)空維度特征

4 我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)架構(gòu)

頻譜高速公路系統(tǒng)由頻譜接入管理單元及其關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)子系統(tǒng)等互聯(lián)構(gòu)成。該頻譜接入網(wǎng)絡(luò)采用認(rèn)知無(wú)線電[10]、軟件無(wú)線電[11]、頻譜動(dòng)態(tài)共享[12]和抗干擾等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)環(huán)境感知、信息交互、決策生成、調(diào)整執(zhí)行等方式完成頻譜共享策略，實(shí)現(xiàn)不同行業(yè)、不同用戶對(duì)無(wú)線頻譜資源高效、有序、動(dòng)態(tài)利用。本節(jié)基于國(guó)內(nèi)對(duì)頻譜高速公路的已有研究，從系統(tǒng)功能架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)工作流程3個(gè)方面初步構(gòu)建我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、頻譜數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、頻譜數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和頻譜接入管理子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 頻譜高速公路系統(tǒng)功能架構(gòu)

（1）無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)（radio environment database，RED）

包含本地頻率數(shù)據(jù)庫(kù)、臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)等、地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、電磁兼容信息庫(kù)、電波傳播模型庫(kù)、規(guī)則庫(kù)等。此外，無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)還與各級(jí)無(wú)線電管理數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)以及政策法規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)互通，為最佳頻譜接入決策提供高效支撐。

（2）頻譜數(shù)據(jù)采集（spectrum data acquisition，SDA）子系統(tǒng)

由不同性能的感知器和感知管理模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)無(wú)線終端定位、數(shù)據(jù)采集和匯集。感知器采集的數(shù)據(jù)主要有：發(fā)射/接收機(jī)的特性參數(shù)、位置信息和活動(dòng)情況，干擾情況，信號(hào)覆蓋范圍等。感知管理模塊周期性地配置和管理感知器參數(shù)，啟動(dòng)感知過(guò)程。

（3）頻譜數(shù)據(jù)處理（spectrum data processing，SDP）子系統(tǒng)

通過(guò)結(jié)合頻譜數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)新采集到的數(shù)據(jù)和無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中的原有數(shù)據(jù)，通過(guò)一定算法，生成新的無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)綗o(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息交互。該子系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算，更新設(shè)備列表、頻譜狀態(tài)數(shù)據(jù)、干擾分布信息和相應(yīng)的地理位置信息等，并將這些信息提供給頻譜接入管理子系統(tǒng)作為決策參考。

（4）頻譜接入管理（spectrum access management，SAM）子系統(tǒng)

由頻譜決策模塊和接入控制模塊組成，負(fù)責(zé)做出頻譜接入決策和決策的執(zhí)行，達(dá)到頻譜資源的高效利用和有序共享。頻譜決策模塊根據(jù)無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中的最新信息和預(yù)定義的規(guī)則做出合理決策，在避免對(duì)已有高優(yōu)先級(jí)用戶的干擾的同時(shí)，滿足待接入用戶的通信需求，提高系統(tǒng)資源利用率。接入控制模塊執(zhí)行分級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)單元中用戶的注冊(cè)、鑒權(quán)和執(zhí)照發(fā)放，完成頻譜接入、參數(shù)修改和頻譜切換等過(guò)程。

4.2 網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)

我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一種集中控制式的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)采取類似于蜂窩網(wǎng)的覆蓋模式，如圖3所示。

圖3 頻譜高速公路網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)

本地?zé)o線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)（local RED）存儲(chǔ)了頻譜數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集的以及經(jīng)頻譜數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要包括本地臺(tái)站數(shù)據(jù)信息、干擾保護(hù)列表、干擾場(chǎng)強(qiáng)分布、本地電波傳播模型、已經(jīng)接入系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)等本地信息以及從上一級(jí)無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)獲得的可用頻段、接入價(jià)格、頻段操作規(guī)則、政策法規(guī)等全局信息。頻譜接入管理子系統(tǒng)通過(guò)local RED提供的這些信息做出最佳的頻譜接入決策。

區(qū)域頻譜高速公路系統(tǒng)（regional SSHS）處理、整合、存儲(chǔ)跨區(qū)域的頻譜狀態(tài)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)跨區(qū)域用戶的頻譜使用。全局頻譜高速公路系統(tǒng)（global SSHS）則處理、整合、存儲(chǔ)全局的頻譜狀態(tài)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)分配整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的頻譜資源。本地頻譜高速公路系統(tǒng)、區(qū)域頻譜高速公路系統(tǒng)、全局頻譜高速公路系統(tǒng)通過(guò)相互交換信息，及時(shí)更新頻譜的使用/空閑狀態(tài)，做出最優(yōu)的頻譜接入決策。

4.3 系統(tǒng)工作流程

我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)包含3個(gè)主要工作流程，即頻譜感知（spectrum sensing）、頻譜接入（spectrum access）和頻譜切換（spectrum handoff）。

（1）頻譜感知流程

頻譜感知是頻譜高速公路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)科學(xué)頻譜共享的基礎(chǔ)。頻譜數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)首先按照一定規(guī)則和配置，采集無(wú)線電磁環(huán)境數(shù)據(jù)。如果采集到的是全新的無(wú)線電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，則上傳到無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中；否則，由頻譜數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)讀取無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的信息，結(jié)合新采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，產(chǎn)生新的無(wú)線電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，并更新無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。具體流程如圖4所示。

（2）頻譜接入流程

通過(guò)頻譜決策和接入控制可以為各級(jí)用戶動(dòng)態(tài)分配最合適的頻譜資源，提升系統(tǒng)資源利用率。首先，用戶向頻譜接入管理子系統(tǒng)申請(qǐng)頻率資源；然后，頻譜決策模塊根據(jù)用戶參數(shù)和無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息求解出最合適的頻率分配方案，并交由接入控制模塊指導(dǎo)用戶接入系統(tǒng)；最后，頻譜接入管理子系統(tǒng)將用戶接入后的頻譜使用參數(shù)上報(bào)至無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新。具體流程如圖5所示。

圖4 頻譜感知流程

圖5 頻譜接入流程

（3）頻譜切換流程

頻譜切換[13,14]是指當(dāng)高優(yōu)先級(jí)用戶需要占用頻段資源時(shí)，通過(guò)降低次優(yōu)先級(jí)用戶服務(wù)質(zhì)量 （quality of service，QoS），保障高優(yōu)先級(jí)用戶的通信需求，平衡系統(tǒng)資源分配。首先，高優(yōu)先級(jí)用戶向頻譜接入管理子系統(tǒng)申請(qǐng)頻率資源。然后，頻譜決策模塊查詢無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，若頻率未被占用，則按頻譜接入流程操作；否則，查詢是否有適合次優(yōu)先級(jí)用戶通信的其他頻率資源，進(jìn)而由接入控制模塊命令次優(yōu)先級(jí)用戶通過(guò)停止發(fā)射或降低發(fā)射功率、轉(zhuǎn)移到其他頻段通信等方式讓出被申請(qǐng)頻率資源。之后，由接入控制模塊指導(dǎo)高優(yōu)先級(jí)用戶接入系統(tǒng)。最后，頻譜接入管理子系統(tǒng)將改變后的各級(jí)用戶的頻譜使用參數(shù)上報(bào)至無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新。具體流程如圖6所示。

圖6 頻譜切換流程

5 構(gòu)建我國(guó)頻譜高速公路建議

構(gòu)建我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)，需正確認(rèn)識(shí)當(dāng)前我國(guó)頻譜資源管理面臨的新問(wèn)題：一是獨(dú)占頻譜資源閑置浪費(fèi)，各部門管理協(xié)調(diào)難度大；二是傳統(tǒng)和新興用頻行業(yè)需求持續(xù)擴(kuò)大，頻譜資源供需矛盾更加突出；三是頻譜資源價(jià)值沒有充分體現(xiàn)，技術(shù)創(chuàng)新動(dòng)力不足。為有效解決上述問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)把構(gòu)建頻譜高速公路戰(zhàn)略作為解決頻譜資源供需矛盾的重要舉措，深化普惠安全發(fā)展的有效途徑，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要保障，提升國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)力的重要引擎。為保障我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的政策建議如下。

5.1 調(diào)整頻譜劃分規(guī)則

寬帶化、低功率是未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展趨勢(shì)，頻譜高速公路的理念就是將多個(gè)獨(dú)立使用的小頻段整合成共享使用的大頻段[15]。通過(guò)表1的比較，將原有的窄帶劃分轉(zhuǎn)變成大頻譜帶寬基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)頻譜共享模式，將頻譜的使用作為一項(xiàng)集體活動(dòng)來(lái)替代個(gè)體活動(dòng)，為未來(lái)的新無(wú)線寬帶技術(shù)創(chuàng)新提供足夠的資源保障，進(jìn)一步提升各種寬帶無(wú)線通信業(yè)務(wù)的兼容性，有效減少干擾，為動(dòng)態(tài)頻譜共享提供可行性支持。

表1 頻譜管理模式的比較

例如，美國(guó)頻譜高速公路計(jì)劃的新頻譜分配規(guī)則一般以百兆赫茲為單位，通過(guò)功率控制、動(dòng)態(tài)頻譜共享、微蜂窩[16]等技術(shù)，增強(qiáng)頻譜的承載能力。此外，新頻譜分配規(guī)則也將為設(shè)備商研制具備低速率、低功率特點(diǎn)的次級(jí)接入設(shè)備提供指導(dǎo)，激勵(lì)相關(guān)部門和企業(yè)在技術(shù)研發(fā)、設(shè)備研制和應(yīng)用試點(diǎn)等方面的投入，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

5.2 改變頻譜接入方式

頻譜高速公路系統(tǒng)要求對(duì)不同類型的無(wú)線電業(yè)務(wù)和設(shè)備實(shí)行有序管理。頻譜資源的高效利用是以干擾可容忍為前提條件的。這就需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的頻譜接入與管理方式，針對(duì)不同用戶制定一系列頻譜接入、切換、轉(zhuǎn)變、退出等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)在有序基礎(chǔ)之上的動(dòng)態(tài)頻譜共享。參考美國(guó)頻譜高速公路的用戶主體設(shè)定，我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)對(duì)用戶的分級(jí)見表2。我國(guó)的用戶分類更為廣泛，接入方式更加科學(xué)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同等級(jí)的用戶接入進(jìn)行有效和平衡管理。例如，高級(jí)和次級(jí)用戶需在無(wú)線環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行預(yù)先登記。高級(jí)用戶在實(shí)際使用頻譜時(shí)具備對(duì)頻譜的獨(dú)占權(quán)。在保證其他用戶不對(duì)高級(jí)用戶造成有害干擾的前提下，充分考慮了應(yīng)急通信的需求。次級(jí)和末級(jí)用戶具有動(dòng)態(tài)感知接入、實(shí)時(shí)頻譜移動(dòng)和切換、抗干擾等能力，管理者可能根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其收取一定的費(fèi)用。一旦發(fā)生頻譜資源緊缺，則通過(guò)降低自身通信 QoS[17,18]來(lái)保證該系統(tǒng)內(nèi)高一級(jí)用戶的正常通信。

表2 分級(jí)接入方式的用戶分類

5.3 提升技術(shù)研發(fā)水平

頻段的特性在一定程度上決定了無(wú)線電系統(tǒng)的適用范圍。例如，6 GHz以下的低頻段中包含的業(yè)務(wù)種類和用頻單位較多，因此適宜通過(guò)頻譜共享技術(shù)利用資源，但需要解決業(yè)務(wù)共存管理、協(xié)調(diào)困難等問(wèn)題。同時(shí)，無(wú)線電通信技術(shù)的立體化、多元化、動(dòng)態(tài)化發(fā)展趨勢(shì)也將增加未來(lái)無(wú)線電系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜性，因此積極開展相關(guān)技術(shù)的研發(fā)具有重要意義。

在頻譜高速公路系統(tǒng)中，一方面可在有限的頻譜資源和帶寬上，通過(guò)高效的編碼、復(fù)用、多址等技術(shù)單純提升數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量；另一方面，還可通過(guò)利用動(dòng)態(tài)頻譜共享、干擾和擁塞處理、功率控制等技術(shù)，提升無(wú)線電業(yè)務(wù)、用頻單位利用頻譜資源的靈活性、實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)多種用戶的高速率、低延時(shí)信息傳輸，即利用技術(shù)手段解決無(wú)線電系統(tǒng)的監(jiān)管與相互協(xié)調(diào)[19]的復(fù)雜性問(wèn)題。因此，頻譜高速公路系統(tǒng)的構(gòu)建必須以支持促進(jìn)無(wú)線通信系統(tǒng)物理層、接入層和網(wǎng)絡(luò)層以及先進(jìn)計(jì)算等技術(shù)的研究與發(fā)展為前提。其中，在一定計(jì)算復(fù)雜度的前提下，提升頻譜高速公路系統(tǒng)的感知可靠性、分配有效性以及決策實(shí)時(shí)性的技術(shù)將成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

5.4 轉(zhuǎn)變資源配置政策

我國(guó)通過(guò)頻譜資源管理，使有限的頻譜資源在服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)、促進(jìn)無(wú)線電相關(guān)行業(yè)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用，這得益于我國(guó)以行政審批手段為主的頻譜管理模式。目前，無(wú)線電管理部門正積極探索和推動(dòng)市場(chǎng)在無(wú)線電頻譜資源配置中發(fā)揮主導(dǎo)作用，構(gòu)建包含頻譜市場(chǎng)的現(xiàn)代頻譜管理體系。美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)表明：雖然構(gòu)建頻譜高速公路與通過(guò)市場(chǎng)配置頻譜資源并不矛盾，但是采用純市場(chǎng)手段構(gòu)建頻譜高速公路系統(tǒng)難度較大。由于需要在現(xiàn)有頻率分配的基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)頻段進(jìn)行二次分配，因此建議我國(guó)無(wú)線電管理部門以頻譜高速公路為契機(jī)，充分利用行政手段的協(xié)調(diào)優(yōu)勢(shì)，建立頻譜資源二次交易市場(chǎng)。無(wú)線電管理部門和原用戶作為頻譜資源的定價(jià)者，一方面可使授權(quán)用戶從頻譜高速公路系統(tǒng)的建設(shè)中獲益，另一方面無(wú)線電管理部門可從市場(chǎng)的合作與競(jìng)爭(zhēng)[20]中發(fā)掘新的頻譜共享機(jī)會(huì)。此外，各類用戶則能收獲相應(yīng)的頻譜共享紅利、改革紅利，進(jìn)一步可為頻譜資源市場(chǎng)化配置模式的推廣增加經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)在頻譜資源共享方面己有一定的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，頻譜感知、頻譜接入、頻譜切換過(guò)程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，如大范圍實(shí)時(shí)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)、動(dòng)態(tài)決策優(yōu)化算法、干擾預(yù)測(cè)與協(xié)調(diào)、機(jī)會(huì)頻譜接入技術(shù)、自適應(yīng)頻譜移動(dòng)和切換技術(shù)、用戶激勵(lì)和博弈行為模式、大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)、關(guān)聯(lián)區(qū)域的云計(jì)算等，仍然需要進(jìn)一步研究和解決。此外，從管理者的角度出發(fā)，急需通過(guò)一系列政策轉(zhuǎn)變，如將頻譜高速公路納入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略、推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備開發(fā)與建設(shè)、精心組織試點(diǎn)示范工作和產(chǎn)業(yè)布局等，來(lái)促成我國(guó)頻譜高速公路系統(tǒng)的廣泛實(shí)施，搶占頻譜戰(zhàn)略與技術(shù)的國(guó)際制高點(diǎn)。

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Research on the state’s spectrum super-highway system

ZHOU Yuzhe
Radio Management Institution,China Center for Information Industry Development,Beijing 100846,China

Under the background of profound contradiction between supply and demand of radio spectrum resource, the American and European countries are speeding up the research of efficient spectrum management policy and application technology.USA puts forward the concept of spectrum super-highway for the first time.On the basis of domestic and abroad research achievements in spectrum management,the basic meanings and characteristics of our state’s spectrum super-highway were defined,its main application fields were indicated,and then the system function architecture,network structure,and the corresponding system working procedures were proposed.In addition,related suggestions for our state’s spectrum super-highway system establishment were put forward,and outlook of issues in the process of construction was also provided.

spectrum super-highway,system architecture,spectrum sharing,spectrum handoff,spectrum market

TN915.9

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017006

2016-07-23；

2016-12-13

周鈺哲（1989-），男，中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院無(wú)線電管理研究所工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電管理與監(jiān)測(cè)、頻譜資源管理、信息通信技術(shù)政策等。