未來通信中的動態(tài)頻譜共享簡述

范亞超

摘 要：隨著無線通信技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)發(fā)展，未來通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境呈現(xiàn)高度復(fù)雜特性。作為新一代信息技術(shù)的重要載體，無線頻譜資源的有限稀缺性成為了制約無線通信行業(yè)發(fā)展的瓶頸。動態(tài)頻譜共享能有效提高頻譜利用率，解決頻譜供需矛盾，增強(qiáng)移動通信使用頻譜的靈活性，是解決傳統(tǒng)使用方式帶來的資源供需矛盾和資源利用率低等重要問題的有效手段。本文通過引入頻譜共享的背景及其研究現(xiàn)狀，簡述了動態(tài)頻譜共享概念，進(jìn)一步分析了動態(tài)頻譜共享未來研究方向。

關(guān)鍵詞：未來網(wǎng)絡(luò)；復(fù)雜環(huán)境；動態(tài)頻譜共享；認(rèn)知無線電；頻譜池

1 引言

在2018年9月美國洛杉磯舉辦的移動世界大會（MWCA2018）上，美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）委員Jessica Rosenworcel在演講中展望的6G技術(shù)原型為未來無線網(wǎng)絡(luò)描繪了新的藍(lán)圖。

2001年，英國Surrey大學(xué)的Paul Leaves等人最早提出動態(tài)頻譜分配的概念。2003年，F(xiàn)CC給出了認(rèn)知無線電的定義。隨后，各國的頻譜管理部門、組織、研究機(jī)構(gòu)紛紛展開相關(guān)研究。FCC、IEEE 802.22工作組以及歐盟的FP7都致力于研究基于認(rèn)知無線電技術(shù)的空閑頻譜利用。歐盟于2012年通過了開展無線電頻譜政策計劃的提案，支持 LSA 作為頻譜共享的一種方式。2013年，芬 蘭 在2.3GHz頻 段TD-LTE網(wǎng) 絡(luò) 上 進(jìn) 行 了 全 球 首 次ASA/LSA頻譜共享試驗，證明授權(quán)共享接入可為5G網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)基礎(chǔ)。FCC于2015年在3.5GHz上推出了公眾無線寬帶服務(wù)（CBRS）的三層共享接入體系，通過集中的頻譜訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來動態(tài)管理優(yōu)先級類型不同的無線流量。同年，LTE-U論壇發(fā)布了其首個關(guān)于應(yīng)用5GHz非授權(quán)頻譜的技術(shù)規(guī)范。

相比之下，國內(nèi)動態(tài)頻譜共享相關(guān)技術(shù)理論的研究起步較晚，但取得了飛速發(fā)展。以國 家科技重大專項、973 項目、863 項目、自然基金項目、及企業(yè)產(chǎn)學(xué)研項目為依托，國內(nèi)知名高校（如清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京郵電大學(xué)）和華為、中興等企業(yè)積極參與，推動了相關(guān)理論研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面的發(fā)展。隨后，“TD-LTE 系統(tǒng)中的認(rèn)知無線電技術(shù)研究與驗證”獲得國家重大科技專項項目支持，開啟了認(rèn)知無線電實用化進(jìn)程。

本文通過介紹頻譜共享的背景及其研究現(xiàn)狀，對動態(tài)頻譜共享技術(shù)進(jìn)行了闡述，并討論了兩種頻譜共享實現(xiàn)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了未來動態(tài)頻譜共享的研究方向。毋庸置疑，無線頻譜不僅是未來信息化建設(shè)的物理承載體，更是一種國家層面的戰(zhàn)略性資源，積極開展穩(wěn)健、高效的頻譜共享基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，有望促使現(xiàn)代信息技術(shù)成為推動國民經(jīng)濟(jì)增長與保障國防安全的新生力量。

2.動態(tài)頻譜共享概述

早于新世紀(jì)之初，美國FCC率先開創(chuàng)了授權(quán)頻譜拍賣規(guī)則。然而頻譜授權(quán)的方式存在因授權(quán)用戶獨占頻段而造成頻譜閑置、利用不充分等問題，這種獨享頻譜資源的分配方式加劇了頻譜供需矛盾。面向萬物智聯(lián)時代，無線業(yè)務(wù)滲透于各行各業(yè)，頻譜資源對經(jīng)濟(jì)支撐的重要性越發(fā)關(guān)鍵，傳統(tǒng)授權(quán)頻譜分配方式因在使用權(quán)限和范圍上存在局限性，從而阻礙社會的創(chuàng)新發(fā)展。為此，F(xiàn)CC在審視傳統(tǒng)無線頻譜管理模式弊端的基礎(chǔ)上，倡導(dǎo)部署靈活高效的頻譜接入形式，即動態(tài)頻譜（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）共享技術(shù)，以提高頻譜使用效率。

DSS技術(shù)主要是在不改變現(xiàn)有頻譜分配的架構(gòu)下，為多種業(yè)務(wù)在有限的頻譜資源內(nèi)提供動態(tài)接入的機(jī)制，包括基于業(yè)務(wù)的頻譜避讓機(jī)制、基于位置和電磁環(huán)境的智能頻譜選擇機(jī)制等，從而實現(xiàn)不同權(quán)限用戶和多種業(yè)務(wù)的共存，進(jìn)而有效提高頻譜利用率，解決頻譜供需矛盾，打破制約無線通信行業(yè)發(fā)展的瓶頸，增強(qiáng)移動通信使用頻譜的靈活性。在商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定方面，DSS技術(shù)得到LTE-A、IEEE 802.11n和LTE-U等諸多無線新標(biāo)準(zhǔn)的青睞，成為一項未來無線標(biāo)準(zhǔn)核心技術(shù)。從實現(xiàn)角度來看，DSS包含認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）和頻譜池技術(shù)?；贑R的DSS遵循IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“先感知-后操作”機(jī)制，即共享用戶先感知擬接入頻段的占用狀態(tài)，根據(jù)頻譜感知結(jié)果，自適應(yīng)地調(diào)整自身操作參數(shù)（發(fā)射功率、載波頻率、調(diào)制編碼方式），執(zhí)行機(jī)會式共享傳輸。因此在不對授權(quán)用戶產(chǎn)生有害干擾的前提下，可利用授權(quán)用戶的空閑頻譜提高整體頻譜利用率。頻譜池是指通過頻譜管理系統(tǒng)將不同用戶的空閑頻譜集中起來形成一個資源池。頻譜池中提供空閑頻譜的用戶為主用戶，通過申請和使用頻譜的用戶為次用戶。頻譜池需要有一個第三方頻譜管理系統(tǒng)，通過一定的市場手段有效配置頻譜資源對整個系統(tǒng)進(jìn)行管理。

3 未來研究方向

傳統(tǒng)頻譜共享技術(shù)在接入模式和優(yōu)化算法兩個方面均存在缺陷，難以應(yīng)對未來無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的多種復(fù)雜特性。具體來說，首先現(xiàn)有的頻譜接入模式主要面向授權(quán)頻段機(jī)會共享，因而常采用單一維度的頻譜感知/接入。

首先，為了順應(yīng)未來超密集網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，拓展無線頻譜共享維度無疑是增加其效率的最佳途徑；其次，長期以來，無線傳輸環(huán)境中所固有的不確定性（包括移動用戶位置、時變信道增益、耦合干擾結(jié)構(gòu)、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞龋┮恢毕拗浦W(wǎng)絡(luò)性能提升；再者，無線傳輸終端設(shè)備的多樣性一方面為便捷靈活的無線服務(wù)提供了實現(xiàn)可能，另一方面也為高效精準(zhǔn)的動態(tài)頻譜共享帶來巨大挑戰(zhàn)?；谝陨戏治?，本文指出面向未來復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)頻譜共享的幾個研究方向。

3.1超密集網(wǎng)絡(luò)中多維頻譜共享

伴隨著未來無線傳輸技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，用戶數(shù)量與數(shù)據(jù)流量均出現(xiàn)了指數(shù)增長，未來無線網(wǎng)絡(luò)勢必向超密集網(wǎng)絡(luò)（ultra-dense network，UDN）演進(jìn)。在此背景下，單一維度、集中式無線頻譜共享方式已然無法滿足上述需求；同時，UND 用戶之間大量信息交互，勢必耗費巨大系統(tǒng)時間/能量資源；再者，現(xiàn)有頻譜接入方案鮮有考慮用戶地理位置信息，因而盡管理論上存在空間維度復(fù)用增益，實際中卻通常難以實現(xiàn)。因此，研究超密集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的動態(tài)頻譜共享具有現(xiàn)實必要性。

3.2復(fù)雜環(huán)境中可靠頻譜共享

伴隨著多種智能設(shè)備的出現(xiàn)與激增，未來無線通信的終端多樣化、拓?fù)洚悩?gòu)化將使得網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出嫉妒復(fù)雜特性。傳統(tǒng)對頻譜資源的共享優(yōu)化均面向靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的無線環(huán)境，未考慮實際通信場景中的多種動態(tài)不確定因素，如用戶位置的隨機(jī)移動、鏈路質(zhì)量的斷續(xù)時變、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)遷移等。但是作為實際無線通信場景的固有特性，其不可預(yù)測的隨機(jī)動態(tài)會極大地影響現(xiàn)有算法的優(yōu)化性能。因此，未來復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的動態(tài)頻譜共享是另一個重要的研究方向。

4.結(jié)束語

動態(tài)頻譜共享技術(shù)能有效提高頻譜利用率，是解決頻譜供需矛盾、打破制約無線通信行業(yè)發(fā)展瓶頸的重要技術(shù)手段，是滿足我國在 未來通信系統(tǒng)發(fā)展新需求的重要技術(shù)途徑。本文闡述了動態(tài)頻譜共享的必要性和緊迫性，并討論了兩種頻譜共享實現(xiàn)技術(shù)，進(jìn)一步指出了面向未來復(fù)雜通信環(huán)境的動態(tài)頻譜共享研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] MWC Americas – Mobile World Congress Americas，https：//www.mwcamericas.com/.