天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)頻譜共享技術(shù)的綜述與展望（下）

孫永林

（海裝重大專項裝備項目管理中心，北京 100000）

（接上期）

2.2 一體化頻譜協(xié)同的主要研究問題

對于類似于基于天地一體化的6G這種新型網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，從空口波形及核心網(wǎng)設(shè)計之初便考慮一體化頻譜協(xié)同是一種優(yōu)選方案。一體化頻譜協(xié)同系統(tǒng)必須保證物理層信號的正交性。因此針對不同體制的無線空口信號，系統(tǒng)需要具備通過軟件可配置實現(xiàn)空口波形統(tǒng)一設(shè)計框架，有效地滿足不同應(yīng)用場景、不同通信資源需求的系統(tǒng)協(xié)同需求。特別在智能頻譜協(xié)作過程中，由軟件定義的空口波形統(tǒng)一設(shè)計框架自適應(yīng)調(diào)整物理層幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、加擾類型、編解碼與交織模塊等，使得空口波形根據(jù)一體化頻譜協(xié)同與業(yè)務(wù)場景的需求量身定制，從而提升空口波形的使用效率。核心網(wǎng)資源管理調(diào)度統(tǒng)一設(shè)計是為了確保全網(wǎng)資源的統(tǒng)一調(diào)度。一體化頻譜協(xié)同需要采用分布式網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度與管理技術(shù)，通過分布在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的通用資源調(diào)度器，同時實現(xiàn)協(xié)同資源管理與核心網(wǎng)資源混合調(diào)度。必須針對核心網(wǎng)資源管理調(diào)度算法進行統(tǒng)一架構(gòu)設(shè)計，才能實現(xiàn)分布在各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通用資源調(diào)度器的兼容與協(xié)同工作。在核心網(wǎng)資源管理調(diào)度統(tǒng)一設(shè)計中，需涵蓋如下幾個典型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景：超大規(guī)模實時計算魯棒網(wǎng)絡(luò)接入、大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)域的協(xié)同調(diào)度、海量數(shù)據(jù)支持下的邊緣計算域調(diào)度框架。

3 研究現(xiàn)狀

3.1 同頻共存研究現(xiàn)狀

3.1.1 基于頻譜感知的機會頻譜接入

基于頻譜感知的頻譜共享是認(rèn)知無線電技術(shù)的重要技術(shù)之一。針對現(xiàn)有地面頻譜感知算法不能完全適用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)，業(yè)界對空天地網(wǎng)絡(luò)中的頻譜感知方法進行了著重研究。文獻[11]提出了一種基于頻譜感知的協(xié)作框架的空間段設(shè)計；文獻[12]利用衛(wèi)星和基站的協(xié)作，提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方案，并使用具有可用感應(yīng)集的模糊推理系統(tǒng)確定最佳檢測概率；文獻[13]重點介紹了適合衛(wèi)星通信的雙門限協(xié)作頻譜感知算法；文獻[14]將認(rèn)知衛(wèi)星地面網(wǎng)絡(luò)與分布式協(xié)作頻譜感知網(wǎng)絡(luò)相集成，通過在平均吞吐量和平均能耗之間進行權(quán)衡來最大化認(rèn)知衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的能量效率。

此外，基于頻譜感知結(jié)果，提出了諸多接入方法。文獻[15]針對無人機的不斷移動導(dǎo)致頻譜決策在短時間內(nèi)無效，以及無人飛行器需要預(yù)測頻譜的可能時間和空間休假等情況提出了一種快速頻譜感知算法，通過優(yōu)化誤差估計和漏檢的恒定比率來提高能量檢測性能；文獻[16]研究了地面混合衛(wèi)星頻譜共享系統(tǒng)，并提出了一種使用部分和機會二次網(wǎng)絡(luò)選擇方案基于放大轉(zhuǎn)發(fā)的覆蓋頻譜共享協(xié)議，針對主網(wǎng)絡(luò)和次網(wǎng)絡(luò)的中斷概率導(dǎo)出了封閉形式的表達式；文獻[17]基于遺憾指標(biāo)最小化提出了一種支持分層頻譜共享和跨多個通道的動態(tài)頻譜訪問方案。

3.1.2 基于功率控制的頻譜共存接入

文獻[18]針對地面網(wǎng)絡(luò)作為非授權(quán)用戶共享衛(wèi)星頻譜的場景，在衛(wèi)星用戶施加的中斷概率約束下，提出了基于最大化服務(wù)質(zhì)量的功率控制方法，以確保地面網(wǎng)絡(luò)用戶與衛(wèi)星用戶的無干擾頻譜共享；文獻[19]提出了基于云的地面衛(wèi)星綜合網(wǎng)絡(luò)，同時對于CSI不完善的情況，提出了一種關(guān)于子信道和功率的資源分配方案，在限制對衛(wèi)星的總干擾同時最大程度地提高地面系統(tǒng)的總?cè)萘?；文獻[20]針對低軌巨型星座和地面D2D模式的頻譜共享場景，提出了非授權(quán)用戶的自適應(yīng)最佳功率分配算法；文獻[21]針對認(rèn)知衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享，研究基于分布式競爭中地面認(rèn)知終端的行動策略來制定頻譜分配方案，通過將問題表述為古諾博弈模型，提出了一種可滿足用戶信息不完整情況的可行頻譜分配方案。

3.1.3 基于空域隔離的干擾規(guī)避

文獻[22]針對星地頻譜共享給出了一個匯總干擾模型，是一種基于共享上行頻譜的地面用戶數(shù)量來計算干擾的方法；文獻[23]基于波束賦形技術(shù)，針對衛(wèi)星和地面回程鏈路之間的頻譜共存提出了一種干擾緩解技術(shù)，其采用相控陣波束優(yōu)化使地面回程節(jié)點通過更改每個波束成形權(quán)重的相位來減少干擾；文獻[24]針對星地協(xié)助通信場景，提出了一個認(rèn)知區(qū)域來確定地面節(jié)點為有效中繼，以分時頻譜共享方式實現(xiàn)衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)的合作，并給出輔助中繼器的可行位置集和相應(yīng)的時分比范圍，從而可以在提高衛(wèi)星通信性能的同時實現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)的傳輸；文獻[25]通過分析地面蜂窩系統(tǒng)和非對地靜止系統(tǒng)的下行鏈路和上行鏈路對靜止軌道系統(tǒng)造成的干擾，提出了衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)的通用頻譜共享框架，并在地面和靜止軌道系統(tǒng)之間的頻譜共享中，分析了配備全向天線的基站和具有波束賦型功能基站兩種情況，給出了保護區(qū)域的計算。

3.1.4 基于數(shù)據(jù)庫輔助的頻譜接入方法

文獻[26]在毫米波頻段下，提出了基于數(shù)據(jù)庫輔助頻譜共享，蜂窩基站利用低地球軌道和中地球軌道衛(wèi)星廣播并由地球站共享的覆蓋區(qū)域信息來調(diào)整發(fā)射功率的方案；文獻[27]在歐洲航天局“電信系統(tǒng)高級研究”計劃的研究基礎(chǔ)上，討論了在衛(wèi)星電信網(wǎng)絡(luò)與地面及其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間共享頻譜的可行性以及使用頻譜數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)受控頻譜共享的方案；文獻[28]引入了一個新的地理定位頻譜數(shù)據(jù)庫來協(xié)調(diào)信息交互以進行頻譜使用和監(jiān)視，并提出了一種檢測框架來檢測違反干擾約束行為，并設(shè)計了基于感知節(jié)點選擇的數(shù)據(jù)融合方案，以減輕主要用戶的存在對檢測性能的負(fù)面影響。

3.2 一體化頻譜協(xié)同研究現(xiàn)狀

一體化頻譜協(xié)同設(shè)計是面向空天地一體化新型信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的頻譜共享方案，目前該方向的進展主要集中在空口波形設(shè)計和核心網(wǎng)資源管理調(diào)度方面。

文獻[29]介紹了支持5G蜂窩和衛(wèi)星多連接環(huán)境中的頻譜共享的5GALLSTAR項目的初步結(jié)果，描述了在項目中開發(fā)的基于光線跟蹤和基于幾何的隨機通道模型。這些模型可用于模擬涉及地面和非地面網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，并描述了三種信號處理（與5G NR兼容的物理層的硬件實現(xiàn)）、波束成形（控制波束和切換波束，以便在保持頻譜效率的同時避免干擾）及無線電資源管理（旨在共同優(yōu)化衛(wèi)星和地面資源共享的工具）三種一體化空口設(shè)計的思路；文獻[30]提出了一種擴展到頻域的編碼隨機接入新方案，通過充分使用時隙和頻率來服務(wù)更多的用戶；文獻[31]提出了一種與地面移動3D室內(nèi)小蜂窩（即毫微微小區(qū)）共享衛(wèi)星頻譜的新技術(shù)，建議將衛(wèi)星頻譜重用于僅部署在TMS 3D建筑物中的小型小區(qū)；文獻[32]針對包含集成衛(wèi)星移動系統(tǒng)和自主地面移動系統(tǒng)的多種通信系統(tǒng)，提出了一種協(xié)調(diào)干擾的干擾管理方案及用于分配資源的全局資源調(diào)度器。文獻[33]文章提出了一種協(xié)作波束成形方案，以在認(rèn)知空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的開放信道環(huán)境下，實現(xiàn)安全高效的物聯(lián)網(wǎng)通信；文獻[34]設(shè)計了一種新的支持虛擬化技術(shù)的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足來自異構(gòu)設(shè)備的各種QoS要求，并基于該架構(gòu)提出了一種動態(tài)虛擬化的QoS驅(qū)動的頻譜分配算法。

4 結(jié)論與展望

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)將多元的通信平臺相結(jié)合，可為人們提供更廣闊、更為多樣化的無線通信服務(wù)，是未來移動通信發(fā)展的重要趨勢。頻譜資源是天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要通信媒介，而頻譜的緊缺特性及利用效率低等問題驅(qū)動著頻譜共享技術(shù)的研究。本文從天地一體化網(wǎng)絡(luò)中各子系統(tǒng)同頻共存和一體化頻譜協(xié)同設(shè)計兩個方面對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)頻譜共享研究現(xiàn)狀及進展進行了綜述，為該領(lǐng)域的發(fā)展啟發(fā)新的研究思路。首先列舉了多種天地一體化頻譜共享場景，并針對同頻共存和一體化頻譜協(xié)同需要研究的問題進行了闡述，最后列舉了解決上述問題的研究成果。從研究現(xiàn)狀的總結(jié)中可以看出，該領(lǐng)域以積累諸多的研究工作，但仍存在一些挑戰(zhàn)和開放性問題亟待解決。比如：天地一體化頻譜共享作用空間大導(dǎo)致頻譜感知結(jié)果信息融合難；基于功率控制或空域隔離的頻譜共存方式對信道狀態(tài)信息和授權(quán)用戶的干擾測量信息依賴過大，而上述信息均不易實時精確獲??；一體化設(shè)計雖然可以從全局調(diào)度的角度獲得最優(yōu)的資源分配，但天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)過于龐大必然會對一體化核心網(wǎng)的調(diào)度計算產(chǎn)生壓力。針對上述問題，本文進行了如下展望：

（1）認(rèn)知無線電技術(shù)輔助的一體化頻譜協(xié)同。認(rèn)知無線電技術(shù)是在授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶無協(xié)作的情況下進行的一種盡力而為的干擾規(guī)避措施，其效果一般為局部優(yōu)化性且易受頻譜感知誤差等的影響。而一體化頻譜協(xié)同則從全局出發(fā)，以統(tǒng)一化的角度進行整體的空口正交設(shè)計和核心網(wǎng)調(diào)度，但其往往因考慮對 象過大、涵蓋內(nèi)容過而不易設(shè)計。結(jié)合兩種技術(shù)路線的優(yōu)勢，可以設(shè)計基于認(rèn)知無線電技術(shù)輔助的一體化頻譜協(xié)同方案，以更好地解決天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)頻譜共享問題。

（2）基于人工智能的頻譜管理?？仗斓匾惑w化信息網(wǎng)絡(luò)頻譜環(huán)境復(fù)雜多變，交互實體眾多，原有基于靜態(tài)優(yōu)化方式的頻譜共享方案靈活性不高、自適應(yīng)性差。近年來興起的人工智能技術(shù)，尤其是深度強化學(xué)習(xí)，可以通過與環(huán)境的交互及獎勵來激勵智能體作出自適應(yīng)的決策結(jié)果，可為構(gòu)建未來天地一體化智能頻譜管理系統(tǒng)提供有力支撐。

（3）基于區(qū)塊鏈的天地一體化頻譜共享。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是一個多方共建的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，頻譜的共享在不同實體間進行，因此對于頻譜感知和信息融合中存在的誤差和虛假欺騙行為等問題不可忽視?？尚徘夜降暮饬款l譜動態(tài)共享情況并保障不同實體間頻譜交易的準(zhǔn)確性和高效性，是全網(wǎng)運營穩(wěn)定運營的重要保證。區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其分布式多方共識、不可篡改的自動執(zhí)行智能合約等優(yōu)勢，可以為該領(lǐng)域提供底層技術(shù)支持。

（全文完）