共享經(jīng)濟(jì)背景下頻譜共享的探索與研究

羅守志

【摘 要】隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，5G無線系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一是如何應(yīng)對(duì)前所未有的頻譜危機(jī)。一種潛在的解決方案便是頻譜共享。本文對(duì)5G頻譜共享方面的新機(jī)會(huì)進(jìn)行了初步研究，同時(shí)考慮了許可和未授權(quán)方案，特別是毫米波通信，對(duì)緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】共享經(jīng)濟(jì)；5G；頻譜共享；毫米波

一、引言

共享經(jīng)濟(jì)的出現(xiàn)（例如共享汽車或共享單車）已經(jīng)改變了人們的生活和出行方式。這種共享形式提高了資源利用效率。當(dāng)資源稀缺且更有價(jià)值時(shí)（例如無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源），共享效應(yīng)會(huì)增加。目前，5G網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源短缺嚴(yán)重。一種潛在的解決方案便是頻譜共享。

二、5G頻譜共享

（一）6GHz以下的頻譜共享

6GHz以下頻段可以支持5G的很多重要應(yīng)用，這種通信具有出色的傳播和室內(nèi)穿透特性。第一波5G移動(dòng)通信系統(tǒng)預(yù)計(jì)將部署在3.6GHz頻率范圍內(nèi)。與此同時(shí)，結(jié)合使用Massive MIMO和全維MIMO技術(shù)，可支持100Mbps +數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保持信元容量足夠大，以實(shí)現(xiàn)可行的部署。

為了兼顧5G場(chǎng)景的服務(wù)質(zhì)量要求，共享這些頻段的一個(gè)非常重要的選擇是許可共享接入（LSA）。在這種方法中，持有LSA許可證的用戶可以專用接入未充分使用的許可頻譜，從而在未被現(xiàn)用戶使用時(shí)享受可預(yù)測(cè)的服務(wù)質(zhì)量，從而保護(hù)其免受有害干擾。

（二）毫米波頻譜共享

毫米波通信已經(jīng)成為蜂窩網(wǎng)絡(luò)（5G及以上）和無線局域網(wǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)。盡管6GHz以下的傳統(tǒng)頻段的頻譜可用性有限，但毫米波頻率可提供更大數(shù)量級(jí)的帶寬。此外，毫米波通信的典型特征是具有非常窄的波束的傳輸，使移動(dòng)設(shè)備之間的定向隔離獲得進(jìn)一步的收益。大量帶寬和空間自由度的組合使得毫米波可以滿足一些最大膽的5G要求，包括更高的單位用戶峰值數(shù)據(jù)速率、高流量密度和非常低的延遲。用于5G的毫米波通信呈現(xiàn)出許多較低頻率不具備的特征：

（1）作為強(qiáng)制性要求的波束成形：所有以毫米波頻率工作的系統(tǒng)的共同特征是波束成形必須補(bǔ)償這些頻率中明顯更高的路徑損耗。例如，IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)支持四個(gè)發(fā)射機(jī)天線、四個(gè)接收機(jī)天線和128個(gè)扇區(qū)。波束成形在802.11ad中是強(qiáng)制性的，并且支持發(fā)射機(jī)側(cè)和接收機(jī)側(cè)波束成形。因此，波束為多種接入技術(shù)之間的頻譜共享提供了一個(gè)共同的新維度。

（2）“無限”空間復(fù)用的潛力：無線通信系統(tǒng)依賴于頻譜的空間共享，蜂窩通信則依賴于無線頻譜的空間再利用。在使用發(fā)射側(cè)和接收側(cè)波束成形的毫米波系統(tǒng)中，空間頻譜復(fù)用可以進(jìn)一步推向一維，每條傳輸鏈路的干擾占用空間變得非常接近一條線路，而不是一個(gè)區(qū)域。因此，在超窄波束的理想情況下，這將實(shí)現(xiàn)頻譜的無限空間復(fù)用。

三、與衛(wèi)星服務(wù)共享

固定衛(wèi)星服務(wù)（FSS）是對(duì)地靜止通信衛(wèi)星的官方分類，其提供向電視臺(tái)、廣播電臺(tái)等的傳輸。FSS上行鏈路（從FSS到衛(wèi)星）分配在27.5到30 GHz的頻帶內(nèi)，該頻帶與5G的24.25-27.5 GHz頻帶相鄰。因此，由于相鄰信道干擾，5G和FSS之間可能存在潛在的共享問題。可以應(yīng)用幾種認(rèn)知技術(shù)來改善5G-FSS共存。

毫米波波段中FSS和移動(dòng)蜂窩基站之間的共存已成為少數(shù)主要理論研究的主題。需要考慮如何通過利用5G毫米波系統(tǒng)的多種天線配置以及在FSS上行鏈路大量部署5G系統(tǒng)所產(chǎn)生的總干擾，來降低干擾水平。在信道共享最壞情況下進(jìn)行的研究已經(jīng)表明，由于使用了波束成形技術(shù)并結(jié)合了毫米波頻率的相對(duì)短距離的通信，空間共享比IMT先進(jìn)系統(tǒng)更可行。即使在這種最壞的情況下，F(xiàn)SS周圍所需的保護(hù)距離也比以前推薦的要小很多（約1公里，而不是數(shù)百公里）。此外，通過使用多個(gè)5G基站之間的協(xié)調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)頻譜共享中的進(jìn)一步增益。這些研究還表明，存在高度定向的FSS傳輸會(huì)導(dǎo)致5G毫米波網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的中斷。然而，由于高度定向的FSS傳輸，中斷區(qū)域被良好限制，可以通過使用5G用戶設(shè)備處的波束零陷和多基站協(xié)作的組合，以提高信號(hào)強(qiáng)度，來減輕對(duì)用戶設(shè)備處的影響。

四、共享未經(jīng)許可的毫米波譜

最近，蜂窩通信的一個(gè)趨勢(shì)是同時(shí)使用許可和未授權(quán)頻譜，以擴(kuò)展可用的系統(tǒng)帶寬。在這種情況下，提出了未經(jīng)許可頻譜中的LTE（簡(jiǎn)稱LTE-U），以使移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商能夠更有效率地將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)卸載到未經(jīng)許可的頻率上，提供了高性能和無縫的用戶體驗(yàn)。未授權(quán)頻段的集成也被視為5G蜂窩系統(tǒng)的關(guān)鍵推動(dòng)力之一。然而，與許可頻段中的典型操作不同，操作基站（BS）具有對(duì)頻譜的專用訪問權(quán)，并且因此能夠通過交換信令來協(xié)調(diào)以減輕相互干擾，這樣的多標(biāo)準(zhǔn)多運(yùn)營(yíng)商頻譜共享場(chǎng)景（如圖1所示）在干擾減輕方面對(duì)共存產(chǎn)生了重大挑戰(zhàn)。針對(duì)LTE-U的當(dāng)前共存機(jī)制，已經(jīng)有研究提出了具有先聽后說（LBT）協(xié)議的許可輔助接入（LAA）。在毫米波非授權(quán)共享的情況下，對(duì)于目前大多假定全向天線的共存機(jī)制而言，使用高定向天線作為5G網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵促成因素，便成為了問題。例如，如圖1所示，由于已經(jīng)使用的窄波束，可能不會(huì)檢測(cè)到由附近不同的5G基站或WiGig接入點(diǎn)（AP）進(jìn)行的傳輸，從而導(dǎo)致“波束碰撞”，這可能導(dǎo)致比常規(guī)系統(tǒng)更多的過度干擾。

我們注意到這種波束碰撞干擾情況也可能發(fā)生在毫米波通信中。但是，在這種情況下，來自4G的集中式資源分配算法可以擴(kuò)展到包括多個(gè)基站之間的波束調(diào)度以避免過度干擾。在未經(jīng)許可的毫米波頻譜共享的情況下，集中協(xié)調(diào)是不可能的，并且需要開發(fā)新的機(jī)制。目前提出的分享機(jī)制有，分布式和自組織的波束協(xié)調(diào)機(jī)制。

五、結(jié)語

隨著5G蜂窩系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的迅速發(fā)展和鞏固，與未來頻譜共享的相關(guān)問題和挑戰(zhàn)開始占據(jù)中心地位。此外，政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)強(qiáng)烈希望有效分配和使用5G頻譜。因此，鑒于鏈路狀態(tài)廣播（LSA）、認(rèn)知無線電和毫米波通信等技術(shù)的成熟，我們可以預(yù)期，頻譜共享將是未來幾年及以后的創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)化和頻譜管理的一個(gè)突出領(lǐng)域。