未來通信中的動態頻譜共享簡述

范亞超

摘 要：隨著無線通信技術的持續演進發展，未來通信網絡環境呈現高度復雜特性。作為新一代信息技術的重要載體，無線頻譜資源的有限稀缺性成為了制約無線通信行業發展的瓶頸。動態頻譜共享能有效提高頻譜利用率，解決頻譜供需矛盾，增強移動通信使用頻譜的靈活性，是解決傳統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狀，簡述了動態頻譜共享概念，進一步分析了動態頻譜共享未來研究方向。

關鍵詞：未來網絡；復雜環境；動態頻譜共享；認知無線電；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，美國聯邦通訊委員會（FCC）委員Jessica Rosenworcel在演講中展望的6G技術原型為未來無線網絡描繪了新的藍圖。

2001年，英國Surrey大學的Paul Leaves等人最早提出動態頻譜分配的概念。2003年，FCC給出了認知無線電的定義。隨后，各國的頻譜管理部門、組織、研究機構紛紛展開相關研究。FCC、IEEE 802.22工作組以及歐盟的FP7都致力于研究基于認知無線電技術的空閑頻譜利用。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 絡 上 進 行 了 全 球 首 次ASA/LSA頻譜共享試驗，證明授權共享接入可為5G網絡提供技術基礎。FCC于2015年在3.5GHz上推出了公眾無線寬帶服務（CBRS）的三層共享接入體系，通過集中的頻譜訪問數據庫系統來動態管理優先級類型不同的無線流量。同年，LTE-U論壇發布了其首個關于應用5GHz非授權頻譜的技術規范。

相比之下，國內動態頻譜共享相關技術理論的研究起步較晚，但取得了飛速發展。以國 家科技重大專項、973 項目、863 項目、自然基金項目、及企業產學研項目為依托，國內知名高校（如清華大學、北京郵電大學、西安電子科技大學、電子科技大學、浙江大學、哈爾濱工業大學、南京郵電大學）和華為、中興等企業積極參與，推動了相關理論研究和產業應用方面的發展。隨后，“TD-LTE 系統中的認知無線電技術研究與驗證”獲得國家重大科技專項項目支持，開啟了認知無線電實用化進程。

本文通過介紹頻譜共享的背景及其研究現狀，對動態頻譜共享技術進行了闡述，并討論了兩種頻譜共享實現技術。在此基礎上進一步探討了未來動態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的物理承載體，更是一種國家層面的戰略性資源，積極開展穩健、高效的頻譜共享基礎理論與關鍵技術研究，有望促使現代信息技術成為推動國民經濟增長與保障國防安全的新生力量。

2.動態頻譜共享概述

早于新世紀之初，美國FCC率先開創了授權頻譜拍賣規則。然而頻譜授權的方式存在因授權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。面向萬物智聯時代，無線業務滲透于各行各業，頻譜資源對經濟支撐的重要性越發關鍵，傳統授權頻譜分配方式因在使用權限和范圍上存在局限性，從而阻礙社會的創新發展。為此，FCC在審視傳統無線頻譜管理模式弊端的基礎上，倡導部署靈活高效的頻譜接入形式，即動態頻譜（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）共享技術，以提高頻譜使用效率。

DSS技術主要是在不改變現有頻譜分配的架構下，為多種業務在有限的頻譜資源內提供動態接入的機制，包括基于業務的頻譜避讓機制、基于位置和電磁環境的智能頻譜選擇機制等，從而實現不同權限用戶和多種業務的共存，進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發展的瓶頸，增強移動通信使用頻譜的靈活性。在商業標準制定方面，DSS技術得到LTE-A、IEEE 802.11n和LTE-U等諸多無線新標準的青睞，成為一項未來無線標準核心技術。從實現角度來看，DSS包含認知無線電（Cognitive Radio，CR）和頻譜池技術。基于CR的DSS遵循IEEE 802.22標準規定的“先感知-后操作”機制，即共享用戶先感知擬接入頻段的占用狀態，根據頻譜感知結果，自適應地調整自身操作參數（發射功率、載波頻率、調制編碼方式），執行機會式共享傳輸。因此在不對授權用戶產生有害干擾的前提下，可利用授權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，通過一定的市場手段有效配置頻譜資源對整個系統進行管理。

3 未來研究方向

傳統頻譜共享技術在接入模式和優化算法兩個方面均存在缺陷，難以應對未來無線異構網絡中的多種復雜特性。具體來說，首先現有的頻譜接入模式主要面向授權頻段機會共享，因而常采用單一維度的頻譜感知/接入。

首先，為了順應未來超密集網絡的發展趨勢，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、耦合干擾結構、動態網絡拓撲等）一直限制著網絡性能提升；再者，無線傳輸終端設備的多樣性一方面為便捷靈活的無線服務提供了實現可能，另一方面也為高效精準的動態頻譜共享帶來巨大挑戰。基于以上分析，本文指出面向未來復雜通信網絡的動態頻譜共享的幾個研究方向。

3.1超密集網絡中多維頻譜共享

伴隨著未來無線傳輸技術的持續發展，用戶數量與數據流量均出現了指數增長，未來無線網絡勢必向超密集網絡（ultra-dense network，UDN）演進。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，勢必耗費巨大系統時間/能量資源；再者，現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用增益，實際中卻通常難以實現。因此，研究超密集網絡環境下的動態頻譜共享具有現實必要性。

3.2復雜環境中可靠頻譜共享

伴隨著多種智能設備的出現與激增，未來無線通信的終端多樣化、拓撲異構化將使得網絡呈現出嫉妒復雜特性。傳統對頻譜資源的共享優化均面向靜態或準靜態的無線環境，未考慮實際通信場景中的多種動態不確定因素，如用戶位置的隨機移動、鏈路質量的斷續時變、網絡拓撲的動態遷移等。但是作為實際無線通信場景的固有特性，其不可預測的隨機動態會極大地影響現有算法的優化性能。因此，未來復雜通信網絡環境下的動態頻譜共享是另一個重要的研究方向。

4.結束語

動態頻譜共享技術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發展瓶頸的重要技術手段，是滿足我國在 未來通信系統發展新需求的重要技術途徑。本文闡述了動態頻譜共享的必要性和緊迫性，并討論了兩種頻譜共享實現技術，進一步指出了面向未來復雜通信環境的動態頻譜共享研究方向。

參考文獻

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