天地一體化信息網絡頻譜共享技術的綜述與展望（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這種新型網絡建設，從空口波形及核心網設計之初便考慮一體化頻譜協同是一種優選方案。一體化頻譜協同系統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，系統需要具備通過軟件可配置實現空口波形統一設計框架，有效地滿足不同應用場景、不同通信資源需求的系統協同需求。特別在智能頻譜協作過程中，由軟件定義的空口波形統一設計框架自適應調整物理層幀結構、調制方式、加擾類型、編解碼與交織模塊等，使得空口波形根據一體化頻譜協同與業務場景的需求量身定制，從而提升空口波形的使用效率。核心網資源管理調度統一設計是為了確保全網資源的統一調度。一體化頻譜協同需要采用分布式網絡資源調度與管理技術，通過分布在網絡節點中的通用資源調度器，同時實現協同資源管理與核心網資源混合調度。必須針對核心網資源管理調度算法進行統一架構設計，才能實現分布在各個網絡節點的通用資源調度器的兼容與協同工作。在核心網資源管理調度統一設計中，需涵蓋如下幾個典型網絡應用場景：超大規模實時計算魯棒網絡接入、大規模異構網絡在核心網域的協同調度、海量數據支持下的邊緣計算域調度框架。

3 研究現狀

3.1 同頻共存研究現狀

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知無線電技術的重要技術之一。針對現有地面頻譜感知算法不能完全適用于天地一體化網絡，業界對空天地網絡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作框架的空間段設計；文獻[12]利用衛星和基站的協作，提出了一種基于模糊神經網絡的頻譜感知方案，并使用具有可用感應集的模糊推理系統確定最佳檢測概率；文獻[13]重點介紹了適合衛星通信的雙門限協作頻譜感知算法；文獻[14]將認知衛星地面網絡與分布式協作頻譜感知網絡相集成，通過在平均吞吐量和平均能耗之間進行權衡來最大化認知衛星網絡的能量效率。

此外，基于頻譜感知結果，提出了諸多接入方法。文獻[15]針對無人機的不斷移動導致頻譜決策在短時間內無效，以及無人飛行器需要預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]研究了地面混合衛星頻譜共享系統，并提出了一種使用部分和機會二次網絡選擇方案基于放大轉發的覆蓋頻譜共享協議，針對主網絡和次網絡的中斷概率導出了封閉形式的表達式；文獻[17]基于遺憾指標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]針對地面網絡作為非授權用戶共享衛星頻譜的場景，在衛星用戶施加的中斷概率約束下，提出了基于最大化服務質量的功率控制方法，以確保地面網絡用戶與衛星用戶的無干擾頻譜共享；文獻[19]提出了基于云的地面衛星綜合網絡，同時對于CSI不完善的情況，提出了一種關于子信道和功率的資源分配方案，在限制對衛星的總干擾同時最大程度地提高地面系統的總容量；文獻[20]針對低軌巨型星座和地面D2D模式的頻譜共享場景，提出了非授權用戶的自適應最佳功率分配算法；文獻[21]針對認知衛星網絡的頻譜共享，研究基于分布式競爭中地面認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量來計算干擾的方法；文獻[23]基于波束賦形技術，針對衛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，其采用相控陣波束優化使地面回程節點通過更改每個波束成形權重的相位來減少干擾；文獻[24]針對星地協助通信場景，提出了一個認知區域來確定地面節點為有效中繼，以分時頻譜共享方式實現衛星和地面網絡的合作，并給出輔助中繼器的可行位置集和相應的時分比范圍，從而可以在提高衛星通信性能的同時實現地面網絡的傳輸；文獻[25]通過分析地面蜂窩系統和非對地靜止系統的下行鏈路和上行鏈路對靜止軌道系統造成的干擾，提出了衛星和地面網絡的通用頻譜共享框架，并在地面和靜止軌道系統之間的頻譜共享中，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，給出了保護區域的計算。

3.1.4 基于數據庫輔助的頻譜接入方法

文獻[26]在毫米波頻段下，提出了基于數據庫輔助頻譜共享，蜂窩基站利用低地球軌道和中地球軌道衛星廣播并由地球站共享的覆蓋區域信息來調整發射功率的方案；文獻[27]在歐洲航天局“電信系統高級研究”計劃的研究基礎上，討論了在衛星電信網絡與地面及其他衛星網絡之間共享頻譜的可行性以及使用頻譜數據庫來實現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據庫來協調信息交互以進行頻譜使用和監視，并提出了一種檢測框架來檢測違反干擾約束行為，并設計了基于感知節點選擇的數據融合方案，以減輕主要用戶的存在對檢測性能的負面影響。

3.2 一體化頻譜協同研究現狀

一體化頻譜協同設計是面向空天地一體化新型信息網絡架構的頻譜共享方案，目前該方向的進展主要集中在空口波形設計和核心網資源管理調度方面。

文獻[29]介紹了支持5G蜂窩和衛星多連接環境中的頻譜共享的5GALLSTAR項目的初步結果，描述了在項目中開發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絡的系統，并描述了三種信號處理（與5G NR兼容的物理層的硬件實現）、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（旨在共同優化衛星和地面資源共享的工具）三種一體化空口設計的思路；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更多的用戶；文獻[31]提出了一種與地面移動3D室內小蜂窩（即毫微微小區）共享衛星頻譜的新技術，建議將衛星頻譜重用于僅部署在TMS 3D建筑物中的小型小區；文獻[32]針對包含集成衛星移動系統和自主地面移動系統的多種通信系統，提出了一種協調干擾的干擾管理方案及用于分配資源的全局資源調度器。文獻[33]文章提出了一種協作波束成形方案，以在認知空天地一體化網絡的開放信道環境下，實現安全高效的物聯網通信；文獻[34]設計了一種新的支持虛擬化技術的星地融合網絡架構，滿足來自異構設備的各種QoS要求，并基于該架構提出了一種動態虛擬化的QoS驅動的頻譜分配算法。

4 結論與展望

天地一體化信息網絡將多元的通信平臺相結合，可為人們提供更廣闊、更為多樣化的無線通信服務，是未來移動通信發展的重要趨勢。頻譜資源是天地一體化網絡的重要通信媒介，而頻譜的緊缺特性及利用效率低等問題驅動著頻譜共享技術的研究。本文從天地一體化網絡中各子系統同頻共存和一體化頻譜協同設計兩個方面對天地一體化信息網絡頻譜共享研究現狀及進展進行了綜述，為該領域的發展啟發新的研究思路。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。從研究現狀的總結中可以看出，該領域以積累諸多的研究工作，但仍存在一些挑戰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致頻譜感知結果信息融合難；基于功率控制或空域隔離的頻譜共存方式對信道狀態信息和授權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?。灰惑w化設計雖然可以從全局調度的角度獲得最優的資源分配，但天地一體化信息網絡過于龐大必然會對一體化核心網的調度計算產生壓力。針對上述問題，本文進行了如下展望：

（1）認知無線電技術輔助的一體化頻譜協同。認知無線電技術是在授權用戶和非授權用戶無協作的情況下進行的一種盡力而為的干擾規避措施，其效果一般為局部優化性且易受頻譜感知誤差等的影響。而一體化頻譜協同則從全局出發，以統一化的角度進行整體的空口正交設計和核心網調度，但其往往因考慮對 象過大、涵蓋內容過而不易設計。結合兩種技術路線的優勢，可以設計基于認知無線電技術輔助的一體化頻譜協同方案，以更好地解決天地一體化信息網絡頻譜共享問題。

（2）基于人工智能的頻譜管理?？仗斓匾惑w化信息網絡頻譜環境復雜多變，交互實體眾多，原有基于靜態優化方式的頻譜共享方案靈活性不高、自適應性差。近年來興起的人工智能技術，尤其是深度強化學習，可以通過與環境的交互及獎勵來激勵智能體作出自適應的決策結果，可為構建未來天地一體化智能頻譜管理系統提供有力支撐。

（3）基于區塊鏈的天地一體化頻譜共享。天地一體化信息網絡是一個多方共建的網絡架構，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譜動態共享情況并保障不同實體間頻譜交易的準確性和高效性，是全網運營穩定運營的重要保證。區塊鏈技術憑借其分布式多方共識、不可篡改的自動執行智能合約等優勢，可以為該領域提供底層技術支持。

（全文完）