頻譜共享應用中的動態頻率規劃方案探討

張冬晨, 孟德香, 孫超

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

1 引言

頻譜共享是提高頻譜利用率、緩解局部頻譜緊張局面的重要探索，是當前國內外無線通信領域的研究熱點[1～3]。頻譜共享技術的核心思想是改變傳統的頻率靜態分配的使用方式，允許多個無線系統在不相互干擾的情況下，動態共用相同的頻率資源。頻譜共享技術的出現為當前蜂窩移動通信發展的頻譜緊張局面提供了一種極為有效解決途徑。如果能夠通過頻譜共享的方式，允許蜂窩移動通信系統在不對授權系統產生干擾的前提下，動態地利用低頻率利用率的無線系統在業已分配的頻段上存在的空閑頻率資源，將能夠極大的提升頻譜利用率，緩解當前移動通信系統頻譜資源緊缺的壓力。目前，國家通信標準化協會和多個國家重大專項課題都在積極探討未來移動通信系統與其他大覆蓋、低頻譜利用率的無線系統的頻譜共享方案，典型的共享應用場景如我國698～806MHz頻段上的廣播系統與移動通信系統的頻譜共享應用、2300～2400MHz頻段上的雷達系統與移動通信系統的共享應用等[4～5]。

蜂窩移動通信系統的頻率規劃是保證網絡穩定和高效運營的根本[6～7]。傳統蜂窩移動通信系統的頻率規劃都是在可用頻率固定的情況下進行的，無法適應未來這種新的頻譜共享應用模式。因此，如何實現在動態頻譜環境中蜂窩移動通信系統的頻率規劃，最大化、最優化的利用覆蓋區域內的動態可用頻譜資源，將是頻譜共享技術在實際蜂窩移動通信系統應用中所亟需解決的關鍵問題。

2 頻譜共享應用中的頻率規劃問題分析

移動通信系統與授權系統在共享頻段實現頻譜共用的前提是：移動通信系統的引入不能對授權系統造成任何有害干擾、影響授權系統的正常運營。這就要求移動通信系統可以得到共享頻段內某些地理區域和某些時間上的空閑頻帶信息，利用這些空閑頻帶進行通信，并保證授權大覆蓋、低頻率利用率的無線系統的頻率使用和系統性能不受限制和損失。如果空閑頻帶有變化，移動通信系統需要進行相應的調整，如圖1所示。

圖1 蜂窩移動通信系統與其他無線系統的頻譜共享應用場景

頻率復用是蜂窩移動通信系統得以實現的最基本的技術手段。為了解決大區集群通信的容量瓶頸，20世紀70年代末提出的蜂窩移動通信系統通過空間復用頻率的思想，突破了原有的有限頻率資源對系統可容納最大用戶數的限制，最終使得蜂窩移動通信成為近10年來通信領域最熱門的方向之一。頻率復用的基本思想是降低基站的發射功率，使得小區半徑收縮，只覆蓋相對較小的一片區域，相隔若干個小區后再重復利用相同的頻率。蜂窩移動通信系統通過空間頻率復用，能夠有效提高頻率的使用效率和系統容量。

傳統的蜂窩移動通信系統的頻率規劃都是基于可用頻率固定進行的，而動態頻譜共享應用方式下，用于蜂窩移動通信系統的頻率資源將發生動態變化，其使用頻率取決于規劃區域內授權系統對該頻率的占用情況。這種可用頻率的動態變化對蜂窩網絡的頻譜規劃體制提出了新的挑戰。首先，由于在不同的地理位置上授權系統占用頻率的情況不同，移動通信系統的頻率規劃需要適應不同地理位置上的這種差異。傳統的頻率復用規劃方式無法對差異頻譜進行統一復用規劃，而如果單獨對各區內蜂窩小區的頻率規劃，又將會造成在大區覆蓋交界區域的混亂，導致系統干擾增大，網絡性能將會受到嚴重影響。其次，在使用周期內，移動通信系統可用頻譜在時間上動態變化，靜態頻率規劃方法無法響應這種變化，將造成共享系統間的強烈干擾，導致無法通信。

3 動態頻率規劃方案研究

3.1 動態可用頻率獲取

蜂窩移動通信系統動態頻率規劃的前提是在共享覆蓋區域實時獲知可用的“空閑”頻率信息。可用頻率獲取需要通過空口的頻譜檢測來實現，同時，為了進一步確保對授權系統的保護，還可以設立系統間的聯合頻譜信息數據庫庫進行管理，如圖2所示。

圖2 共享頻譜獲取方式

空口頻譜檢測不需要授權系統主動提供頻率占用情況的信息，通過有效的頻譜檢測方法，對所處區域的頻率占用情況，功率和干擾值大小等數據進行監測。在部署方式上，根據實際授權系統覆蓋情況的不同，蜂窩移動通信系統可以采用嵌入基站側或者在多個小區共用獨立檢測實體的部署方式。單基站檢測節點的部署方式適合于授權系統單小區發射功率較低且移動小區半徑較大的場景，而多個蜂窩小區共用獨立檢測節點的部署方式適合授權系統大覆蓋范圍或蜂窩小區半徑較小的場景，此時，多個聯合蜂窩小區的可用頻譜基本一致。由于當前的頻譜檢測技術都不可避免的存在漏檢和錯判概率，錯誤的檢測結果會造成對共享系統間的干擾，因此，共享系統間還可以進一步增設聯合頻譜信息數據庫，授權系統將頻率占用和調整的信息提供給集中控制的頻譜數據庫，蜂窩移動通信系統實時讀取這些信息，從而精確的判斷并指導本系統的頻譜使用。

3.2 動態頻率規劃

適應頻譜動態變化的頻率規劃是蜂窩移動通信網絡實現共享應用的關鍵。本節我們基于蜂窩小區的業務量和頻譜可用度優先級，并綜合考慮工程應用的規劃復雜性，提出一種適應頻率動態變化的頻率規劃方案。動態頻率規劃的算法流程如圖3所示。整個規劃方案可以分為兩個階段：載波預規劃與載波動態調整階段。其中第一階段主要完成可用頻譜在地理分布上發生變化情況的規劃，第二階段則主要處理可用頻譜在時間上的動態變化問題。

圖3 蜂窩移動通信系統動態頻率規劃的實施步驟

3.2.1 載波預規劃算法

3.2.1.1 規劃區域空閑載波統計

根據長期檢測統計結果，結合聯合頻譜信息數據庫，獲取授權系統在不同時間段及不同覆蓋區域的頻譜使用分布情況及空閑概率。

3.2.1.2 可用載波的確定與分類

根據先驗統計頻段信息，確定規劃區域內不同地理位置的基站的可用載波，并進行載波分類。可用載波的分類需要根據具體共享系統的干擾門限指標進行。表1給出了一組針對TD-LTE系統在698～806MHz頻段與廣播系統共享應用的載波類別設定。

表1 TD-LTE系統在698～806MHz頻段與廣播系統共享應用的載波類別設定

3.2.1.3 確定移動通信系統載波復用簇

根據蜂窩移動通信系統性能，確定頻率復用規劃簇的大小，簇的大小可為1個或多個基站或1個扇區。由于授權系統信號分布差異，移動通信系統在規劃區域內可用載波將存在差異，所以這里的簇與傳統意義上移動通信系統的復用規劃簇有一定差別。傳統意義上移動通信系統各簇之間載波分配及使用方式相同；但在共享應用情況下，蜂窩移動通信系統內各個簇的可用載波將會出現一定的不同。

3.2.1.4 可用載波預規劃

首先對已分類可用載波按類別分別設定權值。權值設定標準根據對網絡性能的具體需求而定，一般而言，A類載波在各扇區均衡性是最重要的規劃指標。然后完成調用優先級排序，對共享頻段的所有可用載波進行統一編號，對不同規劃簇相同編號的載波按所屬分類進行權值求和，得到此編號載波在總規劃區域內的全局權重，并按全局權重對所有可用載波進行優先級排序。最后進行各扇區載波分配，將所有排序后載波按照一定的順序分配到各個扇區中，確定在整個規劃區域內載波預規劃模板。在實際應用中可根據不同移動通信系統的情況使用不同的分配規則，如：選擇按載波優先級從高到低以順時針依次分配，直到所有可用載波分配完為止。

3.2.1.5 簇內載波調整

可用載波的預規劃模板包含了共享頻段上移動通信系統的所有可用載波，但由于不同位置授權系統對載波占用情況不同，移動通信系統各個規劃簇的可用載波還存在一定的差別，因此需在具體扇區中對載波分配進行調整并確定各扇區內載波的使用優先級。在實現上，首先刪除各扇區D類載波，然后從A到C設置調用優先級。其中，采用扇區間A、B類載波個數相差≥2的鄰扇區借調機制，避免調整過程中出現少數扇區高優先級載波數量分配不均衡的現象。

3.2.2 載波動態調整算法

針對授權系統使用頻率的時間可變性，需要及時響應并對規劃進行動態調整。

3.2.2.1 授權系統載波占用調整

在遇到授權系統突發占用某些可用載波時，啟動占用調整處理：對正在使用這些載波的小區立即切換到本小區其他可用載波上；在授權系統頻率占用區域內，將移動通信系統中已標記的這些載波從可用載波集中刪除；根據各個規劃簇內的用戶業務量及QoS需求判斷是否需要觸發鄰扇區載波借調機制；更新該頻帶內載波的統計信息，包括占用概率、信號強度分布等統計信息，并判定是否需要進行載波類別調整。

3.2.2.2 授權系統載波空閑調整

當授權系統的某一工作載波由占用變為空閑時，啟動空閑調整處理：更新該頻帶內載波的統計信息，包括占用概率、信號強度分布等統計信息，并判定是否需要進行載波使用優先級調整；當檢測到授權系統退出對某一頻率的占用，首先將該頻率加入可用載波集中，并置為最低使用優先級，根據扇區業務負載情況進行分配；隨著檢測周期的推移調整空閑載波使用優先級，根據使用優先級調整載波調用次序。

3.2.2.3 載波優先級及規劃調整更新

根據共享頻帶內載波的統計信息結果，當整個規劃區域內多個可用載波類型發生了變化且在一段較長時間內穩定不變時，重復上述規劃對規劃區域內可用載波進行優先級重置及規劃調整。需要注意的是，當授權系統使用頻率變化較慢時，這一更新過程可以相對較慢，更新周期取決于服務提供商對是否進行全網重新規劃的判斷。

4 仿真分析

本節我們基于獨立開發的頻譜共享系統級仿真平臺，以我國698～806MHz頻段的低頻率利用率、大覆蓋范圍的廣播系統與TD-LTE系統的實際共享應用為例，對本文所提的蜂窩移動通信系統動態頻率規劃方案的性能進行了仿真驗證。重點分析了以下兩種情況的移動通信系統性能：

不同廣播覆蓋區域的TD-LTE系統動態頻譜規劃的組網性能；

同區域廣播占用頻率動態變化時，TD-LTE系統的動態頻譜規劃調整及網絡性能。

4.1 不同地理區域的共享頻譜情況

假設在一個城市區域內，三個廣播電視塔使用了698～806MHz頻段內的部分信道，如圖4的規劃界面所示，1號站使用該頻段內的第一個8MHz信道（載波編號1），2號臺站使用2號信道，3號廣播臺站使用4號信道。假設廣播塔發射功率均為100kW， TD-LTE系統在相同區域利用該頻段其他可用廣播信道進行動態組網應用。

圖4給出了在以圓圈中心為中點的區域TD-LTE系統（以一個基站為規劃簇）的可用頻率規劃結果。從左到右的仿真結果顯示：（1）根據移動基站在廣播覆蓋區域內的干擾測量結果，廣播系統的使用信道及其相應的鄰頻信道由于干擾超過使用門限，均被從動態規劃模板中剔除，不能為TD-LTE系統使用。該頻段的其他可用信道（如編號7～12信道）則可以按規則進行組網應用。（2）當所考察的TD-LTE系統規劃區域處于廣播塔覆蓋半徑外較遠的地理位置時，廣播信號干擾已低于不能使用的門限值，但相比其他可用載頻其同頻干擾依然較大，即處于C、D類載波。根據規劃算法，其各扇區可使用的同頻載波（如1、2和3號載波）均被規劃在相應的扇區最低優先級位置，供各扇區在高負載情況下使用。（3）當所考察的規劃區域在更遠的地理位置，同頻載波干擾可以被忽略，即同處于A或B類載波。此時所有載波均可以使用且優先級按載波號從小到大排列，達到該頻段的最高頻率利用率。

圖4 廣播基站占用情況和TD-LTE系統動態頻率規劃結果

圖5 不同地理位置的TD-LTE系統性能仿真

圖5給出了在以上3種不同地理區域TD-LTE系統基于動態頻率規劃組網的性能。從仿真結果中可以看到：隨著TD-LTE系統逐漸遠離廣播覆蓋區域，可用載波增加導致系統相對吞吐量由0.61逐漸增加到1（系統相對吞吐量指實際系統吞吐量與使用全部頻率且無干擾情況下系統吞吐量的比值）；系統SINR的CDF曲線較為集中（0～15dB左右），約50%的用戶SINR>10dB，系統IoT指標也控制在一個理想的水平內。這說明基于動態頻率規劃的TD-LTE系統在不同地理位置均能夠達到穩定的共享應用性能。值得注意的是，相比其他地理位置，地理位置2的SINR相對較差，IoT干擾指標也較大且在上端有一定波動，這是因為當處于廣播覆蓋范圍外不遠處，干擾較大的D類載波將參與規劃，D類載波的使用雖然提高了整體吞吐量，但其載波干擾也會相對較大。因此，根據動態頻率規劃的調度規則，各小區應在負載較重時才選擇使用低優先級的D類載波。

4.2 頻率隨時間變化的共享情況

本節重點分析了TD-LTE系統在相同區域，廣播系統頻率動態變化情況下的規劃調整結果及相應的網絡性能仿真。廣播頻率初始占用及部署與上一小節相同，但在不同時間將臨時占用和空閑所使用的頻率，以圓圈為中點的區域TD-LTE系統的動態頻率規劃結果從左到右如圖6所示。規劃結果顯示：（1）初始情況下，TD-LTE系統處于廣播發射塔的4號載波同頻覆蓋范圍內，因此，4號載頻由于干擾超過保護門限而被剔除，而1號和2號載頻雖然可以使用，但由于存在干擾，被規劃為該扇區中較低的優先級。（2）當廣播系統臨時增加使用12號載頻的發射塔時，TD-LTE系統動態避讓了該載波頻率，并由于鄰頻干擾超過保護門限，及時剔除了第一和第二鄰頻以提供對廣播系統的有效保護，其他載波類別和排序保持不變。（3）當第三廣播塔停止使用698～806MHz頻段上的4號載波時，由于檢測到4號載波剛剛空閑，根據規則，4號載波被及時按預規劃模板調整到相應扇區，作為最低優先級使用。

TD-LTE系統經過上述3種動態頻譜調整后的整體性能如圖7所示。由于TD-LTE系統規劃的可用載波數隨著廣播系統的頻率變化而變化，不同時刻TDLTE系統的總容量會發生一定的變化，但三種動態調整后的網絡SINR及IoT分布均能保持一致，且處于理想的性能水平，這說明經過動態頻率規劃的TD-LTE系統能夠及時響應變化的頻譜環境，在保證對授權廣播系統的保護同時，保證了自身的網絡性能達到基本類似的水平，實現了動態共享應用。

5 結論

圖6 廣播基站隨時間的頻率占用情況和TD-LTE系統動態頻率規劃結果

蜂窩移動通信系統與其他大覆蓋、低頻譜利用率的無線系統的頻譜共享應用具有巨大的應用價值和市場前景。本文在充分考慮共享應用場景的頻譜資源時變特性和蜂窩移動通信系統頻率復用技術特點的基礎上，提出了適應頻譜動態變化的動態頻率規劃技術，有效解決了頻譜共享在移動通信系統中應用的核心問題，為未來頻譜共享蜂窩無線通信系統的實際大規模網絡應用奠定了基礎。

圖7 不同時刻的TD-LTE系統性能仿真

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