動態頻譜共享簡述

周鈺哲

無線電頻譜是新一代信息技術的重要載體，頻譜共享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，為了對動態頻譜共享進行介紹，首先通過解析頻譜共享概念，分類闡述頻譜共享方式，加深了對頻譜共享內涵的理解，之后具體介紹了動態頻譜共享技術的發展和兩種主流實現技術，最后討論了推行頻譜共享的必要性。

頻譜共享 頻譜資源 頻譜利用率 認知無線電 頻譜池

1 引言

頻譜是信息經濟時代的重要戰略性資源，是信息化和工業化深度融合的重要載體，目前主要由國家統一管理和授權使用。隨著移動互聯網技術的發展，無線數據量呈現爆發式增長，引發對頻譜資源需求的急劇增長。然而，研究表明，當前無線頻譜利用中最突出問題是整體頻譜利用效率低，例如，在美國最擁擠的城市區域，在用頻段的利用率也只有不到20%。如何有效利用有限的頻譜資源，解決頻譜供需矛盾，已成為各國普遍關注的問題。目前各國積極通過立法、市場化等管理手段以及頻譜共享技術等手段不斷優化頻譜資源配置，支持移動通信等新興戰略性產業的發展。本文通過闡述頻譜共享的概念，對頻譜共享進行了分類，重點討論了兩種頻譜共享實現技術，通過對比我國未來規劃和頻譜使用現狀，從而進一步認識到國家推進頻譜共享的必要性。

2 頻譜共享的內涵

2.1 頻譜共享的概念

2001年，英國的Paul Leaves等人提出動態頻譜分配的概念。2003年，美國聯邦通信委員會（FCC）給出了認知無線電的定義，通過認知技術從時間和空間上充分利用閑置的頻率資源，從而實現頻譜共享。此后，隨著無線電通信技術的不斷進步與發展，以及軍用、民用大量的頻譜資源需求，國際社會對頻譜共享的研究和推行的呼聲越來越高。頻譜共享是指由兩個或兩個以上用戶共同使用一個指定頻段的電磁頻譜[1]，參與頻譜共享的用戶主要分為主用戶和次用戶兩類。其中，主用戶是指最初被授予頻段且愿意與其他接入者共享資源的用戶；次用戶是指其余被允許按照共享規則使用頻譜的用戶。

2.2 頻譜共享的分類

根據不同的分類標準可以將頻譜共享行為分成不同的類型，這里列舉四種分類方式和相應的頻譜共享類型。

（1）基于頻譜資源授權方式

1）免許可頻譜共享

免許可頻譜共享是一種基本上不受監管的共享機制，所有用戶都將共享的頻譜看作是一種無需許可證的公共資源。但是，所有用戶都要受到輻射功率、協議等強制性約束條件的限制。在這種共享機制中，用戶之間不存在使用層次的高低，即無主用戶、次用戶之分，所有用戶都在盡力接入并使用頻譜資源。

2）授權頻譜共享

授權頻譜共享接入[2]是有限數量用戶被授權共享一段頻譜的授權機制。由于待共享頻段已經被分配給一個或多個用戶，因此應在一定的共享規則基礎上授權次級用戶使用該段頻譜的全部或部分資源，以保證所有授權用戶都能獲得一定的服務質量。

授權頻譜共享還可以分為橫向共享和垂直共享。橫向共享是指一個擁有多余頻譜資源的運營商（主用戶）提供訪問接口給另一個或多個運營商（次用戶），以有效利用未能充分利用的頻譜資源。垂直共享是指在運營商（主用戶）和非運營商（次用戶），如政府、軍隊、公共安全組織機構、科學團體等之間進行頻譜資源共享。此外，非運營商也可以成為與其他共享參與方垂直共享頻譜資源的主用戶。

（2）基于頻譜資源分配行為

1）共存式頻譜共享

共存式頻譜共享是指次用戶以低于能夠對主用戶產生有害干擾的功率使用主用戶的頻段。例如，無線局域網（Wi-Fi、Bluetooth）以及超寬帶（UWB）技術等，一方面，由于無需采用額外的認知無線電技術和干擾控制技術，共存式頻譜共享實現起來相對簡單；另一方面，由于發射功率較低，因此共存式頻譜共享只適合短距離通信。

2）非協作式（機會式）頻譜共享

非協作式頻譜共享是指次用戶伺機占用主用戶未使用的頻譜資源，而主用戶不必事先知道次用戶的存在。例如，移動通信系統使用廣播電視系統的“白頻譜”等。在該頻譜共享方式中，主用戶優先級高于次用戶體現在以下兩個方面：一是當主用戶占用頻譜資源時，次用戶不能使用相同的頻譜資源；二是當主用戶需要使用頻譜資源時，次用戶必須釋放已占用的頻譜資源。

3）協作式頻譜共享

協作式頻譜共享是指主次用戶之間采取對等或集中控制等合作方式共享頻譜資源，與機會式頻譜共享不同，協作式頻譜共享中主用戶事先知道次用戶的存在和需求，兩者之間通過協作將更加精確和高效地檢測頻譜，但這將一定程度上增加主用戶的開銷。

（3）基于次用戶的接入方式

1）下墊式頻譜共享（Underlay Sharing）

下墊式頻譜共享方式要求次用戶對主用戶產生的干擾低于預先定義的干擾門限，即僅僅約束次用戶的發射功率。次用戶可以采用兩種方式滿足干擾限制：一是使主次用戶之間有較好的空間分離，如采用MIMO技術；二是在采用低于主用戶接收噪聲的擴頻通信方式，如采用UWB技術。

2）填充式頻譜共享（Overlay Sharing）

填充式頻譜共享方式由次用戶采取一定的技術實現與主用戶的共存通信，次用戶利用已知的主用戶信息，并采用先進的信號處理技術和編碼解碼技術，如臟紙編碼等，將自己對主用戶的干擾進行抵消，不但可以滿足自己的通信需求，還可以提高主用戶通信質量。

3）交織式頻譜共享（Interweave Sharing）

交織式頻譜共享[3]類似于非協作式頻譜共享，不同之處在于交織式頻譜共享中的所有用戶都具有無線電認知能力，所有用戶互相協作。用戶的關系也是相對的，某一用戶可能是新加入用戶的主用戶，同時也可能是已經存在用戶的次用戶。

（4）基于動態頻譜分配方法

根據參與到動態頻譜分配過程中的無線電系統個數和相應的頻譜關系可以將頻譜共享分成相鄰動態頻譜分配方法和分片動態頻譜分配方法[4]。其中，相鄰動態頻譜分配存在于頻譜相鄰的兩個無線電系統之間，通過動態調整系統間的頻譜邊界來分配頻譜資源。而分片動態頻譜分配對無線電系統個數和頻譜位置關系沒有嚴格約束，因此局限性小。但該方法將給現有系統帶來額外的開銷：一是需要增加認知無線電的搜索感知功能；二是需要對空閑頻譜塊進行分配和管理；三是需要額外的系統間保護頻帶。

3 動態頻譜共享技術

3.1 動態頻譜共享的產生和發展

動態頻譜分配、認知無線電、軟件無線電、多址技術、大規模多輸入多輸出天線、新型擴頻碼等新技術的迅猛發展，促使頻譜高效利用成為可能。然而，在現有靜態的頻譜管理方式下，頻譜資源的使用主要存在以下兩個矛盾：一是可用頻譜資源稀缺，而已用頻譜資源利用率低；二是頻譜劃分固定，而頻譜需求動態變化。這種問題的根源在于頻譜管理方式確定的頻譜劃分無法及時地根據需求做出及時調整。針對這些矛盾，通過采用動態的頻譜管理方式進行動態頻譜共享，可顯著提升頻譜資源的使用效率。在以上新技術中，融合各種技術特色的動態頻譜共享技術[5]將是提高頻譜利用率的根本方法。

認知無線電被提出后，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都致力于研究利用認知無線電技術實現利用暫時空閑的頻譜進行無線通信。美國和德國的科研機構在各種頻譜感知技術、算法以及共享頻譜池技術方面取得了顯著成效。2013年，諾基亞西門子通信公司在TD-LTE試驗中證明授權共享接入可為5G網絡提供技術基礎[9]，2015年，LTE-U論壇發布了其首個關于應用5 GHz非授權頻譜的技術規范。同年，諾基亞通信與T-Mobile共同研發LAA標準解決方案，實現了在授權和免授權頻譜間的LTE載波聚合。

3.2 動態頻譜共享實現技術

（1）認知無線電

在非協作式、協作式、填充式、交織式、相鄰動態頻譜分配和分片動態頻譜分配頻譜共享方式中，都有用戶需要對無線電磁頻譜進行感知，以確定空閑頻譜，同時需要強大的軟硬件可重配置能力完成無線電參數的調整。能夠完成該項工作的技術稱為認知（感知）無線電技術[6]。如圖1所示，認知無線電技術通過接收無線電磁環境的無線電磁信息進行頻譜感知，對頻譜使用狀態進行分析和預測以確定空閑頻譜，進一步自適應地調整功率、頻率、調制、編碼等無線電特性參數發射無線電磁信號。因此，在不對主用戶產生有害干擾的前提下，利用主用戶的空閑頻譜提高整體頻譜利用率。

（2）頻譜池

頻譜池[7]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，如圖2所示。頻譜池系統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。主用戶多為授權頻譜用戶，其頻譜較多，可通過將空閑頻譜出租給次用戶使用并獲得一定收益。次用戶自身頻譜不足，需要額外的頻譜資源。次用戶可能是非授權頻譜用戶，如ISM頻段用戶，也可能是無空閑頻譜的授權用戶。頻譜池系統通過一定的市場手段有效配置頻譜資源，但需要有一個第三方頻譜管理系統對整個系統進行管理。

將頻譜共享的多種方式和實現技術結合起來可更好地提高頻譜利用率效果，例如為每個系統設定其私有和公有頻譜池、時分動態頻譜共享與空分動態頻譜共享相結合、基于頻譜池的認知無線電方案等可以更大程度提高頻譜資源的利用率。然而，目前關于動態頻譜共享的研究很少涉及多個系統之間的頻譜共享，業務類型也較少涉及非對稱數據業務等，因此現在的相關研究[8]仍不夠完善。

4 頻譜共享的必要性

我國國家戰略規劃將新一代信息技術產業作為重點發展方向和主要任務之一。新一代信息技術，例如下一代移動通信、云計算、物聯網、大數據等，正在強烈地改變著人們的生活和工作方式，而無線電頻譜資源在無線信息通信技術中扮演著不可替代的信息載體的角色。2013年，國務院連續出臺了物聯網產業發展、“寬帶中國”戰略和促進信息消費等政策推進頻譜相關產業發展。在兩化深度融合的背景下，2015年，我國政府工作報告中提出“互聯網+”行動計劃和“中國制造2025”的戰略規劃。以上國家戰略和政策均對頻譜資源在工業、交通運輸、公共事業、信息通信等領域應用的質和量都提出了更高的要求。然而，隨著新一代信息技術的飛速發展，各種新的無線應用不斷涌現，無線移動數據流量需求呈現噴發式增長。這帶來的問題就是頻譜需求的急劇增長，未來頻譜供需矛盾將日益突出。因此，我國推行頻譜共享的必要性主要有以下兩個方面：

第一，頻譜共享是緩解未來頻譜供需矛盾的重要措施，是應對未來無線電業務快速發展帶來的頻譜供求失衡挑戰的基本保證。有了頻譜共享的資源保障，新一代信息技術才能有效地加速實際應用，進而推動移動互聯網、云計算、物聯網以及智慧城市等產業的健康發展。

第二，頻譜共享是提高頻譜利用率、避免資源浪費的有效途徑。目前，各國無線電管理機構通常對牌照持有者以外的用戶視為干擾，從而采取禁止措施。但很多情況下這些頻率在時空范疇內均未得到充分利用。此外，牌照持有者如需調整其無線電業務時，則要花費大量的時間和成本。頻譜共享能夠在不影響牌照持有者頻譜使用權的情況下動態利用空閑頻譜，使多種業務或多個用戶共用一個段頻譜，并保證互相之間干擾可容忍，從而能避免頻譜重置的高昂成本，并顯著提升頻譜資源的利用效率。

因此，我國積極推行頻譜共享研究，提升頻譜資源利用率，可最大化滿足新興信息產業快速增長的用頻需求。

5 結束語

本文首先闡述了頻譜共享的概念，并按照不同的分類標準將頻譜共享分成了四大類。接著，介紹了頻譜共享技術的產生和發展，并重點討論了認知無線電和頻譜池兩種頻譜共享實現技術。最后，指出了我國無線電頻譜資源使用和在相關事業、產業發展中存在的問題，以及國家利用頻譜共享緩解頻譜供需矛盾和提高頻譜利用率的必要性。