共享經濟背景下頻譜共享的探索與研究

羅守志

【摘 要】隨著移動通信的飛速發展，5G無線系統面臨的挑戰之一是如何應對前所未有的頻譜危機。一種潛在的解決方案便是頻譜共享。本文對5G頻譜共享方面的新機會進行了初步研究，同時考慮了許可和未授權方案，特別是毫米波通信，對緩解頻譜資源緊張的現狀具有重要意義。

【關鍵詞】共享經濟；5G；頻譜共享；毫米波

一、引言

共享經濟的出現（例如共享汽車或共享單車）已經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。當資源稀缺且更有價值時（例如無線網絡中的頻譜資源），共享效應會增加。目前，5G網絡中頻譜資源短缺嚴重。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的很多重要應用，這種通信具有出色的傳播和室內穿透特性。第一波5G移動通信系統預計將部署在3.6GHz頻率范圍內。與此同時，結合使用Massive MIMO和全維MIMO技術，可支持100Mbps +數據速率，同時保持信元容量足夠大，以實現可行的部署。

為了兼顧5G場景的服務質量要求，共享這些頻段的一個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，從而在未被現用戶使用時享受可預測的服務質量，從而保護其免受有害干擾。

（二）毫米波頻譜共享

毫米波通信已經成為蜂窩網絡（5G及以上）和無線局域網的關鍵性技術。盡管6GHz以下的傳統頻段的頻譜可用性有限，但毫米波頻率可提供更大數量級的帶寬。此外，毫米波通信的典型特征是具有非常窄的波束的傳輸，使移動設備之間的定向隔離獲得進一步的收益。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據速率、高流量密度和非常低的延遲。用于5G的毫米波通信呈現出許多較低頻率不具備的特征：

（1）作為強制性要求的波束成形：所有以毫米波頻率工作的系統的共同特征是波束成形必須補償這些頻率中明顯更高的路徑損耗。例如，IEEE 802.11ad標準支持四個發射機天線、四個接收機天線和128個扇區。波束成形在802.11ad中是強制性的，并且支持發射機側和接收機側波束成形。因此，波束為多種接入技術之間的頻譜共享提供了一個共同的新維度。

（2）“無限”空間復用的潛力：無線通信系統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。在使用發射側和接收側波束成形的毫米波系統中，空間頻譜復用可以進一步推向一維，每條傳輸鏈路的干擾占用空間變得非常接近一條線路，而不是一個區域。因此，在超窄波束的理想情況下，這將實現頻譜的無限空間復用。

三、與衛星服務共享

固定衛星服務（FSS）是對地靜止通信衛星的官方分類，其提供向電視臺、廣播電臺等的傳輸。FSS上行鏈路（從FSS到衛星）分配在27.5到30 GHz的頻帶內，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。可以應用幾種認知技術來改善5G-FSS共存。

毫米波波段中FSS和移動蜂窩基站之間的共存已成為少數主要理論研究的主題。需要考慮如何通過利用5G毫米波系統的多種天線配置以及在FSS上行鏈路大量部署5G系統所產生的總干擾，來降低干擾水平。在信道共享最壞情況下進行的研究已經表明，由于使用了波束成形技術并結合了毫米波頻率的相對短距離的通信，空間共享比IMT先進系統更可行。即使在這種最壞的情況下，FSS周圍所需的保護距離也比以前推薦的要小很多（約1公里，而不是數百公里）。此外，通過使用多個5G基站之間的協調，可以實現頻譜共享中的進一步增益。這些研究還表明，存在高度定向的FSS傳輸會導致5G毫米波網絡覆蓋范圍內的中斷。然而，由于高度定向的FSS傳輸，中斷區域被良好限制，可以通過使用5G用戶設備處的波束零陷和多基站協作的組合，以提高信號強度，來減輕對用戶設備處的影響。

四、共享未經許可的毫米波譜

最近，蜂窩通信的一個趨勢是同時使用許可和未授權頻譜，以擴展可用的系統帶寬。在這種情況下，提出了未經許可頻譜中的LTE（簡稱LTE-U），以使移動運營商能夠更有效率地將數據業務卸載到未經許可的頻率上，提供了高性能和無縫的用戶體驗。未授權頻段的集成也被視為5G蜂窩系統的關鍵推動力之一。然而，與許可頻段中的典型操作不同，操作基站（BS）具有對頻譜的專用訪問權，并且因此能夠通過交換信令來協調以減輕相互干擾，這樣的多標準多運營商頻譜共享場景（如圖1所示）在干擾減輕方面對共存產生了重大挑戰。針對LTE-U的當前共存機制，已經有研究提出了具有先聽后說（LBT）協議的許可輔助接入（LAA）。在毫米波非授權共享的情況下，對于目前大多假定全向天線的共存機制而言，使用高定向天線作為5G網絡的一項關鍵促成因素，便成為了問題。例如，如圖1所示，由于已經使用的窄波束，可能不會檢測到由附近不同的5G基站或WiGig接入點（AP）進行的傳輸，從而導致“波束碰撞”，這可能導致比常規系統更多的過度干擾。

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展到包括多個基站之間的波束調度以避免過度干擾。在未經許可的毫米波頻譜共享的情況下，集中協調是不可能的，并且需要開發新的機制。目前提出的分享機制有，分布式和自組織的波束協調機制。

五、結語

隨著5G蜂窩系統行業標準的迅速發展和鞏固，與未來頻譜共享的相關問題和挑戰開始占據中心地位。此外，政府和監管機構強烈希望有效分配和使用5G頻譜。因此，鑒于鏈路狀態廣播（LSA）、認知無線電和毫米波通信等技術的成熟，我們可以預期，頻譜共享將是未來幾年及以后的創新、標準化和頻譜管理的一個突出領域。