動態頻譜管理的發展現狀及應對策略探究

楊春，陳峻

（同方電子科技有限公司，江西九江，332000）

頻譜是一種先進的無線通信技術，以往各國采用統一的頻譜分配模式，保留了2.4GHz工業、ISM頻段等非授權頻段允許各國非授權競爭使用，但漸漸地，可分配的授權頻段資源面臨枯竭，上述頻段的用戶數量不可控增長，變得越來越擁擠[1]。這一現狀的發生，其實并不是由于頻譜資源有限的緣故，因為調查發現可分配頻段的利用率是比較低的。為了提升頻譜利用率，解決無線通信技術領域所面臨的頻譜稀缺問題，必須對現有的頻譜管理模式進行變革，此時動態頻譜管理技術應運而生，為頻譜高效利用提供了科學路徑。

1 動態頻譜接入技術概述

認知無線電（Cognitive Radio,CR）技術是動態頻譜接入技術的核心，這項技術可通過對頻譜環境及網絡狀態的感知，改變功率、載頻、傳輸速率、調制方式等工作參數，將擁擠頻譜客戶接入空閑頻譜，優化頻譜資源配置，全面提升頻譜利用率[2]。在動態頻譜管理中，以下技術發揮了重要作用：①頻譜感知，這一技術目前正朝著多節點協作感知的方向發展，具備頻段分析來尋找可利用頻譜資源的能力；②頻譜決策，這項技術目前正朝著公平性優化、通信開銷優化等方向發展，可基于可用頻譜信息分析頻譜特征，從而選擇合適的頻段或頻點；③頻譜共享，這一技術能夠在滿足客戶需求的情況下優化頻譜的選擇，從而提升頻譜利用率，技術應用過程中，主要采用動態頻譜分配算法，確保能夠公平高效地解決問題；④頻譜切換。認知用戶在剛知道當前使用信道出現授權用戶，或者信道質量下降的情況下，會自動切換到其他可用信道，進行頻譜切換時，要求快速平穩，而且不會干擾到授權用戶，并將對于認知用戶的影響降到最低。

以CR為核心的動態頻譜接入技術的研發應用，促進了頻譜接入方式的改變，美國國防部根據頻譜接入方式對于任務的服務質量保證能力差異，將之分為了以下三種類型：①靜態頻譜接入（SSA）。在固定接入頻段工作，靈活性較差，不過可保證授權業務在頻譜使用上的最高優先級；②協作頻譜接入（CSA）。在協作接入頻段工作，較為靈活，在中心代理調控下，可根據動態頻譜需求信息，在各個網絡、終端或兩者之間接入頻譜，協調共用該頻段的客戶，使其需求得以滿足。人們在動態智能頻譜管理項目中基于CSA組建了一個動態頻譜管理網絡結構，按照用戶優先級、服務質量，高效、公平地分配頻譜資源，使得系統能夠趨于最佳運行狀態；③伺機頻譜接入（OSA）。OSA最早是在下一代無線通信計劃中提出的，在自治接入頻段工作，最為靈活，通過終端競爭接入頻譜的方式來盡可能地提升任務服務質量[3]。

2 動態頻譜管理的發展現狀

2.1 美國相關研究進展

美國對于動態頻譜接入技術的研究十分重視，早在2003年，聯邦通訊委員會（FCC）就發布了《使用認知無線電促進頻譜利用的通知》，并于次年5月發布了在不影響授權用戶業務的基礎上可應用CR技術使用廣播電視頻段空閑頻譜資源的政策，又在10月份正式批準引入CR技術的文件，并制定了相關設備的使用法規，在制度上支持并規范了CR技術的研發應用[4]。在2008年11月，聯邦通訊委員會直接公布了允許免許可設備可接入54至72MHz、76至88MHz、174至216MHz等多個電視頻待空閑可用信道。在國家的大力支持下，美國國內對于動態頻譜接入技術及動態頻譜管理的研究逐步深入，在2009年3月，美國國家自然科學基金委員會（NSF）組織召開了認知無線電網絡論壇，闡述了CR網絡研究中值得探討的問題，聯合制定了近期動態頻譜管理的路線圖，并建議建立重大的項目群，為CR相關技術研究提供資助，以促進動態頻譜接入技術在美國的大規模安全應用[5]。

通過多年的研究，美國在動態頻譜管理方面已經取得了一定成功，在2006年，美國國防頻譜組織（DSO）就提出了一個長期頻譜轉型的戰略規劃，即美國全球電磁頻譜信息系統（GEMSIS），可實現頻譜的自動、自適應應用，通過無線設備將頻譜和網絡中心戰相結合，有效提升頻譜使用率。提升其共享能力，促進頻譜資源的靈活分配，這個計劃預計到2020年方能實現。此外，美國還有一個大型頻譜管理機構DARPA資助的XG計劃，這個計劃主要研究通過靈活的頻譜政策實現動態頻譜管理的框架。而且，DARPA在XG項目的基礎上啟動了下一步無線網絡計劃（WNaN），這個計劃將動態頻譜接入技術和容斷網絡（DTN）技術集成于MANET中，可給未來戰士通信提供穩定、可負擔且具有自組織能力的無線網絡。

2.2 國內研究現狀

我國對于CR技術的研究是2005年開始，受到863計劃支持，并且在2008年的973計劃信息領域專項活動中啟動了認知無線電網絡基礎研究，同一年，國家自然科學基金委員會又成立了CR領域的重點項目群，這些研究的開展，促進了我國在動態頻譜管理基礎理論研究的深入及技術上的創新，相關技術系統也在研發應用中。

在863重點項目中，我國圍繞著頻譜感知共享與CR關鍵問題，展開了對于“頻譜資源共享無線通信系統”的研究，其中的系統開發網絡子課題在2012年3月全部通過驗收，為我國參與國家頻段共享標準化研究提供了技術支持。在2012年，以相關課題研究與驗證頻譜有效利用與資源管理相關技術的世界無線電通信大會上，我國憑借“面向WRC12的頻譜有效利用關鍵技術研究與驗證”這一項目，參與其中。在973課題“認知無線電網絡基礎理論與關鍵技術研究”中，對相關領域的三個基礎性問題進行了研究，其一為認知無線網絡體系結構的適變性，其二為多域環境的認知性，其三為管理與控制的自主性。不過，我國對于推進頻譜管理模式轉變途徑的研究比較少，也就是說在研究成果的實用化研究方面比較欠缺。

3 應對動態頻譜管理技術發展的策略

3.1 區分頻譜管理與用戶用頻之間的關系

動態頻譜管理是一項與用戶動態用頻息息相關的技術，因此，在制定了合理的動態頻譜管理政策及支配策略的情況下，用戶終端可自動調節，實現科學動態用頻。長久以來，我國關于頻譜管理與用戶用頻方面的研究都是相互獨立，在設備研究方面，都以獨立尋找頻譜資源為目標，造成了資源上的浪費。故而，在今后應該正確認識頻譜管理與用戶用頻之間的關系，將二者良性結合，進行深入的研究。

3.2 制定軍民融合的頻譜轉型戰略規劃

隨著動態頻譜管理技術的發展及應用，相關研究不再止步于科研方面，還設計到政策、標準的制定，以及通信網絡規劃、協議設計及終端開發等服務環節。為了促進頻譜管理與用戶用頻的一體化設計，促進動態頻譜管理的實用化，國家應制定軍民融合的長期頻譜轉型戰略計劃，促進我國頻譜產業的發展。

3.3 積極參與相關國家標準的制定

動態頻譜管理是一項非常重要的技術，目前各個發達國家都在其中投入了大量的資金、物資以及人力資源，取得的研究成果越多，成就越高，就意味著你在這一領域擁有更高的話語權，為了維護我國在頻譜管理方面的權益，促進無線通信及網絡通信產業的可持續發展，我國應該積極參與到動態頻譜接入技術核心技術的研究中，并且積極參與到國際標準的制定中。

3.4 研究適用于我軍的動態頻譜管理框架

軍事應用是動態頻譜管理技術發展與應用的主要方向，這一技術的發展，很有可能直接改變將來軍事通信用頻方式及頻譜管理模式。現階段，美國面向軍事通信領域的動態頻譜管理方向，啟動了XG項目、WNaN項目，為了保證國家軍事力量的發展，我國也應該積極展開相關研究，將動態頻譜管理與軍事通信融合，構建與我國軍情相符合的動態頻譜管理框架。

4 結語

在傳統的頻譜管理模式中，存在著已分配頻率利用率較低，而非授權頻段、無線傳感器網絡、無線Mesh網絡、移動Ad Hoc網絡的用戶數量不斷增長，變得愈發擁擠，這種情況充分說明了頻譜資源分配不均的問題。雖然說，人們研發了一些可提升信道編碼、信源編碼及調制解調效率的通信技術，來提升整體頻譜利用率，但是這種提升不足以滿足日益增長的頻譜需求。直到1999年，Joseph Mitola博士提出了認知無線電（CR）技術理念，并基于此研究出了一套動態頻譜管理技術，實現了對于空閑頻譜的高效利用有效解決了頻譜資源稀缺的問題。為了推動動態頻譜管理的應用，國內外均對這項技術展開了研究，并且積極推進相關國際標準的制定，應對這一變化，我國也應該積極進取，根據相關技術發展趨勢，提出應對策略。