动态频谱共享简述

周钰哲

无线电频谱是新一代信息技术的重要载体，频谱共享是解决传统使用方式带来的资源供需矛盾和资源利用率低等重要问题的有效手段，为了对动态频谱共享进行介绍，首先通过解析频谱共享概念，分类阐述频谱共享方式，加深了对频谱共享内涵的理解，之后具体介绍了动态频谱共享技术的发展和两种主流实现技术，最后讨论了推行频谱共享的必要性。

频谱共享 频谱资源 频谱利用率 认知无线电 频谱池

1 引言

频谱是信息经济时代的重要战略性资源，是信息化和工业化深度融合的重要载体，目前主要由国家统一管理和授权使用。随着移动互联网技术的发展，无线数据量呈现爆发式增长，引发对频谱资源需求的急剧增长。然而，研究表明，当前无线频谱利用中最突出问题是整体频谱利用效率低，例如，在美国最拥挤的城市区域，在用频段的利用率也只有不到20%。如何有效利用有限的频谱资源，解决频谱供需矛盾，已成为各国普遍关注的问题。目前各国积极通过立法、市场化等管理手段以及频谱共享技术等手段不断优化频谱资源配置，支持移动通信等新兴战略性产业的发展。本文通过阐述频谱共享的概念，对频谱共享进行了分类，重点讨论了两种频谱共享实现技术，通过对比我国未来规划和频谱使用现状，从而进一步认识到国家推进频谱共享的必要性。

2 频谱共享的内涵

2.1 频谱共享的概念

2001年，英国的Paul Leaves等人提出动态频谱分配的概念。2003年，美国联邦通信委员会（FCC）给出了认知无线电的定义，通过认知技术从时间和空间上充分利用闲置的频率资源，从而实现频谱共享。此后，随着无线电通信技术的不断进步与发展，以及军用、民用大量的频谱资源需求，国际社会对频谱共享的研究和推行的呼声越来越高。频谱共享是指由两个或两个以上用户共同使用一个指定频段的电磁频谱[1]，参与频谱共享的用户主要分为主用户和次用户两类。其中，主用户是指最初被授予频段且愿意与其他接入者共享资源的用户；次用户是指其余被允许按照共享规则使用频谱的用户。

2.2 频谱共享的分类

根据不同的分类标准可以将频谱共享行为分成不同的类型，这里列举四种分类方式和相应的频谱共享类型。

（1）基于频谱资源授权方式

1）免许可频谱共享

免许可频谱共享是一种基本上不受监管的共享机制，所有用户都将共享的频谱看作是一种无需许可证的公共资源。但是，所有用户都要受到辐射功率、协议等强制性约束条件的限制。在这种共享机制中，用户之间不存在使用层次的高低，即无主用户、次用户之分，所有用户都在尽力接入并使用频谱资源。

2）授权频谱共享

授权频谱共享接入[2]是有限数量用户被授权共享一段频谱的授权机制。由于待共享频段已经被分配给一个或多个用户，因此应在一定的共享规则基础上授权次级用户使用该段频谱的全部或部分资源，以保证所有授权用户都能获得一定的服务质量。

授权频谱共享还可以分为横向共享和垂直共享。横向共享是指一个拥有多余频谱资源的运营商（主用户）提供访问接口给另一个或多个运营商（次用户），以有效利用未能充分利用的频谱资源。垂直共享是指在运营商（主用户）和非运营商（次用户），如政府、军队、公共安全组织机构、科学团体等之间进行频谱资源共享。此外，非运营商也可以成为与其他共享参与方垂直共享频谱资源的主用户。

（2）基于频谱资源分配行为

1）共存式频谱共享

共存式频谱共享是指次用户以低于能够对主用户产生有害干扰的功率使用主用户的频段。例如，无线局域网（Wi-Fi、Bluetooth）以及超宽带（UWB）技术等，一方面，由于无需采用额外的认知无线电技术和干扰控制技术，共存式频谱共享实现起来相对简单；另一方面，由于发射功率较低，因此共存式频谱共享只适合短距离通信。

2）非协作式（机会式）频谱共享

非协作式频谱共享是指次用户伺机占用主用户未使用的频谱资源，而主用户不必事先知道次用户的存在。例如，移动通信系统使用广播电视系统的“白频谱”等。在该频谱共享方式中，主用户优先级高于次用户体现在以下两个方面：一是当主用户占用频谱资源时，次用户不能使用相同的频谱资源；二是当主用户需要使用频谱资源时，次用户必须释放已占用的频谱资源。

3）协作式频谱共享

协作式频谱共享是指主次用户之间采取对等或集中控制等合作方式共享频谱资源，与机会式频谱共享不同，协作式频谱共享中主用户事先知道次用户的存在和需求，两者之间通过协作将更加精确和高效地检测频谱，但这将一定程度上增加主用户的开销。

（3）基于次用户的接入方式

1）下垫式频谱共享（Underlay Sharing）

下垫式频谱共享方式要求次用户对主用户产生的干扰低于预先定义的干扰门限，即僅仅约束次用户的发射功率。次用户可以采用两种方式满足干扰限制：一是使主次用户之间有较好的空间分离，如采用MIMO技术；二是在采用低于主用户接收噪声的扩频通信方式，如采用UWB技术。

2）填充式频谱共享（Overlay Sharing）

填充式频谱共享方式由次用户采取一定的技术实现与主用户的共存通信，次用户利用已知的主用户信息，并采用先进的信号处理技术和编码解码技术，如脏纸编码等，将自己对主用户的干扰进行抵消，不但可以满足自己的通信需求，还可以提高主用户通信质量。

3）交织式频谱共享（Interweave Sharing）

交织式频谱共享[3]类似于非协作式频谱共享，不同之处在于交织式频谱共享中的所有用户都具有无线电认知能力，所有用户互相协作。用户的关系也是相对的，某一用户可能是新加入用户的主用户，同时也可能是已经存在用户的次用户。

（4）基于动态频谱分配方法

根据参与到动态频谱分配过程中的无线电系统个数和相应的频谱关系可以将频谱共享分成相邻动态频谱分配方法和分片动态频谱分配方法[4]。其中，相邻动态频谱分配存在于频谱相邻的两个无线电系统之间，通过动态调整系统间的频谱边界来分配频谱资源。而分片动态频谱分配对无线电系统个数和频谱位置关系没有严格约束，因此局限性小。但该方法将给现有系统带来额外的开销：一是需要增加认知无线电的搜索感知功能；二是需要对空闲频谱块进行分配和管理；三是需要额外的系统间保护频带。

3 动态频谱共享技术

3.1 动态频谱共享的产生和发展

动态频谱分配、认知无线电、软件无线电、多址技术、大规模多输入多输出天线、新型扩频码等新技术的迅猛发展，促使频谱高效利用成为可能。然而，在现有静态的频谱管理方式下，频谱资源的使用主要存在以下两个矛盾：一是可用频谱资源稀缺，而已用频谱资源利用率低；二是频谱划分固定，而频谱需求动态变化。这种问题的根源在于频谱管理方式确定的频谱划分无法及时地根据需求做出及时调整。针对这些矛盾，通过采用动态的频谱管理方式进行动态频谱共享，可显著提升频谱资源的使用效率。在以上新技术中，融合各种技术特色的动态频谱共享技术[5]将是提高频谱利用率的根本方法。

认知无线电被提出后，各国的频谱管理部门、组织、研究机构纷纷展开相关研究。FCC、IEEE 802.22工作组以及欧盟的FP7都致力于研究利用认知无线电技术实现利用暂时空闲的频谱进行无线通信。美国和德国的科研机构在各种频谱感知技术、算法以及共享频谱池技术方面取得了显著成效。2013年，诺基亚西门子通信公司在TD-LTE试验中证明授权共享接入可为5G网络提供技术基础[9]，2015年，LTE-U论坛发布了其首个关于应用5 GHz非授权频谱的技术规范。同年，诺基亚通信与T-Mobile共同研发LAA标准解决方案，实现了在授权和免授权频谱间的LTE载波聚合。

3.2 动态频谱共享实现技术

（1）认知无线电

在非协作式、协作式、填充式、交织式、相邻动态频谱分配和分片动态频谱分配频谱共享方式中，都有用户需要对无线电磁频谱进行感知，以确定空闲频谱，同时需要强大的软硬件可重配置能力完成无线电参数的调整。能够完成该项工作的技术称为认知（感知）无线电技术[6]。如图1所示，认知无线电技术通过接收无线电磁环境的无线电磁信息进行频谱感知，对频谱使用状态进行分析和预测以确定空闲频谱，进一步自适应地调整功率、频率、调制、编码等无线电特性参数发射无线电磁信号。因此，在不对主用户产生有害干扰的前提下，利用主用户的空闲频谱提高整体频谱利用率。

（2）频谱池

频谱池[7]是指通过频谱管理系统将不同用户的空闲频谱集中起来形成一个资源池，如图2所示。频譜池系统中提供空闲频谱的用户为主用户，通过申请和使用频谱的用户为次用户。主用户多为授权频谱用户，其频谱较多，可通过将空闲频谱出租给次用户使用并获得一定收益。次用户自身频谱不足，需要额外的频谱资源。次用户可能是非授权频谱用户，如ISM频段用户，也可能是无空闲频谱的授权用户。频谱池系统通过一定的市场手段有效配置频谱资源，但需要有一个第三方频谱管理系统对整个系统进行管理。

将频谱共享的多种方式和实现技术结合起来可更好地提高频谱利用率效果，例如为每个系统设定其私有和公有频谱池、时分动态频谱共享与空分动态频谱共享相结合、基于频谱池的认知无线电方案等可以更大程度提高频谱资源的利用率。然而，目前关于动态频谱共享的研究很少涉及多个系统之间的频谱共享，业务类型也较少涉及非对称数据业务等，因此现在的相关研究[8]仍不够完善。

4 频谱共享的必要性

我国国家战略规划将新一代信息技术产业作为重点发展方向和主要任务之一。新一代信息技术，例如下一代移动通信、云计算、物联网、大数据等，正在强烈地改变着人们的生活和工作方式，而无线电频谱资源在无线信息通信技术中扮演着不可替代的信息载体的角色。2013年，国务院连续出台了物联网产业发展、“宽带中国”战略和促进信息消费等政策推进频谱相关产业发展。在两化深度融合的背景下，2015年，我国政府工作报告中提出“互联网+”行动计划和“中国制造2025”的战略规划。以上国家战略和政策均对频谱资源在工业、交通运输、公共事业、信息通信等领域应用的质和量都提出了更高的要求。然而，随着新一代信息技术的飞速发展，各种新的无线应用不断涌现，无线移动数据流量需求呈现喷发式增长。这带来的问题就是频谱需求的急剧增长，未来频谱供需矛盾将日益突出。因此，我国推行频谱共享的必要性主要有以下两个方面：

第一，频谱共享是缓解未来频谱供需矛盾的重要措施，是应对未来无线电业务快速发展带来的频谱供求失衡挑战的基本保证。有了频谱共享的资源保障，新一代信息技术才能有效地加速实际应用，进而推动移动互联网、云计算、物联网以及智慧城市等产业的健康发展。

第二，频谱共享是提高频谱利用率、避免资源浪费的有效途径。目前，各国无线电管理机构通常对牌照持有者以外的用户视为干扰，从而采取禁止措施。但很多情况下这些频率在时空范畴内均未得到充分利用。此外，牌照持有者如需调整其无线电业务时，则要花费大量的时间和成本。频谱共享能够在不影响牌照持有者频谱使用权的情况下动态利用空闲频谱，使多种业务或多个用户共用一个段频谱，并保证互相之间干扰可容忍，从而能避免频谱重置的高昂成本，并显著提升频谱资源的利用效率。

因此，我国积极推行频谱共享研究，提升频谱资源利用率，可最大化满足新兴信息产业快速增长的用频需求。

5 结束语

本文首先阐述了频谱共享的概念，并按照不同的分类标准将频谱共享分成了四大类。接着，介绍了频谱共享技术的产生和发展，并重点讨论了认知无线电和频谱池两种频谱共享实现技术。最后，指出了我国无线电频谱资源使用和在相关事业、产业发展中存在的问题，以及国家利用频谱共享缓解频谱供需矛盾和提高频谱利用率的必要性。