无线通信频谱共享技术专利分析

摘 要：频谱是无线通信领域中重要的战略性资源，是信息化和工业化深度融合的重要载体，目前由各个国家统一管理和授权使用。有限的可用频谱和低的频谱资源利用率决定了急需一种新的通信方式。频谱共享技术的出现为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了新的局面。本文针对截止2017年2月底国内有关动态频谱共享技术的专利申请情况进行分析，进一步地，从申请的年度分布、申请人、相关技术分支等方面进行分析，以帮助业界了解未来一段时间动态频谱共享领域的技术与市场生存状况。

关键词：频谱；无线通信；专利申请

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.135

1 引言

随着移动互联网应用和智能终端的迅猛发展，围绕3G/4G移动智能终端的大众化消费型应用，物联网和宽带接入网的企业级商务型应用，以及智能城市的公益性应用等，使得随时随地的宽带无线服务成为广大用户的迫切需求。信息量的急剧增长，引发了频谱资源供应紧张。当前无线频谱利用中最突出的问题是部分频段的频谱没有得到充分的利用。

我国科技部也于2009年4月启动了863重点项目“频谱资源共享无线通信系统”，并于2012年10月成功研制了中国首个动态频谱共享无线通信实验系统。为推动我国频谱共享无线通信的标准化和应用，在新一代无线通信的竞争中抢占制高点奠定了基础。

2 频谱共享技术的研究方向及划分

频谱共享技术是认知无线电网络中的重要技术，是机会式频谱利用的核心。通过频谱共享能够对不可再生的频谱资源实现再利用，有效解决频谱稀缺和利用率底下的问题。频谱共享可看作是媒体接入控制（MAC）层的问题，它的研究包括频谱共享的方式与策略设计，涉及到协议栈中多层协议之间的协调工作，并且与网络结构和控制方式有关。频谱共享可以从结构及控制方式、分配行为、接入技术三个角度进行划分：

从网络结构上看，频谱共享分为集中式和分布式。集中式有中心实体控制频谱分配和接入过程，通常检测过程是分布式的，网络中的每个实体将他们的测量参数传送到中心实体，中心实体建立频谱分配图。而分布式结构，各节点基于本地观测确定频谱分配和接入。

从用户行为上，频谱共享分为合作式和非合作式。合作式共享需要考虑节点通信对其他节点的影响，换句话说，各节点之间要共享每个节点的干扰测量参数，所有的集中式共享均可看作是合作的，当然也存在分布式的合作共享，该方式强调系统整体的有效性，但为了共享相邻用户频繁交换的协作信息，需要公共的协议协议和通信链路，会增加系统的复杂性和额外开销。非合作式共享各节点具有自私特性，只考虑自身的利益，根据自己的信息和策略进行频谱资源管理，这种方式在频谱占用率和最小通信需求之间取得折中。

从接入方式上看，可分为填充式和下垫式，进而可以产生三种方案：（1）避免干扰的填充式方案；（2）基于下垫式的扩展频谱技术；（3）混合方案。研究表明，当用户知道全部的系统信息时，填充式方案在传输中断概率方面比下垫式方案好，中断概率低，但是混合方案效果更佳；在部分系统信息时，混合方案优势更明显。在完全没有系统信息时，下垫式方案是最优选择方案。

3 频谱共享技术的专利申请分析

本文对国内有关频谱共享技术的专利申请进行分析，以反应国内目前的频谱共享技术的专利分布情况。截至2017年2月底，在中文专利数据库中检索到涉及频谱共享的专利申请达到1313件。

统计的数据显示，我国在2006年之前，频谱共享技术相关的专利申请还比较少，从2006开始逐年递增，尤其是2012年和2013年的申请量涨幅较大。由此可见，我国的共享频谱技术在迅猛地发展。

进一步地，本文还对国内主要申请人的申请量情况进行了统计。从统计结果可以看出，北京邮电大学是频谱共享领域申请量最大的公司。另外，在频谱共享领域，高校和科研机构的申请占比覆盖较大，比如哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、南京邮电大学、电子科技大学等机构的申请都排名较靠前。

目前国内认知无线电频谱共享相关技术的研究重点集中在高校及科研机构内，这是前沿技术在国内的发展的常规趋势。经检索相关资料发现，国内高校及科研机构2006年起开始提出相关课题，在2007～2009年发展缓慢，研究热点集中在结合各种理论算法的频谱共享方法；2010～2014年进入快速增长期，研究热点也从频谱共享算法延伸到不同实际应用场景下的频谱共享策略，如基于智能天线、准静态场景、极化信息处理、可变带宽、OFDM等；2015年至今关于频谱共享的研究趋于平稳，研究热点进一步深入，不仅进一步完成了对现有算法的改进机制，同时提出了一系列基于用户检测能力、网络空间映射、干扰抑制等与频谱共享紧密相关课题研究及专利申请。

另外，国内大型通信企业华为、中兴等也在频谱共享技术领域进行了国内和海外的专利布局，如华为在2006年首次提出了包含中继站情况下的无线资源控制层进行的频谱共享协商，继而相继提出了涉及不同应用场景的频谱共享方法，如上行频谱共享、共享小区、OFDM、协作链路等；中兴在2007年首次提出了不同小区中多OFDM的频谱共享方法，后续又提出了一系列的实际场景应用下的频谱共享策略，如不同基站间频谱交换、GSM/LTE共享频谱方法、基于信道状态表示的动态频谱共享、非授权频谱共享等。可见，企业专利申请较高校及科研机构来说，更侧重于实际网络应用环境，且与5G通信相关技术的交叉融合更为密切。

4 结语

无线通信频谱共享技术可以利用大多数的频谱资源，包括移动通信、广播电视等所使用的频段，它体现了通信技术从网络化向智能化的发展，是认知无线电的功能得以实现的基础。近年来，为了解决无线频谱资源紧张的问题，提出了链路自适应技术、OFDM技术、多输入多输出技术和超宽带技术。目前，很多研究将CR技术与这些技术相结合，旨在进一步提高频谱利用率和频谱管理的灵活性。总之，无线通信频谱共享技术从理论到普及还有很漫長的路，有待科研工作者深入探索。

作者简介：楼芃雯（1988-），女，河南南阳人，工学硕士，研究方向：无线通信。