未来通信中的动态频谱共享简述

范亚超

摘 要：随着无线通信技术的持续演进发展，未来通信网络环境呈现高度复杂特性。作为新一代信息技术的重要载体，无线频谱资源的有限稀缺性成为了制约无线通信行业发展的瓶颈。动态频谱共享能有效提高频谱利用率，解决频谱供需矛盾，增强移动通信使用频谱的灵活性，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。本文通过引入频谱共享的背景及其研究现状，简述了动态频谱共享概念，进一步分析了动态频谱共享未来研究方向。

关键词：未来网络；复杂环境；动态频谱共享；认知无线电；频谱池

1 引言

在2018年9月美国洛杉矶举办的移动世界大会（MWCA2018）上，美国联邦通讯委员会（FCC）委员Jessica Rosenworcel在演讲中展望的6G技术原型为未来无线网络描绘了新的蓝图。

2001年，英国Surrey大学的Paul Leaves等人最早提出动态频谱分配的概念。2003年，FCC给出了认知无线电的定义。随后，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都致力于研究基于认知无线电技术的空闲频谱利用。欧盟于2012年通过了开展无线电频谱政策计划的提案，支持 LSA 作为频谱共享的一种方式。2013年，芬 兰 在2.3GHz频 段TD-LTE网 络 上 进 行 了 全 球 首 次ASA/LSA频谱共享试验，证明授权共享接入可为5G网络提供技术基础。FCC于2015年在3.5GHz上推出了公众无线宽带服务（CBRS）的三层共享接入体系，通过集中的频谱访问数据库系统来动态管理优先级类型不同的无线流量。同年，LTE-U论坛发布了其首个关于应用5GHz非授权频谱的技术规范。

相比之下，国内动态频谱共享相关技术理论的研究起步较晚，但取得了飞速发展。以国 家科技重大专项、973 項目、863 项目、自然基金项目、及企业产学研项目为依托，国内知名高校（如清华大学、北京邮电大学、西安电子科技大学、电子科技大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、南京邮电大学）和华为、中兴等企业积极参与，推动了相关理论研究和产业应用方面的发展。随后，“TD-LTE 系统中的认知无线电技术研究与验证”获得国家重大科技专项项目支持，开启了认知无线电实用化进程。

本文通过介绍频谱共享的背景及其研究现状，对动态频谱共享技术进行了阐述，并讨论了两种频谱共享实现技术。在此基础上进一步探讨了未来动态频谱共享的研究方向。毋庸置疑，无线频谱不仅是未来信息化建设的物理承载体，更是一种国家层面的战略性资源，积极开展稳健、高效的频谱共享基础理论与关键技术研究，有望促使现代信息技术成为推动国民经济增长与保障国防安全的新生力量。

2.动态频谱共享概述

早于新世纪之初，美国FCC率先开创了授权频谱拍卖规则。然而频谱授权的方式存在因授权用户独占频段而造成频谱闲置、利用不充分等问题，这种独享频谱资源的分配方式加剧了频谱供需矛盾。面向万物智联时代，无线业务渗透于各行各业，频谱资源对经济支撑的重要性越发关键，传统授权频谱分配方式因在使用权限和范围上存在局限性，从而阻碍社会的创新发展。为此，FCC在审视传统无线频谱管理模式弊端的基础上，倡导部署灵活高效的频谱接入形式，即动态频谱（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）共享技术，以提高频谱使用效率。

DSS技术主要是在不改变现有频谱分配的架构下，为多种业务在有限的频谱资源内提供动态接入的机制，包括基于业务的频谱避让机制、基于位置和电磁环境的智能频谱选择机制等，从而实现不同权限用户和多种业务的共存，进而有效提高频谱利用率，解决频谱供需矛盾，打破制约无线通信行业发展的瓶颈，增强移动通信使用频谱的灵活性。在商业标准制定方面，DSS技术得到LTE-A、IEEE 802.11n和LTE-U等诸多无线新标准的青睐，成为一项未来无线标准核心技术。从实现角度来看，DSS包含认知无线电（Cognitive Radio，CR）和频谱池技术。基于CR的DSS遵循IEEE 802.22标准规定的“先感知-后操作”机制，即共享用户先感知拟接入频段的占用状态，根据频谱感知结果，自适应地调整自身操作参数（发射功率、载波频率、调制编码方式），执行机会式共享传输。因此在不对授权用户产生有害干扰的前提下，可利用授权用户的空闲频谱提高整体频谱利用率。频谱池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。频谱池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。频谱池需要有一个第三方频谱管理系统，通过一定的市场手段有效配置频谱资源对整个系统进行管理。

3 未来研究方向

传统频谱共享技术在接入模式和优化算法两个方面均存在缺陷，难以应对未来无线异构网络中的多种复杂特性。具体来说，首先现有的频谱接入模式主要面向授权频段机会共享，因而常采用单一维度的频谱感知/接入。

首先，为了顺应未来超密集网络的发展趋势，拓展无线频谱共享维度无疑是增加其效率的最佳途径；其次，长期以来，无线传输环境中所固有的不确定性（包括移动用户位置、时变信道增益、耦合干扰结构、动态网络拓扑等）一直限制着网络性能提升；再者，无线传输终端设备的多样性一方面为便捷灵活的无线服务提供了实现可能，另一方面也为高效精准的动态频谱共享带来巨大挑战。基于以上分析，本文指出面向未来复杂通信网络的动态频谱共享的几个研究方向。

3.1超密集网络中多维频谱共享

伴随着未来无线传输技术的持续发展，用户数量与数据流量均出现了指数增长，未来无线网络势必向超密集网络（ultra-dense network，UDN）演进。在此背景下，单一维度、集中式无线频谱共享方式已然无法满足上述需求；同时，UND 用户之间大量信息交互，势必耗费巨大系统时间/能量资源；再者，现有频谱接入方案鲜有考虑用户地理位置信息，因而尽管理论上存在空间维度复用增益，实际中却通常难以实现。因此，研究超密集网络环境下的动态频谱共享具有现实必要性。

3.2复杂环境中可靠频谱共享

伴随着多种智能设备的出现与激增，未来无线通信的终端多样化、拓扑异构化将使得网络呈现出嫉妒复杂特性。传统对频谱资源的共享优化均面向静态或准静态的无线环境，未考虑实际通信场景中的多种动态不确定因素，如用户位置的随机移动、链路质量的断续时变、网络拓扑的动态迁移等。但是作为实际无线通信场景的固有特性，其不可预测的随机动态会极大地影响现有算法的优化性能。因此，未来复杂通信网络环境下的动态频谱共享是另一个重要的研究方向。

4.结束语

动态频谱共享技术能有效提高频谱利用率，是解决频谱供需矛盾、打破制约无线通信行业发展瓶颈的重要技术手段，是满足我国在 未来通信系统发展新需求的重要技术途径。本文阐述了动态频谱共享的必要性和紧迫性，并讨论了两种频谱共享实现技术，进一步指出了面向未来复杂通信环境的动态频谱共享研究方向。

参考文献

[1] MWC Americas – Mobile World Congress Americas，https：//www.mwcamericas.com/.