天地一体化信息网络频谱共享技术的综述与展望（下）

孙永林

（海装重大专项装备项目管理中心，北京 100000）

（接上期）

2.2 一体化频谱协同的主要研究问题

对于类似于基于天地一体化的6G这种新型网络建设，从空口波形及核心网设计之初便考虑一体化频谱协同是一种优选方案。一体化频谱协同系统必须保证物理层信号的正交性。因此针对不同体制的无线空口信号，系统需要具备通过软件可配置实现空口波形统一设计框架，有效地满足不同应用场景、不同通信资源需求的系统协同需求。特别在智能频谱协作过程中，由软件定义的空口波形统一设计框架自适应调整物理层帧结构、调制方式、加扰类型、编解码与交织模块等，使得空口波形根据一体化频谱协同与业务场景的需求量身定制，从而提升空口波形的使用效率。核心网资源管理调度统一设计是为了确保全网资源的统一调度。一体化频谱协同需要采用分布式网络资源调度与管理技术，通过分布在网络节点中的通用资源调度器，同时实现协同资源管理与核心网资源混合调度。必须针对核心网资源管理调度算法进行统一架构设计，才能实现分布在各个网络节点的通用资源调度器的兼容与协同工作。在核心网资源管理调度统一设计中，需涵盖如下几个典型网络应用场景：超大规模实时计算鲁棒网络接入、大规模异构网络在核心网域的协同调度、海量数据支持下的边缘计算域调度框架。

3 研究现状

3.1 同频共存研究现状

3.1.1 基于频谱感知的机会频谱接入

基于频谱感知的频谱共享是认知无线电技术的重要技术之一。针对现有地面频谱感知算法不能完全适用于天地一体化网络，业界对空天地网络中的频谱感知方法进行了着重研究。文献[11]提出了一种基于频谱感知的协作框架的空间段设计；文献[12]利用卫星和基站的协作，提出了一种基于模糊神经网络的频谱感知方案，并使用具有可用感应集的模糊推理系统确定最佳检测概率；文献[13]重点介绍了适合卫星通信的双门限协作频谱感知算法；文献[14]将认知卫星地面网络与分布式协作频谱感知网络相集成，通过在平均吞吐量和平均能耗之间进行权衡来最大化认知卫星网络的能量效率。

此外，基于频谱感知结果，提出了诸多接入方法。文献[15]针对无人机的不断移动导致频谱决策在短时间内无效，以及无人飞行器需要预测频谱的可能时间和空间休假等情况提出了一种快速频谱感知算法，通过优化误差估计和漏检的恒定比率来提高能量检测性能；文献[16]研究了地面混合卫星频谱共享系统，并提出了一种使用部分和机会二次网络选择方案基于放大转发的覆盖频谱共享协议，针对主网络和次网络的中断概率导出了封闭形式的表达式；文献[17]基于遗憾指标最小化提出了一种支持分层频谱共享和跨多个通道的动态频谱访问方案。

3.1.2 基于功率控制的频谱共存接入

文献[18]针对地面网络作为非授权用户共享卫星频谱的场景，在卫星用户施加的中断概率约束下，提出了基于最大化服务质量的功率控制方法，以确保地面网络用户与卫星用户的无干扰频谱共享；文献[19]提出了基于云的地面卫星综合网络，同时对于CSI不完善的情况，提出了一种关于子信道和功率的资源分配方案，在限制对卫星的总干扰同时最大程度地提高地面系统的总容量；文献[20]针对低轨巨型星座和地面D2D模式的频谱共享场景，提出了非授权用户的自适应最佳功率分配算法；文献[21]针对认知卫星网络的频谱共享，研究基于分布式竞争中地面认知终端的行动策略来制定频谱分配方案，通过将问题表述为古诺博弈模型，提出了一种可满足用户信息不完整情况的可行频谱分配方案。

3.1.3 基于空域隔离的干扰规避

文献[22]针对星地频谱共享给出了一个汇总干扰模型，是一种基于共享上行频谱的地面用户数量来计算干扰的方法；文献[23]基于波束赋形技术，针对卫星和地面回程链路之间的频谱共存提出了一种干扰缓解技术，其采用相控阵波束优化使地面回程节点通过更改每个波束成形权重的相位来减少干扰；文献[24]针对星地协助通信场景，提出了一个认知区域来确定地面节点为有效中继，以分时频谱共享方式实现卫星和地面网络的合作，并给出辅助中继器的可行位置集和相应的时分比范围，从而可以在提高卫星通信性能的同时实现地面网络的传输；文献[25]通过分析地面蜂窝系统和非对地静止系统的下行链路和上行链路对静止轨道系统造成的干扰，提出了卫星和地面网络的通用频谱共享框架，并在地面和静止轨道系统之间的频谱共享中，分析了配备全向天线的基站和具有波束赋型功能基站两种情况，给出了保护区域的计算。

3.1.4 基于数据库辅助的频谱接入方法

文献[26]在毫米波频段下，提出了基于数据库辅助频谱共享，蜂窝基站利用低地球轨道和中地球轨道卫星广播并由地球站共享的覆盖区域信息来调整发射功率的方案；文献[27]在欧洲航天局“电信系统高级研究”计划的研究基础上，讨论了在卫星电信网络与地面及其他卫星网络之间共享频谱的可行性以及使用频谱数据库来实现受控频谱共享的方案；文献[28]引入了一个新的地理定位频谱数据库来协调信息交互以进行频谱使用和监视，并提出了一种检测框架来检测违反干扰约束行为，并设计了基于感知节点选择的数据融合方案，以减轻主要用户的存在对检测性能的负面影响。

3.2 一体化频谱协同研究现状

一体化频谱协同设计是面向空天地一体化新型信息网络架构的频谱共享方案，目前该方向的进展主要集中在空口波形设计和核心网资源管理调度方面。

文献[29]介绍了支持5G蜂窝和卫星多连接环境中的频谱共享的5GALLSTAR项目的初步结果，描述了在项目中开发的基于光线跟踪和基于几何的随机通道模型。这些模型可用于模拟涉及地面和非地面网络的系统，并描述了三种信号处理（与5G NR兼容的物理层的硬件实现）、波束成形（控制波束和切换波束，以便在保持频谱效率的同时避免干扰）及无线电资源管理（旨在共同优化卫星和地面资源共享的工具）三种一体化空口设计的思路；文献[30]提出了一种扩展到频域的编码随机接入新方案，通过充分使用时隙和频率来服务更多的用户；文献[31]提出了一种与地面移动3D室内小蜂窝（即毫微微小区）共享卫星频谱的新技术，建议将卫星频谱重用于仅部署在TMS 3D建筑物中的小型小区；文献[32]针对包含集成卫星移动系统和自主地面移动系统的多种通信系统，提出了一种协调干扰的干扰管理方案及用于分配资源的全局资源调度器。文献[33]文章提出了一种协作波束成形方案，以在认知空天地一体化网络的开放信道环境下，实现安全高效的物联网通信；文献[34]设计了一种新的支持虚拟化技术的星地融合网络架构，满足来自异构设备的各种QoS要求，并基于该架构提出了一种动态虚拟化的QoS驱动的频谱分配算法。

4 结论与展望

天地一体化信息网络将多元的通信平台相结合，可为人们提供更广阔、更为多样化的无线通信服务，是未来移动通信发展的重要趋势。频谱资源是天地一体化网络的重要通信媒介，而频谱的紧缺特性及利用效率低等问题驱动着频谱共享技术的研究。本文从天地一体化网络中各子系统同频共存和一体化频谱协同设计两个方面对天地一体化信息网络频谱共享研究现状及进展进行了综述，为该领域的发展启发新的研究思路。首先列举了多种天地一体化频谱共享场景，并针对同频共存和一体化频谱协同需要研究的问题进行了阐述，最后列举了解决上述问题的研究成果。从研究现状的总结中可以看出，该领域以积累诸多的研究工作，但仍存在一些挑战和开放性问题亟待解决。比如：天地一体化频谱共享作用空间大导致频谱感知结果信息融合难；基于功率控制或空域隔离的频谱共存方式对信道状态信息和授权用户的干扰测量信息依赖过大，而上述信息均不易实时精确获取；一体化设计虽然可以从全局调度的角度获得最优的资源分配，但天地一体化信息网络过于庞大必然会对一体化核心网的调度计算产生压力。针对上述问题，本文进行了如下展望：

（1）认知无线电技术辅助的一体化频谱协同。认知无线电技术是在授权用户和非授权用户无协作的情况下进行的一种尽力而为的干扰规避措施，其效果一般为局部优化性且易受频谱感知误差等的影响。而一体化频谱协同则从全局出发，以统一化的角度进行整体的空口正交设计和核心网调度，但其往往因考虑对 象过大、涵盖内容过而不易设计。结合两种技术路线的优势，可以设计基于认知无线电技术辅助的一体化频谱协同方案，以更好地解决天地一体化信息网络频谱共享问题。

（2）基于人工智能的频谱管理。空天地一体化信息网络频谱环境复杂多变，交互实体众多，原有基于静态优化方式的频谱共享方案灵活性不高、自适应性差。近年来兴起的人工智能技术，尤其是深度强化学习，可以通过与环境的交互及奖励来激励智能体作出自适应的决策结果，可为构建未来天地一体化智能频谱管理系统提供有力支撑。

（3）基于区块链的天地一体化频谱共享。天地一体化信息网络是一个多方共建的网络架构，频谱的共享在不同实体间进行，因此对于频谱感知和信息融合中存在的误差和虚假欺骗行为等问题不可忽视。可信且公平的衡量频谱动态共享情况并保障不同实体间频谱交易的准确性和高效性，是全网运营稳定运营的重要保证。区块链技术凭借其分布式多方共识、不可篡改的自动执行智能合约等优势，可以为该领域提供底层技术支持。

（全文完）