動態(tài)頻譜共享研究現(xiàn)狀及展望

馮巖，孫浩，許穎，方箭

（國家無線電監(jiān)測中心，北京100037）

綜述

動態(tài)頻譜共享研究現(xiàn)狀及展望

馮巖，孫浩，許穎，方箭

（國家無線電監(jiān)測中心，北京100037）

動態(tài)頻譜共享作為解決頻譜供需矛盾的有效方式之一，在國際上受到了廣泛關(guān)注。首先，對動態(tài)頻譜共享的發(fā)展情況進(jìn)行了概述。然后，對國際上動態(tài)頻譜共享的政策制定、標(biāo)準(zhǔn)化及應(yīng)用情況等進(jìn)行了梳理。最后，結(jié)合無線電管理現(xiàn)狀，分析了實(shí)施動態(tài)頻譜共享在頻率管理、臺站管理及無線電監(jiān)測等方面的影響及挑戰(zhàn)。

動態(tài)頻譜共享；認(rèn)知無線電；白頻譜；高效利用

1 引言

作為無線通信技術(shù)乃至信息通信產(chǎn)業(yè)持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的核心資源和重要載體，無線電頻譜資源既是國際層面也是國家層面的稀缺性戰(zhàn)略資源。在滿足民航、鐵路、氣象、電力等傳統(tǒng)行業(yè)和部門在信息化、智能化建設(shè)發(fā)展中用頻需求的同時，還需應(yīng)對移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息通信技術(shù)對頻譜資源提出的巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)思科2015年發(fā)布的《全球移動數(shù)據(jù)流量預(yù)測2014-2019》調(diào)研報告［1］，到2019年，全球移動數(shù)據(jù)流量將由2014年的每月2.5艾字節(jié)（Exabyte，EB），增長至超過24.3 EB/月，其中將有97%產(chǎn)生自智能設(shè)備。海量的移動設(shè)備和機(jī)器對機(jī)器（machine to machine，M2M）應(yīng)用以及更加快速廣泛的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，將推動移動流量顯著增長，進(jìn)而極大增加對頻譜資源的需求。頻譜資源的合理配置將對未來信息通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

目前，主要采用獨(dú)占授權(quán)方式分配和使用大多數(shù)商業(yè)和非商業(yè)頻譜，即無線電管理部門通過行政化和市場化的方式將不重疊的頻帶分配給特定的用戶獨(dú)占使用。獨(dú)占授權(quán)頻譜對用戶的技術(shù)指標(biāo)和使用區(qū)域等有嚴(yán)格的限制和要求，能夠有效避免系統(tǒng)間干擾并可以長期使用。然而，這種方式在具備較高的穩(wěn)定性和可靠性的同時，也存在著因授權(quán)用戶獨(dú)占頻段造成的頻譜閑置、利用不充分等問題，加劇了頻譜供需矛盾。為解決頻譜資源供需矛盾日益突出、部分頻段頻譜利用率低的問題，各國無線電管理部門根據(jù)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求，紛紛加強(qiáng)頻譜資源優(yōu)化配置，對頻譜資源使用權(quán)進(jìn)行適時調(diào)整。清頻、規(guī)劃調(diào)整是近年來調(diào)整頻譜使用權(quán)的主要措施之一，但存在實(shí)施時間長、耗資大協(xié)調(diào)困難等問題。隨著以認(rèn)知無線電系統(tǒng)（cognitive radio system，CRS）為代表的無線電新技術(shù)的出現(xiàn)，動態(tài)頻譜共享成為可能。用戶可以在不同時間、不同地理位置和不同碼域等多個維度上共享頻譜，實(shí)現(xiàn)不可再生頻譜資源的再利用，克服傳統(tǒng)的“條塊分割”式靜態(tài)頻譜使用政策下頻譜資源利用不均衡的缺點(diǎn)，提高頻譜使用效率?；趧討B(tài)頻譜共享的無線電新技術(shù)是解決當(dāng)前無線電頻譜資源瓶頸問題的關(guān)鍵，是無線電業(yè)務(wù)發(fā)展的新引擎，同時也將影響無線電頻譜分配方式以及管理政策。

2 頻譜共享概述

目前歐美等地區(qū)和國家陸續(xù)針對頻譜共享開展了研究工作。美國、英國等國家已經(jīng)在廣播電視頻段“白頻譜”（TV white space，TVWS）上實(shí)施了免執(zhí)照使用方式。歐洲提出了授權(quán)共享接入（licensed shared access，LSA或authorized shared access，ASA）管理架構(gòu)。美國提出了“頻譜高速公路計劃”，通過頻譜接入管理系統(tǒng)以等級接入的方式實(shí)現(xiàn)商業(yè)系統(tǒng)對聯(lián)邦頻譜的共享。各個研究組織、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、咨詢機(jī)構(gòu)等也相繼發(fā)布了研究報告，共同對頻譜共享進(jìn)行探討［2-6］。

從用戶權(quán)利上區(qū)分，頻譜使用方式可以分為如下3種：獨(dú)占授權(quán)使用，只存在單一主用戶，具有使用頻段的絕對優(yōu)先權(quán)，其他非授權(quán)用戶不得使用該頻段；免執(zhí)照使用，用戶使用頻段不受限制，彼此之間享有同等的使用權(quán)利但均不受到保護(hù)，需要通過技術(shù)手段避免相互產(chǎn)生干擾；動態(tài)共享使用，在保證主用戶不受干擾的前提下，通過設(shè)計牌照權(quán)限（如規(guī)定接入時間、接入地點(diǎn)、發(fā)射功率、干擾保護(hù)等），賦予次用戶相應(yīng)的頻譜使用權(quán)利，次用戶可使用數(shù)據(jù)庫、頻譜感知、認(rèn)知無線電等技術(shù)，在空間、時間、頻率等不同維度上與主用戶共享頻譜。作為一種新興的頻譜使用模式，動態(tài)頻譜共享并不能替代現(xiàn)有的獨(dú)占授權(quán)方式和免執(zhí)照方式，而是兩種傳統(tǒng)模式的補(bǔ)充。無論是歐洲的授權(quán)頻譜接入模式，還是美國的等級接入模式以及TV白頻譜模式，都屬于在傳統(tǒng)獨(dú)占授權(quán)管理和免執(zhí)照管理模式基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種補(bǔ)充、過渡式的頻譜共享管理模式。從使用方式上考慮，免執(zhí)照使用也可以認(rèn)為是一種共享模式，用戶具有相同的使用權(quán)利，用戶之間通過動態(tài)頻譜選擇等機(jī)會接入的方式共享免執(zhí)照頻段。而ASA/LSA等頻譜共享方式與免執(zhí)照使用的主要區(qū)別在于，除了用戶之間的共享使用外，還需與已有主用戶共享頻段。表1對現(xiàn)有幾種頻譜使用模式進(jìn)行了比較。

表1 頻譜使用模式比較

3 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織研究進(jìn)展

2007年世界無線電通信大會（WRC-07）確定了WRC-12的1.19議題：根據(jù)第956號決議的要求，對引入軟件無線電和認(rèn)知無線電需采取的規(guī)則措施及相關(guān)性進(jìn)行研究。2009年，ITU-R WP 1B工作組完成了ITU-R SM.2152報告書，對認(rèn)知無線電定義如下：“無線電發(fā)射機(jī)和/或接收器采用的一種可以了解其操作和地理環(huán)境、確定政策及其內(nèi)部狀態(tài)的技術(shù)；一種能夠根據(jù)了解到的情況動態(tài)和自動調(diào)節(jié)參數(shù)和協(xié)議以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的技術(shù)；也是一種可從了解到的結(jié)果中汲取經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)?！盬P 5A工作組圍繞ITU-R 241號問題，開展了陸地移動業(yè)務(wù)中認(rèn)知無線電技術(shù)的相關(guān)研究工作，陸續(xù)推出了ITU-R M.2225和M.2330報告書，對陸地移動業(yè)務(wù)中的認(rèn)知無線電系統(tǒng)的定義、關(guān)鍵技術(shù)、潛在應(yīng)用、無線電業(yè)務(wù)共存等問題進(jìn)行了闡述。此外，WP 5D工作組于2011年完成了ITU-R M.2242報告書，對IMT系統(tǒng)中認(rèn)知無線電的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。WRC-12通過了ITU-R第58號決議，決定繼續(xù)開展“認(rèn)知無線電實(shí)施和使用”方面的研究工作，包括在相關(guān)無線電通信業(yè)務(wù)和頻帶上應(yīng)用CRS的技術(shù)需求、特點(diǎn)、性能和可能帶來的收益等問題。目前，WP 5A工作組正在對ITU-R 241號問題進(jìn)行修訂；同時WP 1B工作組開展了兩個新研究報告的制定工作，分別對“采用認(rèn)知能力的無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜接入涉及的頻譜管理原則、調(diào)整和相關(guān)問題”和“支持頻譜和電信網(wǎng)設(shè)施共享使用的創(chuàng)新性管理工具”進(jìn)行研究。

歐洲郵電管理委員會（European Conference of Postal and Telecommunications Administrations，CEPT）也圍繞認(rèn)知無線電等頻譜共享技術(shù)，開展了一系列技術(shù)及戰(zhàn)略研究工作。在共享白頻譜方面，2008年發(fā)布了24號報告對470～862 MHz頻段白頻譜上部署新應(yīng)用的初步可行性進(jìn)行研究。之后，電子通信委員會（Electronic Communications Committee，ECC）又相繼發(fā)布了159號、185號、186號報告，分別對470～790 MHz頻段白頻譜設(shè)備的技術(shù)和操作需求等進(jìn)行了研究。2015年5月，發(fā)布了最新的236號報告［7］，給出了國家實(shí)施使用地理位置數(shù)據(jù)庫的TV白頻譜的管理框架指南。從2011年開始，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）針對TV白頻譜相繼完成了多項(xiàng)技術(shù)規(guī)范（TS）、技術(shù)報告（TR）及歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN）的制定工作，主要包括TR102 907、TS102 946、TS103 143和TS103 145等，研究和規(guī)范了白頻譜的使用案例、系統(tǒng)需求、地理位置數(shù)據(jù)庫信息交換及白頻譜使用的系統(tǒng)架構(gòu)和程序等。ETSI于2014年發(fā)布了關(guān)于白頻譜設(shè)備（WSD）的歐洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)EN301 598［8］，包含了一系列技術(shù)需求及測試流程，為白頻譜設(shè)備在歐洲的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。白頻譜設(shè)備在使用時，應(yīng)符合要求以避免有害干擾。ETSI目前正在進(jìn)行EN303 144和EN303 387標(biāo)準(zhǔn)制定工作，規(guī)定不同地理位置數(shù)據(jù)庫之間信息交換的參數(shù)和流程以及白頻譜協(xié)同使用的信令和信息交換協(xié)議。

針對IMT頻率緊缺、新頻段無法在短時間內(nèi)完成清頻等問題，2011年5月CEPT頻譜管理工作組（WG FM）第72次會議上高通公司和諾西公司提出了授權(quán)共享接入（ASA）的概念［9］，IMT用戶采用認(rèn)知無線電、地理信息數(shù)據(jù)庫等技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜共享，在不對授權(quán)頻段上主用戶產(chǎn)生干擾的情況下，獲得授權(quán)后可動態(tài)接入當(dāng)前沒被占用的頻譜資源。歐盟委員會無線電頻譜政策小組（Radio Spectrum Policy Group，RSPG）發(fā)布了關(guān)于頻譜共同使用及共享方法的報告［10］，提出了與ASA類似的概念，即許可共享接入（LSA）。CEPT將起初的ASA概念擴(kuò)展為LSA，為LSA用戶和主用戶在特定頻帶的共享制定技術(shù)支撐，包括LSA可用頻段選取、頻率規(guī)劃、干擾保護(hù)準(zhǔn)則制定等方面，潛在應(yīng)用也由移動固定通信網(wǎng)（mobile/fixed communication network，MFCN）擴(kuò)展至其他應(yīng)用。2012年9月WG FM會議上，成立了FM53“可重配系統(tǒng)和授權(quán)頻譜接入”項(xiàng)目組和FM52“2 300～2 400 MHz頻段”項(xiàng)目組，分別對LSA實(shí)施指南以及2.3 GHz頻段部署LSA的頻率規(guī)劃和政策條款進(jìn)行研究。2014年2月ECC發(fā)布了205號報告［11］，對LSA的適用范圍、共享框架、頻率分配、授權(quán)過程、協(xié)調(diào)一致和移動固定通信網(wǎng)應(yīng)用等問題進(jìn)行了總結(jié)。目前，CEPT正在研究無線寬帶與節(jié)目制作和特殊事件（PMSE）共享使用2.3 GHz頻段的統(tǒng)一技術(shù)條件和解決方案等問題，已發(fā)布55號、56號和58號報告。隨著LSA在政策和研究層面上的逐步推進(jìn)，ETSI也于2012年開始同步進(jìn)行LSA的標(biāo)準(zhǔn)化研究并完成了相應(yīng)的研究報告和技術(shù)規(guī)范，包括2.3 GHz頻段部署LSA移動寬帶系統(tǒng)的無線電頻譜電磁兼容問題（TR103 113）、系統(tǒng)需求（TS103 154）及正在進(jìn)行中的系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)規(guī)范（TS103 235）等。ETSI通過標(biāo)準(zhǔn)化工作制定滿足監(jiān)管要求的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，包括具體頻段上的共享機(jī)制、系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計規(guī)范。

4 國際頻譜共享實(shí)施案例及分析

4.1 歐洲2.3～2.4 GHz授權(quán)頻譜接入

2012年歐盟通過了開展無線電頻譜政策計劃的提案（Decision No.243/2012/EU），歐盟委員會在“促進(jìn)境內(nèi)市場無線電頻譜資源共享”通訊報告［12］中表明支持LSA作為頻譜共享的一種方式，分析了頻譜共享的政策背景及挑戰(zhàn)等，并提出了境內(nèi)頻譜共享的后續(xù)實(shí)施建議。作為對歐盟委員會推進(jìn)LSA實(shí)施計劃的響應(yīng)，2013年RSPG提供了包括LSA定義、法律、監(jiān)管、牌照以及實(shí)施等方面的意見［13］，將LSA定義為“一種對有限數(shù)量的授權(quán)用戶在單獨(dú)授權(quán)體制下使用已經(jīng)分配或?qū)⒁峙浣o一個或多個主用戶的頻帶運(yùn)營無線電通信系統(tǒng)的監(jiān)管方式。LSA方式下，依據(jù)頻譜使用權(quán)利等共享規(guī)則，新增用戶經(jīng)過授權(quán)后使用頻譜（或部分頻譜），包括主用戶在內(nèi)的所有授權(quán)用戶均享有一定的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證。”LSA不是新的授權(quán)體制，而是一種通過引入其他授權(quán)用戶促進(jìn)已分配頻譜高效使用的管理方法。LSA用戶可以在空間或時間維度上與主用戶共享頻段。由于LSA的牌照數(shù)量有限，用戶可以通過協(xié)作規(guī)劃等靜態(tài)方式，或使用公共數(shù)據(jù)庫、認(rèn)知無線電等動態(tài)方式，解決或避免潛在的干擾問題。如果授權(quán)主用戶要求其他限制，還需要建立一個能夠更新信息、獲取數(shù)據(jù)和提供接入條件的綜合管理系統(tǒng)等。

在授權(quán)共享的頻段選取方面，起初歐洲考慮了2.3 GHz頻段（移動業(yè)務(wù)與軍用/無線攝像機(jī)共享）和3.8 GHz頻段（移動業(yè)務(wù)與衛(wèi)星業(yè)務(wù)共享）。目前主要實(shí)施方案是在2.3 GHz頻段上以LSA方式部署移動寬帶網(wǎng)絡(luò)。國家管理機(jī)構(gòu)和主用戶通過建立LSA頻譜倉庫，提供LSA頻譜的時間、地點(diǎn)可用信息。LSA控制器通過從LSA頻譜倉庫獲取的信息，在可用區(qū)域/時間控制移動運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)接入LSA頻譜。若由于主用戶保護(hù)等限制要求，某些區(qū)域LSA頻譜不可用，則移動網(wǎng)絡(luò)接入使用原授權(quán)頻段。歐洲METIS、CORE+、CoMoRa等項(xiàng)目也相繼開展了LSA的研發(fā)工作。2013年4月，芬蘭在2.3 GHz頻段上進(jìn)行了全球首次ASA/LSA頻譜共享試驗(yàn)。在LSA框架下，TD-LTE系統(tǒng)共享其他系統(tǒng)的現(xiàn)有頻段，兩種網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量都得到保證。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過采用LSA方式共享頻譜，運(yùn)營商能夠?qū)⒁苿訉拵ЬW(wǎng)絡(luò)的帶寬提升18%［14］。

4.2 美國3.5 GHz頻譜共享試點(diǎn)

美國從NTIA管理的聯(lián)邦頻譜和FCC管理的商業(yè)頻譜兩方面入手，進(jìn)行頻譜清查和研究，為無線寬帶尋找可用頻譜。2010年10月，NTIA發(fā)布《將500 MHz頻譜用于無線寬帶的計劃與時間表》，確定了大約2 200 MHz的候選頻段、協(xié)調(diào)時間表以及相應(yīng)的激勵措施。同時，NTIA對5個重點(diǎn)頻段的短期可行性進(jìn)行了評估［15］，建議優(yōu)先考慮1 695～1 710 MHz和3 550～3 650 MHz頻段。針對美國頻譜使用現(xiàn)狀，為彌補(bǔ)現(xiàn)行政策的不足，有效解決“頻譜短缺”問題，促進(jìn)美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和確保世界領(lǐng)先地位，2012年6月美國總統(tǒng)科技顧問委員會（PCAST）向總統(tǒng)奧巴馬提交了一份報告［16］，提出“頻譜高速公路計劃”，采用等級接入的方式促使商業(yè)服務(wù)共享聯(lián)邦頻譜。同時，PCAST還提出需要建立包含動態(tài)數(shù)據(jù)庫的頻譜接入系統(tǒng)（spectrum access system，SAS）對該民用寬帶服務(wù)進(jìn)行管理。SAS保證用戶只能在不對主用戶造成干擾的區(qū)域使用頻譜，同時也對不同級別用戶間的干擾進(jìn)行管理和保護(hù)。等級接入制度將用戶分為以下3個等級。主用戶接入（incumbent access，IA）頻段上已經(jīng)存在的聯(lián)邦用戶，具有頻段使用的最高優(yōu)先級，在劃定的主用戶使用區(qū)內(nèi)獨(dú)占頻段，在SAS中注冊后保證其不受其他系統(tǒng)的干擾；優(yōu)先接入（priority access，PA）在數(shù)據(jù)庫中登記后，可在指定區(qū)域內(nèi)擁有部分頻譜的短期優(yōu)先使用權(quán)，需要在SAS中進(jìn)行注冊，從而獲得授權(quán)，得到一定的QoS保證，并免受其他次要用戶干擾；一般授權(quán)接入（generalized authorized access，GAA）具有頻譜使用的最低優(yōu)先級，采用頻譜感知或數(shù)據(jù)庫等方式，設(shè)備應(yīng)具備多頻段操作能力和動態(tài)頻譜選擇功能，在指定時間和區(qū)域內(nèi)可免費(fèi)接入該頻段，但只允許低功率發(fā)射。圖1給出了三級用戶使用區(qū)域示例。

圖1 三級用戶使用區(qū)域舉例

根據(jù)PCAST的建議，2012年12月FCC發(fā)布12-148號規(guī)則制定提案公告（notice of proposed rulemaking，NPRM），研究通過以小蜂窩（small cell）的方式在3.5 GHz頻段上開展頻譜共享，部署新型民用寬帶服務(wù)（citizens broadband service）。3 550～3 650 MHz頻段目前分配給美國國防部雷達(dá)系統(tǒng)（如海軍船載雷達(dá)）等使用。另外，相鄰的3 650～3 700 MHz頻段已經(jīng)以低功率、輕執(zhí)照的方式分配給非聯(lián)邦衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（fixed satellite service，F(xiàn)SS），包括非聯(lián)邦衛(wèi)星地球站（接收）、空對地操作和饋線鏈路等，與聯(lián)邦主用戶進(jìn)行共享。因此，在后續(xù)的3.5 GHz頻段共享試驗(yàn)中，美國將PCAST建議使用的3550～3650MHz頻段擴(kuò)展至3700MHz。根據(jù)NTIA的評估報告［15］，若對3.5 GHz頻段進(jìn)行拍賣，為保留必要的聯(lián)邦服務(wù)，在美國東西海岸線附近的陸地區(qū)域需要200英里的隔離區(qū)。采用小蜂窩的方式能夠減小與主用戶的隔離區(qū)，同時帶來容量的成倍增長。

經(jīng)過多輪意見征集，2015年4月FCC正式發(fā)布了15-47號“3.5 GHz民用寬帶無線服務(wù)規(guī)則”［17］，采用PCAST提出的等級接入方式在3 550～3 700 MHz頻段上建立包括PA和GAA在內(nèi)的二級商業(yè)無線服務(wù)，與聯(lián)邦主用戶共享頻譜。由私營商業(yè)團(tuán)體運(yùn)營的頻譜接入系統(tǒng)將用于協(xié)調(diào)和管理不同層次用戶的共存。如圖2所示，PA執(zhí)照可在單個普查區(qū)域（census tract）內(nèi)享有10 MHz信道的3年使用授權(quán)，在3 550～3 650 MHz頻段內(nèi)最多為PA使用分配70 MHz頻譜。GAA允許在3 550～3 700 MHz頻段共150 MHz頻譜上采用類似免執(zhí)照的方式使用，GAA用戶設(shè)備認(rèn)證后可接入頻譜，無需機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步審批，但無法得到其他民用寬帶無線服務(wù)用戶的保護(hù)。FCC同時制定了允許商業(yè)服務(wù)在美國大陸地區(qū)使用頻譜感知技術(shù)的路線圖。該規(guī)則的發(fā)布是美國在授權(quán)商業(yè)和聯(lián)邦用戶頻譜共享的政策上邁出的重要的一步。美國3.5 GHz頻段試驗(yàn)得到了政府、研究機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注和參與，試驗(yàn)方案也逐步由理論走向?qū)嵺`。雖然對授權(quán)式頻譜共享的成效仍存在爭議，但作為傳統(tǒng)頻譜管理方式的補(bǔ)充方式，其短期可行性已得到認(rèn)可。

圖2 美國3.5 GHz頻段民用寬帶無線服務(wù)規(guī)劃示例［17］

2015年6月NTIA發(fā)布了關(guān)于3.5 GHz隔離區(qū)分析和計算方法的技術(shù)報告（TR-15-517）［18］，給出了民用寬帶無線電業(yè)務(wù)（citizens broadband radio service，CBRS）設(shè)備接入節(jié)點(diǎn)和用戶終端的技術(shù)和部署參數(shù)、聯(lián)邦雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)特性以及隔離區(qū)的計算分析方法，并將生成的隔離區(qū)提交給了FCC。如圖3所示，粗實(shí)線為修正后的船載雷達(dá)隔離區(qū)，相比粗虛線所示的原先劃定的隔離區(qū)大大縮小。

圖3 美國3.5 GHz頻段聯(lián)邦雷達(dá)系統(tǒng)使用隔離區(qū)［18］

4.3 美國TV白頻譜發(fā)展

在對商業(yè)頻譜的再利用方面，美國關(guān)注的重點(diǎn)集中在54～216 MHz和470～698 MHz頻段的TV白頻譜上。目前，美國對廣播電視頻段存在的部分白頻譜采用免執(zhí)照的方式，基于白頻譜數(shù)據(jù)庫，在嚴(yán)格考察和授權(quán)過程下，免執(zhí)照設(shè)備機(jī)會式接入使用［19］。TV白頻譜設(shè)備包括固定和手持設(shè)備。為了使用免執(zhí)照頻段，需要建立包含可用白頻譜信道信息的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的可用信道根據(jù)設(shè)備的類型和位置實(shí)時變化。白頻譜設(shè)備通信時，首先需要向授權(quán)的白頻譜管理者發(fā)送請求。管理者根據(jù)FCC制定的一系列規(guī)則自動生成可用信道數(shù)據(jù)，同時避免干擾受保護(hù)的TV臺站等主用戶。白頻譜設(shè)備收到信道列表后，選擇信道完成通信。

2008年11月FCC首次發(fā)布了TV白頻譜的使用規(guī)范，允許免執(zhí)照的無線電設(shè)備使用當(dāng)?shù)氐目臻e廣播電視頻段（白頻譜），并認(rèn)為在恰當(dāng)?shù)墓芾砗秃线m的設(shè)備操作下，免執(zhí)照設(shè)備使用白頻譜時不會干擾已有服務(wù)［20］。FCC對白頻譜設(shè)備進(jìn)行了定義和分類，提出“地理位置數(shù)據(jù)庫”、“接收外部控制信號”以及“頻譜感知”3種白頻譜探測方法，并對感知的功率下限和定位的最低精度做出了相應(yīng)要求。同時，F(xiàn)CC給出了發(fā)射天線高度、發(fā)射功率控制、帶外功率限制等技術(shù)指標(biāo)，對已有廣播電視服務(wù)進(jìn)行保護(hù)。在2010年和2012年，F(xiàn)CC又對FCC 08-260補(bǔ)充和修改，去除了對白頻譜設(shè)備感知功能的強(qiáng)制要求，強(qiáng)化數(shù)據(jù)庫與設(shè)備以及數(shù)據(jù)庫之間通信的安全性。2011年12月FCC批準(zhǔn)Spectrum Bridge公司的“電視白頻譜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”運(yùn)行，這是美國第一套投入運(yùn)行的白頻譜數(shù)據(jù)庫設(shè)備。經(jīng)過在東海岸等地區(qū)的試點(diǎn)，2013年3月FCC在全國范圍內(nèi)發(fā)放了白頻譜設(shè)備授權(quán)。目前，F(xiàn)CC已經(jīng)批準(zhǔn)了包括Spectrum Bridge和Google在內(nèi)的6家數(shù)據(jù)庫公司運(yùn)營白頻譜數(shù)據(jù)庫。

隨著激勵拍賣政策的逐漸成熟，美國對TV白頻譜的使用逐漸由免執(zhí)照向激勵拍賣發(fā)展。2014年6月FCC發(fā)布了激勵拍賣的14-50號報告和法令，包括實(shí)施拍賣的臨時規(guī)則。實(shí)施激勵拍賣，能夠加快600 MHz廣播電視頻段重新規(guī)劃使用，但是會對包括免執(zhí)照白頻譜設(shè)備、無線麥克風(fēng)和低功率電視等重要業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。2014年9月，F(xiàn)CC發(fā)布了14-144號規(guī)則制定提案公告，為這些業(yè)務(wù)的運(yùn)行制定新的規(guī)則。FCC預(yù)計將在2016年初開始實(shí)施激勵拍賣。

5 對無線電管理的挑戰(zhàn)和應(yīng)對

動態(tài)頻譜共享方式能夠彌補(bǔ)現(xiàn)行頻譜管理方式的不足，在短期內(nèi)解決頻譜短缺的問題。在動態(tài)頻譜共享模式下，無線電管理仍將繼續(xù)綜合運(yùn)用法律、行政、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)這4種管理手段。但是，施行動態(tài)頻譜共享模式也對頻譜管理各環(huán)節(jié)提出了一些新的挑戰(zhàn)。

5.1 頻譜需求預(yù)測

準(zhǔn)確預(yù)測頻譜資源需求量既能夠?yàn)樾碌念l譜需求及時做好頻譜資源分配的規(guī)劃，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，又避免了超前分配導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。目前的頻率需求預(yù)測方法都是考慮獨(dú)占式的頻譜使用，而引入頻譜共享技術(shù)后，使用場景、用戶行為以及技術(shù)方式都會有所不同。首先，業(yè)務(wù)特征發(fā)生改變。業(yè)務(wù)特征是建立頻譜預(yù)測模型的關(guān)鍵部分。在動態(tài)頻譜共享模式下，由于使用權(quán)短期化、動態(tài)化，業(yè)務(wù)種類、部署場景、業(yè)務(wù)容量、傳輸速率等特征也將多樣化發(fā)展。其次，頻譜效率需要重新衡量。頻譜效率評估是頻譜需求預(yù)測的重要部分，動態(tài)頻譜共享將是多種無線電新技術(shù)的融合，其頻譜效率也將因業(yè)務(wù)采取的不同技術(shù)特征而存在較大差異。另外，頻譜使用中將存在多種方式互補(bǔ)。未來網(wǎng)絡(luò)將異構(gòu)化發(fā)展，對頻譜的使用也不會僅采用單一方式。共享式頻譜使用將會對網(wǎng)絡(luò)授權(quán)頻譜和免執(zhí)照頻譜的需求量產(chǎn)生影響。

目前，ITU已形成了成熟的IMT和WLAN系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測分析方法。共享的頻譜資源成為運(yùn)營商固有分配頻譜資源的重要補(bǔ)充，可以通過其在時間、空間的動態(tài)使用特性，分析共享頻譜對于整個業(yè)務(wù)的分流比例，從部署場景出發(fā)，確定、提取相關(guān)參數(shù)，對頻譜需求預(yù)測方法進(jìn)行修正，統(tǒng)籌分析傳統(tǒng)獨(dú)占授權(quán)方式、免執(zhí)照方式、頻譜共享方式頻譜需求總量和占比情況。

5.2 頻譜統(tǒng)籌規(guī)劃

對頻譜資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，是頻譜管理的重要環(huán)節(jié)，從而滿足各行業(yè)頻譜資源需求。由于頻譜資源緊張，而需求日益增長，目前在低頻段已經(jīng)很難找到連續(xù)可用的頻譜資源。頻譜共享方式，為頻譜規(guī)劃提供了一條新途徑。未來的頻譜規(guī)劃可從未規(guī)劃資源的繼續(xù)挖掘和已規(guī)劃資源的重新配置兩方面入手，最大化頻譜資源利用。首先，頻譜共享的引入可能會改變頻譜規(guī)劃方式。為頻譜共享尋找可用頻段，可能會涉及已規(guī)劃頻段的補(bǔ)充規(guī)劃或重新規(guī)劃，在保護(hù)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的前提下，增加新業(yè)務(wù)的共享使用。其次，需要改進(jìn)兼容分析手段。在實(shí)施頻譜共享前，應(yīng)開展全面的兼容分析，充分評估與主用戶系統(tǒng)共享頻段的干擾風(fēng)險。系統(tǒng)的多樣性，加大了兼容分析的復(fù)雜度。一方面，應(yīng)分析次用戶系統(tǒng)和主用戶系統(tǒng)之間的干擾水平，設(shè)計合理的技術(shù)指標(biāo)和使用權(quán)限；另一方面，還應(yīng)對次用戶系統(tǒng)之間的相互影響進(jìn)行測試和評估，保證各系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。另外，應(yīng)統(tǒng)籌各行業(yè)頻譜需求。頻譜共享的方式下，次用戶需要在一定條件下與主用戶共享頻譜，一般會涉及多個行業(yè)、多個業(yè)務(wù)之間的共享使用問題。最后，應(yīng)充分考慮共享頻段國際協(xié)調(diào)統(tǒng)一。從國際市場競爭的角度考慮，頻譜共享不僅涉及國家內(nèi)部的規(guī)劃問題，還涉及國際上各個國家的協(xié)調(diào)統(tǒng)一?；ゲ僮餍?、漫游、頻譜效率以及邊境頻率協(xié)調(diào)等問題，都需要國際協(xié)調(diào)一致，在國際范圍內(nèi)共同促進(jìn)頻譜有效利用。

相比傳統(tǒng)頻率規(guī)劃，動態(tài)頻譜規(guī)劃方式更加復(fù)雜，從傳統(tǒng)頻率切割走向空間、時間、頻率三維的統(tǒng)籌規(guī)劃，根據(jù)用戶的優(yōu)先權(quán)特性，建立不同層級的技術(shù)和政策要求。同時，考慮不同層級用戶間在使用、共存之間的關(guān)聯(lián)性，確定合適的法規(guī)。在實(shí)踐中，可以選擇合適的頻段，設(shè)計動態(tài)頻率規(guī)劃方案，開展技術(shù)試驗(yàn)試點(diǎn)，逐步完善規(guī)劃的方法和思路。

5.3 頻譜動態(tài)分配

與傳統(tǒng)頻譜管理方式的單系統(tǒng)靜態(tài)獨(dú)享分配模式不同，頻譜共享在時間和空間上動態(tài)使用沒有被充分利用的頻譜資源。實(shí)施頻譜共享，需要對頻譜分配方式進(jìn)行創(chuàng)新式管理。首先，分配方式從零散窄帶分配向動態(tài)連續(xù)寬帶分配轉(zhuǎn)變。這要求頻譜分配時，避免條塊化頻帶分割，對各系統(tǒng)頻率使用的相關(guān)性、兼容性等進(jìn)行統(tǒng)籌考慮和動態(tài)調(diào)整，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能。其次，需要對多級用戶進(jìn)行管理。傳統(tǒng)的獨(dú)占授權(quán)使用或免執(zhí)照使用方式，轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)占、共享、免執(zhí)照使用相融合的方式。同一頻段將存在多種業(yè)務(wù)、多種使用方式的用戶，這就需要建立全面、完善、智能的多級用戶頻譜接入管理系統(tǒng)。通過實(shí)時掌握頻譜使用情況和用戶需求，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的頻譜分配和用戶管理，保證各級用戶的使用權(quán)限。另外，頻譜使用授權(quán)方式將發(fā)生很大改變。頻譜共享使用的短期性特點(diǎn)，使其授權(quán)方式將與傳統(tǒng)的長期性獨(dú)占授權(quán)具有很大區(qū)別。為適應(yīng)共享使用中頻譜牌照類型的多樣化，需對授權(quán)方式進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)業(yè)務(wù)使用特征、經(jīng)濟(jì)條件、競爭能力等，設(shè)置合理的牌照管理模式，從多個維度對頻譜使用進(jìn)行動態(tài)授權(quán)。

動態(tài)頻譜分配不同于原有固定分配，它根據(jù)先驗(yàn)信息的動態(tài)調(diào)整使用頻率。因此，獲取頻譜使用信息是進(jìn)行頻譜動態(tài)分配的基礎(chǔ)，目前國際主流的信息獲取方法有感知數(shù)據(jù)庫和頻譜檢測兩種。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中，需根據(jù)業(yè)務(wù)使用特性，從頻率分配顆粒度、分配最大帶寬等角度，統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)間、系統(tǒng)內(nèi)、用戶間的多級資源調(diào)整問題，構(gòu)建包含傳感器網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)頻率數(shù)據(jù)庫在內(nèi)的頻譜共享接入管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源高效、合理的動態(tài)分配。

5.4 頻譜使用監(jiān)管

頻率使用評估、無線電監(jiān)測和臺站管理是頻譜使用監(jiān)管的重要組成部分，不但能夠?yàn)閷ふ翌l譜共享可用頻段提供依據(jù)，還能為動態(tài)頻譜分配提供指導(dǎo)。頻譜共享的引入，對監(jiān)管方式提出了很大挑戰(zhàn)。在頻譜使用評估方面，由于頻譜共享引入了大量無線電新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的頻譜使用模式，從多個維度對頻譜進(jìn)行了重復(fù)利用，需要建立新的頻譜效率度量方法，統(tǒng)籌考慮通信容量、覆蓋范圍、干擾級別、傳輸時間、帶寬等因素，衡量頻譜的實(shí)際使用效率。同時，還應(yīng)從工程實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益等多個方面對頻譜共享進(jìn)行全面評估。在無線電監(jiān)測方面，對于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)而言，其對頻譜使用需符合國家頻率劃分和規(guī)劃要求，因此，無論是針對特定業(yè)務(wù)還是特定頻段進(jìn)行監(jiān)測，符合占用情況均有規(guī)律可循。動態(tài)占用頻譜的方式將使電磁環(huán)境更加復(fù)雜，無線電監(jiān)測必須考慮多種信號影響，勢必將加大監(jiān)測工作難度，對無線電信號監(jiān)測性能、信號識別能力、干擾查找都提出了更多的挑戰(zhàn)。在臺站管理方面，采用動態(tài)頻譜共享方式，會引入新型管理數(shù)據(jù)庫，需與現(xiàn)有臺站庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此在數(shù)據(jù)接口、鑒權(quán)等方面應(yīng)慎重考慮。另外，在臺站類型設(shè)置、頻率占用收費(fèi)等方面也將發(fā)生改變。

無線電管理是涉及頻率規(guī)劃、頻率監(jiān)測、臺站管理、頻率評估多方面的閉環(huán)管理，而動態(tài)頻譜共享更是上述幾個方面統(tǒng)一的重要體現(xiàn)，不僅需要提升每個環(huán)節(jié)的水平，還需要加強(qiáng)環(huán)節(jié)之間的溝通和數(shù)據(jù)交匯，實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合。此外，還應(yīng)建立一套合理完善的動態(tài)分配回收機(jī)制，監(jiān)測頻譜共享中各級用戶的接入使用情況，一旦發(fā)現(xiàn)對其他用戶產(chǎn)生干擾或利用率不達(dá)標(biāo)等情況，就對頻譜回收再分配，達(dá)到最大化頻譜利用率的目標(biāo)。

6 結(jié)束語

在無線電頻譜需求日趨增長、頻譜資源日益緊張的背景下，動態(tài)頻譜共享管理模式應(yīng)運(yùn)而生。無線電技術(shù)迅猛發(fā)展，為頻譜共享的實(shí)現(xiàn)提供了環(huán)境基礎(chǔ)。目前，歐美國家已經(jīng)在共享概念、共享框架、使用原則、實(shí)施步驟、技術(shù)手段等方面引領(lǐng)了頻譜共享管理模式的發(fā)展。面對新形勢，我國應(yīng)緊跟國際發(fā)展趨勢，積極開展頻譜共享體系研究，建立適合我國的頻譜共享管理機(jī)制。同時，著手頻譜清查和審計工作，利用頻譜數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測網(wǎng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行全面收集和分析，為動態(tài)頻譜共享尋找可用資源，推進(jìn)我國頻譜資源的統(tǒng)籌規(guī)劃。另外，還應(yīng)加速推動頻譜資源市場化，順應(yīng)市場發(fā)展的潮流和趨勢，建立頻譜使用授權(quán)新機(jī)制，通過競爭機(jī)制促進(jìn)頻譜資源的高效利用。

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Review and prospect on the research of dynam ic spectrum sharing

FENG Yan，SUN Hao，XU Ying，F(xiàn)ANG Jian
State Radio Monitoring Center，Beijing 100037，China

As one of the most efficient ways to alleviate the problem of spectrum scarcity，dynamic spectrum sharing has drawn worldwide attention.Firstly，the concept of dynamic spectrum sharing was briefly introduced.Next，from the aspects of rulemaking，standardization and application，the international development of dynamic spectrum sharing was fully investigated.Finally，based on the current situation of radio management，the impact and challenges on frequency management，radio station management and radio monitoring were analyzed.

dynamic spectrum sharing，cognitive radio，white space，efficient utilization

The National Science and Technology Major Project（No.2014ZX03001027）

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016062

2015-11-02；

2015-12-16

許穎，xuying@srrc.org.cn

國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.2014ZX03001027）

馮巖（1984-），女，國家無線電監(jiān)測中心工程師，主要從事無線電新技術(shù)、頻譜管理、無線電管理數(shù)據(jù)庫等方面的研究工作，參與國家科技重大專項(xiàng)、“863”計劃等多個科研項(xiàng)目。

孫浩（1984-），男，國家無線電監(jiān)測中心工程師，主要從事無線電監(jiān)測、無線電安全、頻譜管理等方面的研究工作。

許穎（1987-），女，國家無線電監(jiān)測中心工程師，主要從事頻譜管理新方法、頻譜共享技術(shù)及頻譜價值評估等方面的研究工作，參與多個國家級科技項(xiàng)目，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。

方箭（1986-），男，國家無線電監(jiān)測中心高級工程師，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會科學(xué)頻率組副組長，主要從事無線電頻譜規(guī)劃、系統(tǒng)間電磁兼容分析、認(rèn)知無線電等方面的研究工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，曾獲中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎、二等獎、三等獎各1項(xiàng)，獲中國通信學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎1項(xiàng)。