國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心 楊 淼 方 正 李明明

一、引言

近年來(lái)，伴隨著無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展，智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備使得移動(dòng)信息接入逐步成為我們生活的中心。未來(lái)，無(wú)線頻譜接入將成為全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和技術(shù)引領(lǐng)的重中之重。從2008年到2011年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)連續(xù)四年實(shí)現(xiàn)翻倍增長(zhǎng)。到2020年，全世界連接到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量預(yù)計(jì)增長(zhǎng)到500億。屆時(shí)，無(wú)線技術(shù)將擴(kuò)大和催生更多的無(wú)線業(yè)務(wù)，在全球?qū)a(chǎn)生約4.5萬(wàn)億美元的經(jīng)濟(jì)收益，從而使得無(wú)線頻譜的商業(yè)接入產(chǎn)生空前的需求。頻譜的短缺會(huì)影響美國(guó)工業(yè)在世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。

為了提升美國(guó)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)，激發(fā)創(chuàng)新，加強(qiáng)國(guó)防，總統(tǒng)奧巴馬于2010年發(fā)布了“釋放無(wú)線寬帶革命”計(jì)劃。該計(jì)劃要在10年內(nèi)將騰出500MHz頻譜，用于商業(yè)的移動(dòng)和固定無(wú)線寬帶業(yè)務(wù)。但美國(guó)國(guó)家和電信管理局（NTIA）研究發(fā)現(xiàn)，清除現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)，重新分配聯(lián)邦頻譜（聯(lián)邦頻譜是指有國(guó)家電信和信息管理局管理的美國(guó)聯(lián)邦政府及各分支機(jī)構(gòu)的用頻）是不可行的，這會(huì)帶來(lái)高成本開(kāi)銷、漫長(zhǎng)的執(zhí)行時(shí)間，甚至影響現(xiàn)有聯(lián)邦業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行。僅在1755～1850MHz回收95MHz頻譜就需要耗費(fèi)10年時(shí)間和180億美元。

現(xiàn)今的頻譜短缺，是由于頻譜未被充分管理所造成的。如果美國(guó)擴(kuò)大對(duì)聯(lián)邦頻譜的管理范疇，使頻譜變得可重復(fù)使用或可經(jīng)常性的重新發(fā)放執(zhí)照，便可以將頻譜資源從稀缺變?yōu)楦蛔?。另外，現(xiàn)行頻譜細(xì)碎的靜態(tài)劃分和獨(dú)占使用方式也導(dǎo)致了頻譜使用的低效和人為稀缺性。

針對(duì)美國(guó)頻譜使用現(xiàn)狀，彌補(bǔ)現(xiàn)行政策的不足，有效解決“頻譜短缺”問(wèn)題，促進(jìn)美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和確保世界領(lǐng)先地位，美國(guó)總統(tǒng)科技顧問(wèn)委員會(huì)（PCAST）提出頻譜高速公路計(jì)劃，該計(jì)劃預(yù)計(jì)可以使現(xiàn)有頻譜容量擴(kuò)大1000倍。

二、頻譜高速公路概念

頻譜高速公路計(jì)劃是確定1000MHz的聯(lián)邦頻譜，通過(guò)改善頻譜管理手段，實(shí)施新的頻譜結(jié)構(gòu)和無(wú)線電系統(tǒng)架構(gòu)，使不同無(wú)線業(yè)務(wù)在一段頻譜內(nèi)形成動(dòng)態(tài)共享，從而極大提高頻譜的使用效率。

將無(wú)線通信和公路運(yùn)輸做類比，寬帶頻譜可看作高速公路，不同無(wú)線業(yè)務(wù)可看作是在高速公路上行駛的車(chē)輛（如“聯(lián)邦政府車(chē)輛”和“商用車(chē)輛”），頻譜動(dòng)態(tài)共享可看作機(jī)動(dòng)車(chē)可以從一條車(chē)道切換到另一條車(chē)道。頻譜管理系統(tǒng)可看作交通規(guī)則和指揮系統(tǒng)，不同無(wú)線業(yè)務(wù)應(yīng)遵守一定的管理規(guī)則，才能避免碰撞，有效共享。例如，可以設(shè)置“無(wú)線信號(hào)燈”管理頻譜接入，另外出于國(guó)家和公共安全方面的考慮，也可限定政府使用優(yōu)先于商業(yè)使用。

根據(jù)美國(guó)頻譜現(xiàn)有業(yè)務(wù)分配情況、頻譜屬性以及傳播特性，PCAST建議選用2700～3700MHz的聯(lián)邦頻譜建立第一個(gè)頻譜高速公路，并以3550MHz～3650MHz作為驗(yàn)證頻段。

頻譜高速公路與國(guó)家寬帶計(jì)劃不同的是盡量保證現(xiàn)有無(wú)線業(yè)務(wù)不發(fā)生改變，其他業(yè)務(wù)通過(guò)新的管理機(jī)制有秩序的接入使用。其重要特征為頻譜的共享使用而不是獨(dú)占，通過(guò)大的頻帶劃分，使其可容納各種兼容性應(yīng)用以及各種適合寬帶的新技術(shù)應(yīng)用。

三、頻譜高速公路的基本理念

要實(shí)現(xiàn)1000MHz聯(lián)邦頻譜的共享的頻譜高速公路，首先是將現(xiàn)在聯(lián)邦頻譜小而精的劃分方式改為百兆赫茲級(jí)以上的大帶寬的劃分。這樣可以更容易使頻譜共享形成規(guī)模，但需要各聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的參與合作；其次需要建立等級(jí)接入制度和頻譜接入系統(tǒng)，以保障聯(lián)邦業(yè)務(wù)系統(tǒng)不發(fā)生改變，并使不同等級(jí)的無(wú)線業(yè)務(wù)形成有效共享，擴(kuò)展頻譜容量；再次，還需要確立接收機(jī)管理框架，逐漸提高用頻標(biāo)準(zhǔn)，提高鄰頻帶的可用性；最后，為支撐頻譜高速公路計(jì)劃，現(xiàn)有簡(jiǎn)單計(jì)算頻譜效率已不再適用，需要一種更全面的評(píng)估頻譜使用的方法，注重頻譜使用的實(shí)際效益。

1. 頻譜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變

為實(shí)施頻譜高速公路計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)寬帶頻譜動(dòng)態(tài)共享，需要新的頻譜結(jié)構(gòu)支撐（見(jiàn)圖1）。

首先，實(shí)現(xiàn)頻譜共享要求頻譜結(jié)構(gòu)向大頻譜帶寬的劃分轉(zhuǎn)變，并將頻譜使用作為系統(tǒng)工程，而不能將頻譜活動(dòng)進(jìn)行細(xì)致分類。新的頻譜結(jié)構(gòu)的調(diào)整將有助于解決由于缺乏寬帶頻譜而無(wú)法研制大帶寬、低功耗設(shè)備的問(wèn)題。從而促進(jìn)相關(guān)新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。反過(guò)來(lái)，此類新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)新的頻譜結(jié)構(gòu)的形成。此外，寬帶頻譜還有助于可以減少鄰道干擾，保持鄰道的兼容性。

其次，提高頻譜利用率要求頻譜結(jié)構(gòu)向高頻段、微小區(qū)轉(zhuǎn)變。由于高頻率對(duì)空氣和建筑物的穿透性較差，因此適合小范圍的傳輸覆蓋。而微小區(qū)的部署使得給定頻譜更加容易實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，并且微小區(qū)也更適合現(xiàn)代的收發(fā)一體的通信設(shè)備。雖然微小區(qū)需要更多的設(shè)備，但是隨著無(wú)線設(shè)備功耗的下降以及數(shù)據(jù)速率的增長(zhǎng)，這將不再是問(wèn)題。

Wi-Fi的迅速崛起證明了新的頻譜結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)。首先是對(duì)干擾的容忍度的提高，即在同一區(qū)域可以同時(shí)存在很多獨(dú)立的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。盡管干擾對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)存在一定的影響，但是與整體吞吐量的提升程度相比，這種影響微乎其微。其次是寬的帶寬可以提供更高數(shù)據(jù)速率。Wi-Fi的帶寬需求從最初的20MHz增長(zhǎng)到160MHz，其數(shù)據(jù)傳輸速率也隨之不斷增長(zhǎng)。

如何在新的頻譜結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)共存，需要詳細(xì)的分析系統(tǒng)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求分類，并考慮接收機(jī)和發(fā)射機(jī)特性，為新進(jìn)業(yè)務(wù)分配最合適的頻帶。另外從技術(shù)角度上，可從地理空間、時(shí)間、碼空間、極化和方向性等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)共享。這些參數(shù)可以根據(jù)不同的行為進(jìn)行調(diào)整，最大化效率或其他優(yōu)化目標(biāo)。

(1)考慮到介質(zhì)含有焦粉等顆粒雜質(zhì)以及在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，易導(dǎo)致電滲析膜堵塞、老化變性，從而縮短膜壽命，故在工藝中設(shè)置預(yù)處理工序，對(duì)介質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾和冷卻，以保護(hù)設(shè)備。

2. 等級(jí)接入方式

為了使現(xiàn)有業(yè)務(wù)占用的頻譜不產(chǎn)生變化，就需要通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)來(lái)管理頻譜。這里將介紹三層等級(jí)頻譜使用模型（見(jiàn)圖2）。

（1）聯(lián)邦主用戶接入（Federal Primary Access）：傳統(tǒng)的聯(lián)邦用戶擁有最高的優(yōu)先級(jí)，需要在數(shù)據(jù)庫(kù)登記其部署情況，保障其不受來(lái)自其他系統(tǒng)的有害干擾。聯(lián)邦主用戶在實(shí)際使用時(shí)具有獨(dú)占權(quán)，但不能排除阻止其他聯(lián)邦或個(gè)人用戶的使用。

（2）次用戶接入（Secondary Access）：次用戶的優(yōu)先級(jí)在聯(lián)邦主用戶之后，這類用戶在特定的區(qū)域擁有短期的頻譜操作權(quán)利，并被保護(hù)免受其他次用戶接入的干擾。為了取得授權(quán)，次用戶必須在數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行登記。這些次用戶可能需要付費(fèi)，并且可以使用高功率進(jìn)行傳輸，保證一定的服務(wù)質(zhì)量。

（3）一般授權(quán)接入（General Authorized Access）：一般授權(quán)用戶具有最低的優(yōu)先級(jí)，依賴于不同的策略，他們的接入方式可能需要感知開(kāi)放的頻譜，并在數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行登記。當(dāng)在一個(gè)特定頻段和區(qū)域內(nèi)沒(méi)有聯(lián)邦主用戶和次用戶接入登記使用時(shí)，一般授權(quán)用戶才可接入。當(dāng)與主用戶和次用戶產(chǎn)生突出時(shí)，一般授權(quán)用戶有義務(wù)騰出頻譜使用權(quán)。一般授權(quán)接入設(shè)備應(yīng)具備多頻段操作能力和動(dòng)態(tài)頻譜選擇功能，當(dāng)某一頻段不可用時(shí)，設(shè)備可以在不同的頻帶間切換，以保證其正常的工作。一般授權(quán)用戶只允許低功率發(fā)射，但是不需要付費(fèi)。

3. 頻譜接入系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)等級(jí)接入模型，需要建立頻譜接入系統(tǒng)（SAS）。聯(lián)邦頻譜接入系統(tǒng)，作為信息和控制交換所，記錄各頻段用戶注冊(cè)和使用情況，并通過(guò)它決定聯(lián)邦主用戶、次用戶及一般授權(quán)用戶的在共享頻段的接入和使用（見(jiàn)圖3）。

圖3 聯(lián)邦頻譜接入系統(tǒng)

當(dāng)用戶要共享聯(lián)邦頻譜時(shí)，首先要通過(guò)與管理數(shù)據(jù)庫(kù)通信進(jìn)行注冊(cè)，然后統(tǒng)一協(xié)調(diào)，完成頻譜指配，設(shè)備授權(quán)和發(fā)射允許。其優(yōu)化原則依據(jù)給定區(qū)域的整體的頻譜使用效率，但是也要考慮聯(lián)邦用頻的優(yōu)先權(quán)。

聯(lián)邦主用戶和次用戶通過(guò)向SAS注冊(cè)來(lái)獲得干擾保護(hù)。主用戶和次用戶的列表應(yīng)該實(shí)時(shí)更新，并公開(kāi)透明。各用戶需要周期的與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信，更新注冊(cè)信息，并確保SAS不會(huì)錯(cuò)誤判斷設(shè)備的接入可能性。

頻譜高速公路的實(shí)現(xiàn)是復(fù)雜的，需要盡量確保聯(lián)邦用頻不受牽連，這包括研究干擾限制、聯(lián)邦優(yōu)先權(quán)、頻譜分配程序、新興的聯(lián)邦系統(tǒng)的保護(hù)以及執(zhí)行機(jī)制等?？傊?，要想使聯(lián)邦用戶和商業(yè)用戶之間的頻譜共享更加有效，SAS必須建立明確的規(guī)則來(lái)管理頻譜，當(dāng)設(shè)備受到禁止發(fā)射的信號(hào)時(shí)，必須有能力立即關(guān)閉其射頻發(fā)射。

4. 接收機(jī)管理

傳統(tǒng)的頻譜管理主要集中在規(guī)范發(fā)射機(jī)的特性上，但實(shí)際上接收機(jī)的性能同樣也限制了頻譜的使用。接收機(jī)不僅可以接收到目標(biāo)頻帶內(nèi)的信號(hào)，而且還對(duì)鄰頻帶信號(hào)作出響應(yīng)。接收機(jī)性能不好可能會(huì)引起信號(hào)交調(diào)，產(chǎn)生帶內(nèi)假信號(hào)，導(dǎo)致接收機(jī)失諧，即接收機(jī)過(guò)載或減敏。因此，接收機(jī)的性能在一定程度上會(huì)限制鄰頻帶信號(hào)的活動(dòng)。

最近，美國(guó)出現(xiàn)了一些由于政策或技術(shù)問(wèn)題導(dǎo)致的信號(hào)干擾的案例。美國(guó)政府不得不進(jìn)行頻譜交換，允許了頻譜拍賣(mài)之外的頻譜使用權(quán)的購(gòu)買(mǎi)行為。為了減少Nextel蜂窩基站對(duì)公共安全頻段的影響，在公共安全方面作出了巨大的投入。由于使用了衛(wèi)星頻段，GPS系統(tǒng)接收機(jī)導(dǎo)致了光立方計(jì)劃的停滯。FCC(Federal Communications Commission)相關(guān)報(bào)告展示了更多復(fù)雜的例子，這些都表明了接收機(jī)性能是影響新業(yè)務(wù)頻譜接入的主要問(wèn)題。

由于過(guò)去頻譜使用情況不緊張，不要求各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的頻譜離太近，鄰道信號(hào)導(dǎo)致的接收機(jī)干擾問(wèn)題很少。如果現(xiàn)在不正視接收機(jī)干擾問(wèn)題，類似于光立方這樣干擾情況會(huì)逐漸增多，解決接收機(jī)干擾問(wèn)題時(shí)十分必要的。

為了刺激無(wú)線領(lǐng)域的創(chuàng)新和投資，PCAST提出一種接收機(jī)管理框架，這種框架不會(huì)對(duì)接收機(jī)造成過(guò)多的成本，而是給出有害干擾的定義。對(duì)于要接入現(xiàn)有美國(guó)聯(lián)邦系統(tǒng)相鄰頻段新系統(tǒng)，提供清晰明確的干擾要求。這個(gè)框架可以讓設(shè)備廠商在滿足干擾要求的條件下，自由選擇適合他們?cè)O(shè)備的頻段。限制低性能接收機(jī)對(duì)有害干擾的索賠的這一規(guī)劃方式的改變，是對(duì)現(xiàn)行發(fā)射機(jī)管理方式的必要補(bǔ)充，這個(gè)補(bǔ)充的目標(biāo)不是避免有害干擾，而是決定誰(shuí)來(lái)承擔(dān)干擾的責(zé)任。

干擾門(mén)限可定義為頻率和空間內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)，如圖4所示。在給定頻率和空間內(nèi)，只有當(dāng)有害干擾超出指定的干擾程度時(shí)，被授權(quán)者才可以投訴和索賠。在沒(méi)有給出干擾門(mén)限的頻率和空間中，不提供干擾保護(hù)和索賠。

圖4 接收機(jī)干擾門(mén)限示意圖

設(shè)定接收機(jī)干擾限制，即描述有害干擾條件，可以使新的無(wú)線系統(tǒng)提前預(yù)估在給定的頻段上部署發(fā)射機(jī)的成本。接收機(jī)干擾限制也能確保鄰頻帶的未來(lái)可用性。在聯(lián)邦頻譜內(nèi)，接收機(jī)的干擾限制可被預(yù)先設(shè)定，這樣現(xiàn)存的聯(lián)邦無(wú)線系統(tǒng)無(wú)需做任何改變，因此對(duì)現(xiàn)存系統(tǒng)不會(huì)造成任何影響。為了改善頻譜使用效率，隨著新設(shè)備的出現(xiàn)，可以不斷的提高接收機(jī)干擾的門(mén)檻，不符合要求的舊設(shè)備也會(huì)隨之淘汰。

5. 頻譜使用效率的度量

很多測(cè)試表明，即使是在擁擠的城區(qū)，絕大部分頻帶（3.7GHz以下）的頻譜占用度也小于20%。頻譜容量應(yīng)該從時(shí)間維度上被充分利用，為了支撐新的頻譜共享計(jì)劃，靈活使用回收的頻譜，標(biāo)記未充分利用的頻譜，需要一種能夠評(píng)估頻譜使用效率的度量方法。在新的頻譜結(jié)構(gòu)下，簡(jiǎn)單的衡量頻率效率已再適用，新的度量方法要衡量頻譜使用的實(shí)際效益。在影響頻譜使用的相關(guān)因素中，如傳輸速率、傳輸覆蓋范圍、排他性干擾等，這些參數(shù)都只能反應(yīng)頻譜使用的一個(gè)側(cè)面，而新方法應(yīng)綜合考量所有因素。

通過(guò)這種度量方法，不僅能知道用戶如何完成通信，而且要知道通信中是否會(huì)妨礙到其他用戶。換言之，度量應(yīng)該平衡考慮頻譜使用的質(zhì)量和機(jī)會(huì)成本。這種度量不僅可以定量分析比較同一頻譜中的不同系統(tǒng)的頻譜使用情況，也可以分析給定系統(tǒng)在不同頻段的適用度。對(duì)于有益的行為或有效的調(diào)制機(jī)制，通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的度量方法應(yīng)給予激勵(lì)。

PCAST給出了一種可能的有效性度量的頻譜使用的方法，該方法考慮了通信容量、通信范圍、干擾范圍、時(shí)間和頻譜的排他性等方面。其公式如下：

度量方法的重要性遠(yuǎn)超出工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)無(wú)線電設(shè)備的范圍。公式中的每一因子都需要政策、投資和管理決策所驅(qū)動(dòng)。這種度量表明無(wú)線寬帶的解決辦法是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，而不是簡(jiǎn)單的騰出專用頻帶那么簡(jiǎn)單。

度量要強(qiáng)調(diào)頻譜重復(fù)利用的影響，這是發(fā)展可擴(kuò)展的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。發(fā)展越來(lái)越大范圍的頻譜分配無(wú)論是從頻譜還是從服務(wù)角度都更加有效。

四、結(jié)束語(yǔ)

聯(lián)邦頻譜為美國(guó)應(yīng)對(duì)頻譜需求指數(shù)增長(zhǎng)問(wèn)題、在世界范圍內(nèi)確定頻譜共享技術(shù)領(lǐng)先地位提供了獨(dú)一無(wú)二的機(jī)會(huì)。而實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦頻譜共享的基石是創(chuàng)造大劃分范圍的頻譜。PCAST的報(bào)告表明存在開(kāi)放1000MHz共享聯(lián)邦（非聯(lián)邦）頻譜實(shí)現(xiàn)微小區(qū)低功率二次接入或一般授權(quán)接入的可行性。頻譜可用性的擴(kuò)張可以刺激企業(yè)在技術(shù)、設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)等方面的投資，拉動(dòng)二次接入設(shè)備和一般授權(quán)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，促進(jìn)動(dòng)態(tài)頻譜接入，最終實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦頻譜潛在頻譜容量的激增。

目前，我國(guó)已劃分的頻譜資源的利用率也較低。隨著無(wú)線技術(shù)和業(yè)務(wù)日新月異的發(fā)展，我國(guó)頻譜資源的緊張形勢(shì)將會(huì)逐漸凸顯。如何解決未來(lái)我國(guó)頻譜資源需求激增的問(wèn)題，我們可以借鑒頻譜高速公路計(jì)劃中的管理方法和理念，結(jié)合我國(guó)頻譜使用情況，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)頻譜共享創(chuàng)新模式的可行性。一旦動(dòng)態(tài)頻譜共享形成廣泛應(yīng)用，那么在頻譜監(jiān)測(cè)技術(shù)、設(shè)備檢測(cè)規(guī)范以及臺(tái)站管理等方面都需要作出相應(yīng)的改進(jìn)，以適應(yīng)新的頻譜使用方式。

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