王坦　丁家昕　許穎

【摘? 要】首先，基于未來移動通信發(fā)展愿景，對相關(guān)領(lǐng)域頻譜動態(tài)進行了概述。其次，闡述了頻譜兼容共存研究的基本含義和分析方法，包括確定性計算、仿真分析和測試等環(huán)節(jié)。最后，選取了部分典型案例對尋找頻譜兼容共存的邊界和技術(shù)手段進行了分析，還對頻譜動態(tài)共享進行了探討。

【關(guān)鍵詞】移動通信;頻譜;兼容共存研究

0? ?引言

移動通信賴以生存與發(fā)展的根本——無線電頻譜資源是有限、寶貴的國家資源。面對未來移動通信網(wǎng)絡(luò)承載能力要求不斷提高的趨勢，尋找可用、好用的頻譜資源愈加困難?！氨R未動，糧草先行”，頻譜研究是移動通信可持續(xù)發(fā)展需開展的首要工作之一。其中，開展頻譜兼容共存研究，尋找業(yè)務(wù)間共用的技術(shù)邊界，是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

1? ?移動通信相關(guān)領(lǐng)域頻譜動態(tài)背景概述

當前，在傳統(tǒng)4G移動寬帶業(yè)務(wù)增強的基礎(chǔ)上，物聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)是5G重點拓展的領(lǐng)域[1]。不難想象，在真正實現(xiàn)萬物互聯(lián)的更遠未來，人與人、人與物、物與物的連接將打破行業(yè)、空間等單一領(lǐng)域的界限，無線通信對各個領(lǐng)域的滲透力度將更加空前。本節(jié)結(jié)合未來移動通信發(fā)展愿景[2-3]，對相關(guān)領(lǐng)域的頻譜動態(tài)進行簡要梳理。

在公眾通信方面，4G（IMT-Advanced）、5G（IMT-2020）等技術(shù)是全球應(yīng)用最為普及的移動通信技術(shù)。國際電信聯(lián)盟（ITU）為國際移動通信系統(tǒng)（IMT）的頻譜研究做出了不懈努力。自1992年至今，ITU為IMT研究過十余個頻段，其中有的在全球范圍內(nèi)達成了一致，如普遍使用的800 MHz/900 MHz、1.8 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz等頻段[4]。

專網(wǎng)通信也是未來移動網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容[3]。在公共服務(wù)方面，有800 MHz數(shù)字集群、1.4 GHz/1.8 GHz專網(wǎng)等提供指揮調(diào)度、工作和應(yīng)急通信[5]。在智能交通方面，2019年ITU首次為智能交通系統(tǒng)建議了5 850 MHz—5 925 MHz頻段，對發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、設(shè)備和服務(wù)發(fā)揮了重要的推動作用。近年來，ITU還為列車與軌旁間鐵路無線電通信系統(tǒng)持續(xù)開展著頻率研究[6]，以滿足未來鐵路車地通信各類應(yīng)用的發(fā)展需求。作為專用通信的重要領(lǐng)域，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)全領(lǐng)域、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈中的融合集成應(yīng)用，是支撐智能制造的綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。例如以NB-IoT、eMTC為代表的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低功耗、廣覆蓋、大連接等特點，以滿足工廠間的無線通信等[7]。此外，基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也已逐漸部署[8]，用于工廠內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集、AGV通信和控制、機器視覺質(zhì)檢和工廠外的設(shè)備遠程遙控、遠程巡檢、數(shù)據(jù)采集分析等。

空天地海一體化是未來移動通信網(wǎng)絡(luò)愿景的重要目標[3]，其中衛(wèi)星通信是實現(xiàn)全球無縫覆蓋最重要的手段之一。在ITU框架下，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)大體分為衛(wèi)星固定和衛(wèi)星移動兩類。衛(wèi)星固定主要使用C、Ku、Ka等頻段，傳輸帶寬大、速率高，可固定傳輸視頻等寬帶信息;衛(wèi)星移動主要使用L、S等頻段，傳輸帶寬小、速率低、可移動傳輸語音數(shù)據(jù)等窄帶信息。近年來，衛(wèi)星動中通（ESIM）和非靜止軌道衛(wèi)星（NGSO）星座（或衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)）為代表的衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展十分迅速，是空地移動通信網(wǎng)絡(luò)未來融合發(fā)展的重要途徑[9]。此外，高空平臺（HAPS）作為偏遠、惡劣地形條件或應(yīng)急地區(qū)開展大容量通信服務(wù)的手段之一，兼具通信范圍大、時延低的特點，也受到了廣泛關(guān)注。ITU近年來為HAPS在全球或部分地區(qū)開展了多個頻段的研究，如39 GHz/47 GHz等[10]。

短距離通信技術(shù)重在解決通信最后的十幾米到幾厘米的問題，也是未來移動通信網(wǎng)絡(luò)的組成部分，如使用2.4 GHz、5.8 GHz、60 GHz的無線局域網(wǎng)以及藍牙、ZigBee、RFID、NFC等。此外，太赫茲的引入也將為短距離極高容量的通信開辟新的頻譜領(lǐng)域[11]。

2? ?頻譜兼容共存研究的基本含義

隨著萬物互聯(lián)的加速到來，頻譜供需矛盾不斷加劇，各種電子信息系統(tǒng)釋放的高密度、高強度、多頻段的電磁波使得我們身邊的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。為確保各種無線電系統(tǒng)兼容共存，關(guān)鍵手段是通過開展相應(yīng)的技術(shù)分析，尋找系統(tǒng)間頻譜使用的“邊界條件”。

2.1? “頻譜空間”的概念

在ITU框架下，任何一個無線電設(shè)備，不論發(fā)射還是接收，其正常工作都會占據(jù)一定的時域、頻域、空域等“頻譜空間”（在通信體制上還可進一步包括碼域等），進而對其它無線電設(shè)備的使用進行限制[12]。例如一個發(fā)射機的正常發(fā)射，將可能導(dǎo)致在同一時間、頻點、地點的其它不相關(guān)的接收機無法正常接收;反之，一個接收機的正常接收，將要求其它不相關(guān)的發(fā)射機不能在同一時間、頻點、地點正常發(fā)射。頻譜工程等頻譜技術(shù)工作的本質(zhì)目標就是尋找無線電設(shè)備、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)之間使用頻率的“邊界條件”，使各類用戶合理、公平、高效地利用頻譜資源。否則，由于各類用戶間沒有信息的實時交互，未經(jīng)協(xié)商的使用可能導(dǎo)致有害干擾的產(chǎn)生。

2.2? 干擾的定義和分類

根據(jù)我國相關(guān)文件定義[13]：干擾是指由于一種或多種發(fā)射、輻射、感應(yīng)或其組合所產(chǎn)生的無用能量對無線電通信系統(tǒng)的接收產(chǎn)生的影響，其表現(xiàn)為性能下降、誤解或信息丟失。當觀測到或預(yù)測的干擾符合國家或國際上規(guī)定的干擾允許值和共用標準，稱之為允許干擾;當干擾電平雖高于規(guī)定的允許干擾標準，但經(jīng)兩個或兩個以上主管部門協(xié)商同意，且不損害其他主管部門利益時，稱之為可接受干擾;而當干擾危害無線電導(dǎo)航或其他安全業(yè)務(wù)的正常運行，或嚴重地損害、阻礙、或一再阻斷按規(guī)定正常開展的無線電通信業(yè)務(wù)，則稱之為有害干擾。

（1）無用發(fā)射

無用發(fā)射又分為帶外發(fā)射和雜散發(fā)射。

帶外發(fā)射是由調(diào)制過程產(chǎn)生，剛超出必要帶寬的一個或多個頻率上的發(fā)射（除去雜散發(fā)射）。帶外發(fā)射會造成鄰頻干擾，即干擾系統(tǒng)鄰頻泄露功率落入到受擾系統(tǒng)接收機接收范圍之內(nèi)，引起接收機性能下降。

雜散發(fā)射是在必要帶寬之外的一個或多個頻率上的發(fā)射，包括諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、互調(diào)產(chǎn)物及變頻產(chǎn)物（除去帶外發(fā)射）。雜散干擾是由發(fā)射機的雜散輻射特性所引起的，在遠離工作頻段的很寬的一個頻率范圍之內(nèi)都存在這種輻射功率并會落入到受擾系統(tǒng)接收機的接收頻段內(nèi)。

（2）阻塞干擾

在接收功率超過接收機動態(tài)允許的最大功率范圍的時候，會導(dǎo)致接收機飽和阻塞。阻塞會導(dǎo)致接收機無法正常工作，長時間的阻塞還可能造成接收機的永久性能下降。

當一個強干擾信號進入接收機前端的低噪放時，可能會將放大器推入到非線性區(qū)，導(dǎo)致放大器對有用的微弱信號的放大倍數(shù)降低，甚至完全抑制，從而嚴重影響接收機對弱信號的放大能力，影響系統(tǒng)的正常工作。

（3）互調(diào)干擾

當兩個或兩個以上頻率的射頻信號功率同時出現(xiàn)在無源射頻器件中，就會產(chǎn)生無源互調(diào)產(chǎn)物，通常由兩個射頻信號的三階和更高階的信號經(jīng)過混頻所產(chǎn)生?；フ{(diào)產(chǎn)物可能恰好落在受擾系統(tǒng)接收機的接收頻段范圍，進而產(chǎn)生干擾，嚴重時可能使接收機無法正常工作。

2.3? 兼容共存研究的一般流程

開展兼容共存研究大體分為三個步驟：一是獲取系統(tǒng)用頻參數(shù)和干擾保護準則;二是結(jié)合系統(tǒng)部署場景，構(gòu)建干擾分析場景、機理和模型;三是按照兼容共存分析方法開展分析。其中，分析方法將在下一節(jié)重點介紹。

在ITU框架下，各類無線電業(yè)務(wù)典型系統(tǒng)的技術(shù)和操作特性通常均有相應(yīng)的建議書（國際標準），可在此基礎(chǔ)上結(jié)合待分析系統(tǒng)的實際參數(shù)進行調(diào)整。同時，ITU各研究組根據(jù)分工開展系統(tǒng)間兼容共存研究，有很多歷史研究案例均以建議書或報告書的方式留存。表1給出了ITU現(xiàn)有研究組的主要分工以及對應(yīng)的建議書。

因此，在ITU框架下開展兼容共存研究，一般可參照圖1所示的流程。

3? ? 頻譜兼容共存分析方法

3.1? 確定性計算

確定性計算通常是通過分析單條干擾鏈路上的干擾情況來評估外來干擾對本系統(tǒng)的影響。在計算中一般選取干擾最為嚴重的場景來進行評估，給出共存所需的隔離度，進而得出共存結(jié)論?；舅悸房赏ㄟ^如下公式表示：

PTdB+GTdB-LTdB-ISOLATIONdB-LRdB+GRdB≤Imax? ?（1）

其中：PTdB代表發(fā)射機功率，單位為dBm;

GTdB/GRdB代表發(fā)射機/接收機天線增益，單位為dBi;

LTdB/LRdB代表發(fā)射機/接收機其他損耗，如基站側(cè)的饋線損耗，終端側(cè)的身體損耗等，單位為dB;

Imax代表接收機所允許的最大外來干擾功率，單位為dBm。

ISOLATIONdB代表系統(tǒng)間隔離度，可以通過如下公式表示：

ISOLATIONdB=PLdB（d）+ACIRdB （2）

上式中的PLdB（d）代表傳播路徑損耗，與收發(fā)信機間的隔離距離d相關(guān);ACIRdB代表鄰道泄露比，與兩系統(tǒng)間的頻率間隔和收發(fā)信機的射頻特性相關(guān)。由該公式可以看出隔離度主要由空間隔離（傳播損耗）和頻率隔離（ACIR）共同決定。既可以單獨通過空間隔離或頻率隔離來實現(xiàn)，也可以由二者組合來實現(xiàn)。此外，還可通過添加額外濾波器等射頻器件，在收發(fā)信機端設(shè)置屏蔽罩等方式增加額外的隔離度。

3.2? 仿真分析

仿真分析通常分為鏈路級仿真和系統(tǒng)級仿真。其中鏈路級仿真以獲得受擾系統(tǒng)的抗干擾特性和干擾保護準則（如射頻保護比曲線、信干比等）為目標。系統(tǒng)級仿真則是仿真系統(tǒng)整體運行情況下可能受到干擾的情況。通常，兩者的基本流程如圖2所示。

系統(tǒng)級仿真又可分為靜態(tài)、動態(tài)和半動態(tài)方法。其中，靜態(tài)方法是基于蒙特卡羅（Monte Carlo）原理，將整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)區(qū)間劃分成若干個間隔，每兩個間隔之間為一個抓拍取樣時刻，將所有抓拍時刻的取樣結(jié)果進行記錄，用統(tǒng)計方法加以分析產(chǎn)生所需要的結(jié)果。動態(tài)方法是以極小的時間間隔進行連續(xù)時間仿真，并考慮網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、功率控制、調(diào)制編碼方式、移動性等因素，使得相關(guān)參數(shù)的設(shè)定盡量與真實系統(tǒng)一致，更接近未來網(wǎng)絡(luò)的實際情況。

靜態(tài)方法的優(yōu)點是具有較高的仿真效率，但可能忽略了事件和信道的時變特性。而動態(tài)方法的優(yōu)點是精細地反映系統(tǒng)性能，但復(fù)雜度較高。半動態(tài)方法是在靜態(tài)方法的基礎(chǔ)上增加用戶移動等條件，在仿真流程上兼顧動態(tài)方法的準確以及靜態(tài)仿真的效率。為此，需要對部分動態(tài)輸出指標進行預(yù)仿真，輸出相關(guān)的仿真統(tǒng)計量，通過接口查詢等方式提高效率。

3.3? 半實物仿真測試（或內(nèi)場測試）

考慮到實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及設(shè)備的某些技術(shù)特性很難進行精確建模，因此在實際測試之前或不具備實際測試條件時，可開展半實物仿真測試（或內(nèi)場測試）。半實物仿真又稱為硬件在回路中的仿真（Hardware in the Loop Simulation），是指在仿真實驗系統(tǒng)的回路中接入部分實物的實時仿真，從而使部件能在滿足系統(tǒng)整體性能指標的環(huán)境中得到檢驗。例如，LTE和雷達系統(tǒng)進行兼容共存半實物仿真的分析示例如圖3所示：

3.4? 外場測試

外場測試是兼容共存技術(shù)分析最終的測試驗證環(huán)節(jié)，具有重要意義。外場測試通常在真實環(huán)境下選取典型區(qū)域，通過架設(shè)真實設(shè)備或直接采用在用設(shè)備，分析系統(tǒng)間干擾情況。圖4給出了IMT系統(tǒng)干擾衛(wèi)星地球站的外場測試場景。

4? ?典型案例介紹

根據(jù)系統(tǒng)在空間所處位置和干擾發(fā)生的方向，大致可將頻譜兼容共存研究分為以下四類：

（1）地對地：如IMT基站、衛(wèi)星地球站、固定微波、廣播電臺等地面電臺間的干擾。

（2）空對空：如飛機、低軌衛(wèi)星、靜止軌道衛(wèi)星、HAPS等空中電臺間的干擾。

（3）地對空：地面電臺對空中電臺的干擾。

（4）空對地：空中電臺對地面電臺的干擾。

本節(jié)選取兩項具體案例，對兼容共存研究進行進一步闡述?？紤]到未來移動通信空天地一體化發(fā)展的趨勢，本節(jié)重點選取地面移動通信與衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的干擾分析案例。其中前者是IMT基站鄰頻集總干擾衛(wèi)星地球站的典型場景，后者選取地面LTE-V2X車載單元集總干擾同頻、鄰頻衛(wèi)星空間站接收的典型場景。

4.1? IMT基站鄰頻集總干擾衛(wèi)星地球站

第一步：確定系統(tǒng)參數(shù)與保護要求。其中，IMT參數(shù)來自ITU-R報告M.2292（部署參數(shù)）、建議書M.2101（天線模型）等（如無特殊指出，下文文獻均出自ITU-R）;衛(wèi)星參數(shù)來自建議書S.465/S.580（天線）、S.1432（保護要求）等，傳播模型為建議書P.452（地-地模型）和P.2108（地物損耗）。

第二步：構(gòu)建干擾分析場景、機理和模型。干擾場景如圖5所示。近鄰頻工作，可能產(chǎn)生無用發(fā)射干擾或阻塞干擾。

第三步：開展兼容共存分析。在確定性計算中，使5G基站主瓣水平朝向衛(wèi)星地球站接收天線主瓣，分析最惡劣情況。在仿真分析中，參照上述干擾場景，仿真得到隔離度要求。在測試分析中，參照圖4方式開展實際測試工作，驗證仿真工作結(jié)論。

最終，根據(jù)兼容共存研究結(jié)論提出技術(shù)建議。如需一定隔離度，可據(jù)此提出保護距離、頻率保護帶、IMT系統(tǒng)帶外泄露抑制或衛(wèi)星地球站接收機鄰道選擇性優(yōu)化、兩系統(tǒng)天線朝向規(guī)避等建議，或者其它工程手段建議（如為地球站加裝屏蔽網(wǎng)等）。

4.2 地面LTE-V2X車載單元集總干擾衛(wèi)星空間站接收

第一步：確定系統(tǒng)參數(shù)與保護要求。其中，V2X參數(shù)來自3GPP TR 38.901 LTE-V2X，衛(wèi)星參數(shù)來自建議書S.465/S.580（天線）、S.1432（保護要求），傳播模型來自建議書P.619（地-空模型）和P.452（地物損耗）。

第二步：構(gòu)建干擾分析場景、機理和模型（干擾場景如圖6所示），考慮同頻和鄰頻干擾。

第三步：開展兼容共存分析。在確定性計算中，考慮不同地理位置單個LTE-V2X發(fā)射機干擾不同軌位的衛(wèi)星空間電臺，分析最惡劣情況（通常難以干擾）。在仿真分析中，評估在車聯(lián)網(wǎng)不同發(fā)展階段（對應(yīng)不同的LTE-V2X設(shè)備裝車率）產(chǎn)生的集總干擾對不同軌位的衛(wèi)星空間電臺的影響，得到隔離度要求。該類集總干擾場景通常難以開展實測。

最終，綜合考慮同頻、鄰頻隔離度要求，提出LTE-V2X設(shè)備射頻技術(shù)要求，如仍無法滿足同頻隔離度要求，再考慮其他非技術(shù)手段。

5? ?頻譜動態(tài)共享技術(shù)

上文提到兼容共存研究與實踐側(cè)重尋找系統(tǒng)間共用的靜態(tài)條件，此外，未來網(wǎng)絡(luò)還可能需要利用頻譜動態(tài)共享技術(shù)，以更好地發(fā)揮現(xiàn)有頻譜的使用效率。

上世紀末的認知無線電（CR）思想提出了認知通信設(shè)備具有學(xué)習(xí)能力，感知和利用在該空間的可用頻譜。CR的提出為頻譜共享奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)，然而受限于認知用戶與現(xiàn)有用戶間難以建立實時的信息交互機制和信任機制，CR至今仍未真正意義上實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。一些國家在2010年前后針對廣播電視頻段“白頻譜”開展了研究與實踐，最終采用了基于數(shù)據(jù)庫（上報、查庫、計算、授權(quán)）而非認知的技術(shù)，在700 MHz實現(xiàn)其它通信設(shè)備與廣播電視業(yè)務(wù)的共享接入。美國2015年在3.5 GHz頻段提出了公眾無線寬帶服務(wù)（CBRS），擬通過集中的頻譜接入技術(shù)以提高頻譜使用效率[14]。

當前，以區(qū)塊鏈技術(shù)提高頻譜資源配置和使用實效，逐漸引起了全球關(guān)注。法國于2018年開始試驗使用區(qū)塊鏈技術(shù)進行頻譜接入。同年，美國也提出未來利用區(qū)塊鏈進行動態(tài)頻譜分配的構(gòu)想，并指出CBRS結(jié)合區(qū)塊鏈可實現(xiàn)更智能、更加分布式的動態(tài)頻譜共享接入[15]。區(qū)塊鏈采用分布式數(shù)據(jù)庫可無需通過集中式的數(shù)據(jù)庫來支持頻譜共享接入，可提升頻譜效率，還可以進一步增加接入等級和接入用戶。

除了上述提到的頻譜動態(tài)共享研究之外，還有以3GPP非授權(quán)頻譜新空口技術(shù)（NR-Unlicensed，NR-U）為代表的非授權(quán)頻譜共享，以及基于環(huán)境反向散射的頻譜共享[16]等。但不論哪一類頻譜共享，在尋求系統(tǒng)間頻率兼容共用的“邊界條件”上，與前文提到的分析方法并無本質(zhì)區(qū)別，因篇幅所限，本文不再贅述。

6? ?結(jié)束語

頻譜研究是未來移動通信發(fā)展的首要問題之一。隨著萬物互聯(lián)的加速到來，頻譜供需矛盾不斷加劇，電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。開展頻譜兼容共存研究，尋找更加精細化的系統(tǒng)間頻譜使用的“邊界條件”，是未來移動通信拓展頻率使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，相關(guān)技術(shù)分析手段的完善和加強，有待全球業(yè)界的共同努力。

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作者簡介

王坦：博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任國家無線電監(jiān)測中心（國家無線電頻譜管理中心）無線電頻譜處副處長，主要從事移動通信、物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)頻率規(guī)劃、電磁兼容分析的研究與標準化以及國際國內(nèi)技術(shù)協(xié)調(diào)等工作，曾任國際電信聯(lián)盟（ITU）5G毫米波焦點頻段報告起草組主席。

丁家昕：教授級高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任國家無線電監(jiān)測中心（國家無線電頻譜管理中心）無線電頻譜處處長，2014年獲國務(wù)院政府特殊津貼，主要研究方向為頻譜工程、頻譜管理、無線通信等。

許穎：高級工程師，現(xiàn)任職于國家無線電監(jiān)測中心，主要從事無線電頻譜管理技術(shù)研究工作，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，出版譯作1本，參與多項國家科技重大專項、863計劃等國家級科技項目，曾多次獲得中國通信標準化協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎、中國通信學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎。