频谱共享应用中的动态频率规划方案探讨

张冬晨, 孟德香, 孙超

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

频谱共享是提高频谱利用率、缓解局部频谱紧张局面的重要探索，是当前国内外无线通信领域的研究热点[1～3]。频谱共享技术的核心思想是改变传统的频率静态分配的使用方式，允许多个无线系统在不相互干扰的情况下，动态共用相同的频率资源。频谱共享技术的出现为当前蜂窝移动通信发展的频谱紧张局面提供了一种极为有效解决途径。如果能够通过频谱共享的方式，允许蜂窝移动通信系统在不对授权系统产生干扰的前提下，动态地利用低频率利用率的无线系统在业已分配的频段上存在的空闲频率资源，将能够极大的提升频谱利用率，缓解当前移动通信系统频谱资源紧缺的压力。目前，国家通信标准化协会和多个国家重大专项课题都在积极探讨未来移动通信系统与其他大覆盖、低频谱利用率的无线系统的频谱共享方案，典型的共享应用场景如我国698～806MHz频段上的广播系统与移动通信系统的频谱共享应用、2300～2400MHz频段上的雷达系统与移动通信系统的共享应用等[4～5]。

蜂窝移动通信系统的频率规划是保证网络稳定和高效运营的根本[6～7]。传统蜂窝移动通信系统的频率规划都是在可用频率固定的情况下进行的，无法适应未来这种新的频谱共享应用模式。因此，如何实现在动态频谱环境中蜂窝移动通信系统的频率规划，最大化、最优化的利用覆盖区域内的动态可用频谱资源，将是频谱共享技术在实际蜂窝移动通信系统应用中所亟需解决的关键问题。

2 频谱共享应用中的频率规划问题分析

移动通信系统与授权系统在共享频段实现频谱共用的前提是：移动通信系统的引入不能对授权系统造成任何有害干扰、影响授权系统的正常运营。这就要求移动通信系统可以得到共享频段内某些地理区域和某些时间上的空闲频带信息，利用这些空闲频带进行通信，并保证授权大覆盖、低频率利用率的无线系统的频率使用和系统性能不受限制和损失。如果空闲频带有变化，移动通信系统需要进行相应的调整，如图1所示。

图1 蜂窝移动通信系统与其他无线系统的频谱共享应用场景

频率复用是蜂窝移动通信系统得以实现的最基本的技术手段。为了解决大区集群通信的容量瓶颈，20世纪70年代末提出的蜂窝移动通信系统通过空间复用频率的思想，突破了原有的有限频率资源对系统可容纳最大用户数的限制，最终使得蜂窝移动通信成为近10年来通信领域最热门的方向之一。频率复用的基本思想是降低基站的发射功率，使得小区半径收缩，只覆盖相对较小的一片区域，相隔若干个小区后再重复利用相同的频率。蜂窝移动通信系统通过空间频率复用，能够有效提高频率的使用效率和系统容量。

传统的蜂窝移动通信系统的频率规划都是基于可用频率固定进行的，而动态频谱共享应用方式下，用于蜂窝移动通信系统的频率资源将发生动态变化，其使用频率取决于规划区域内授权系统对该频率的占用情况。这种可用频率的动态变化对蜂窝网络的频谱规划体制提出了新的挑战。首先，由于在不同的地理位置上授权系统占用频率的情况不同，移动通信系统的频率规划需要适应不同地理位置上的这种差异。传统的频率复用规划方式无法对差异频谱进行统一复用规划，而如果单独对各区内蜂窝小区的频率规划，又将会造成在大区覆盖交界区域的混乱，导致系统干扰增大，网络性能将会受到严重影响。其次，在使用周期内，移动通信系统可用频谱在时间上动态变化，静态频率规划方法无法响应这种变化，将造成共享系统间的强烈干扰，导致无法通信。

3 动态频率规划方案研究

3.1 动态可用频率获取

蜂窝移动通信系统动态频率规划的前提是在共享覆盖区域实时获知可用的“空闲”频率信息。可用频率获取需要通过空口的频谱检测来实现，同时，为了进一步确保对授权系统的保护，还可以设立系统间的联合频谱信息数据库库进行管理，如图2所示。

图2 共享频谱获取方式

空口频谱检测不需要授权系统主动提供频率占用情况的信息，通过有效的频谱检测方法，对所处区域的频率占用情况，功率和干扰值大小等数据进行监测。在部署方式上，根据实际授权系统覆盖情况的不同，蜂窝移动通信系统可以采用嵌入基站侧或者在多个小区共用独立检测实体的部署方式。单基站检测节点的部署方式适合于授权系统单小区发射功率较低且移动小区半径较大的场景，而多个蜂窝小区共用独立检测节点的部署方式适合授权系统大覆盖范围或蜂窝小区半径较小的场景，此时，多个联合蜂窝小区的可用频谱基本一致。由于当前的频谱检测技术都不可避免的存在漏检和错判概率，错误的检测结果会造成对共享系统间的干扰，因此，共享系统间还可以进一步增设联合频谱信息数据库，授权系统将频率占用和调整的信息提供给集中控制的频谱数据库，蜂窝移动通信系统实时读取这些信息，从而精确的判断并指导本系统的频谱使用。

3.2 动态频率规划

适应频谱动态变化的频率规划是蜂窝移动通信网络实现共享应用的关键。本节我们基于蜂窝小区的业务量和频谱可用度优先级，并综合考虑工程应用的规划复杂性，提出一种适应频率动态变化的频率规划方案。动态频率规划的算法流程如图3所示。整个规划方案可以分为两个阶段：载波预规划与载波动态调整阶段。其中第一阶段主要完成可用频谱在地理分布上发生变化情况的规划，第二阶段则主要处理可用频谱在时间上的动态变化问题。

图3 蜂窝移动通信系统动态频率规划的实施步骤

3.2.1 载波预规划算法

3.2.1.1 规划区域空闲载波统计

根据长期检测统计结果，结合联合频谱信息数据库，获取授权系统在不同时间段及不同覆盖区域的频谱使用分布情况及空闲概率。

3.2.1.2 可用载波的确定与分类

根据先验统计频段信息，确定规划区域内不同地理位置的基站的可用载波，并进行载波分类。可用载波的分类需要根据具体共享系统的干扰门限指标进行。表1给出了一组针对TD-LTE系统在698～806MHz频段与广播系统共享应用的载波类别设定。

表1 TD-LTE系统在698～806MHz频段与广播系统共享应用的载波类别设定

3.2.1.3 确定移动通信系统载波复用簇

根据蜂窝移动通信系统性能，确定频率复用规划簇的大小，簇的大小可为1个或多个基站或1个扇区。由于授权系统信号分布差异，移动通信系统在规划区域内可用载波将存在差异，所以这里的簇与传统意义上移动通信系统的复用规划簇有一定差别。传统意义上移动通信系统各簇之间载波分配及使用方式相同；但在共享应用情况下，蜂窝移动通信系统内各个簇的可用载波将会出现一定的不同。

3.2.1.4 可用载波预规划

首先对已分类可用载波按类别分别设定权值。权值设定标准根据对网络性能的具体需求而定，一般而言，A类载波在各扇区均衡性是最重要的规划指标。然后完成调用优先级排序，对共享频段的所有可用载波进行统一编号，对不同规划簇相同编号的载波按所属分类进行权值求和，得到此编号载波在总规划区域内的全局权重，并按全局权重对所有可用载波进行优先级排序。最后进行各扇区载波分配，将所有排序后载波按照一定的顺序分配到各个扇区中，确定在整个规划区域内载波预规划模板。在实际应用中可根据不同移动通信系统的情况使用不同的分配规则，如：选择按载波优先级从高到低以顺时针依次分配，直到所有可用载波分配完为止。

3.2.1.5 簇内载波调整

可用载波的预规划模板包含了共享频段上移动通信系统的所有可用载波，但由于不同位置授权系统对载波占用情况不同，移动通信系统各个规划簇的可用载波还存在一定的差别，因此需在具体扇区中对载波分配进行调整并确定各扇区内载波的使用优先级。在实现上，首先删除各扇区D类载波，然后从A到C设置调用优先级。其中，采用扇区间A、B类载波个数相差≥2的邻扇区借调机制，避免调整过程中出现少数扇区高优先级载波数量分配不均衡的现象。

3.2.2 载波动态调整算法

针对授权系统使用频率的时间可变性，需要及时响应并对规划进行动态调整。

3.2.2.1 授权系统载波占用调整

在遇到授权系统突发占用某些可用载波时，启动占用调整处理：对正在使用这些载波的小区立即切换到本小区其他可用载波上；在授权系统频率占用区域内，将移动通信系统中已标记的这些载波从可用载波集中删除；根据各个规划簇内的用户业务量及QoS需求判断是否需要触发邻扇区载波借调机制；更新该频带内载波的统计信息，包括占用概率、信号强度分布等统计信息，并判定是否需要进行载波类别调整。

3.2.2.2 授权系统载波空闲调整

当授权系统的某一工作载波由占用变为空闲时，启动空闲调整处理：更新该频带内载波的统计信息，包括占用概率、信号强度分布等统计信息，并判定是否需要进行载波使用优先级调整；当检测到授权系统退出对某一频率的占用，首先将该频率加入可用载波集中，并置为最低使用优先级，根据扇区业务负载情况进行分配；随着检测周期的推移调整空闲载波使用优先级，根据使用优先级调整载波调用次序。

3.2.2.3 载波优先级及规划调整更新

根据共享频带内载波的统计信息结果，当整个规划区域内多个可用载波类型发生了变化且在一段较长时间内稳定不变时，重复上述规划对规划区域内可用载波进行优先级重置及规划调整。需要注意的是，当授权系统使用频率变化较慢时，这一更新过程可以相对较慢，更新周期取决于服务提供商对是否进行全网重新规划的判断。

4 仿真分析

本节我们基于独立开发的频谱共享系统级仿真平台，以我国698～806MHz频段的低频率利用率、大覆盖范围的广播系统与TD-LTE系统的实际共享应用为例，对本文所提的蜂窝移动通信系统动态频率规划方案的性能进行了仿真验证。重点分析了以下两种情况的移动通信系统性能：

不同广播覆盖区域的TD-LTE系统动态频谱规划的组网性能；

同区域广播占用频率动态变化时，TD-LTE系统的动态频谱规划调整及网络性能。

4.1 不同地理区域的共享频谱情况

假设在一个城市区域内，三个广播电视塔使用了698～806MHz频段内的部分信道，如图4的规划界面所示，1号站使用该频段内的第一个8MHz信道（载波编号1），2号台站使用2号信道，3号广播台站使用4号信道。假设广播塔发射功率均为100kW， TD-LTE系统在相同区域利用该频段其他可用广播信道进行动态组网应用。

图4给出了在以圆圈中心为中点的区域TD-LTE系统（以一个基站为规划簇）的可用频率规划结果。从左到右的仿真结果显示：（1）根据移动基站在广播覆盖区域内的干扰测量结果，广播系统的使用信道及其相应的邻频信道由于干扰超过使用门限，均被从动态规划模板中剔除，不能为TD-LTE系统使用。该频段的其他可用信道（如编号7～12信道）则可以按规则进行组网应用。（2）当所考察的TD-LTE系统规划区域处于广播塔覆盖半径外较远的地理位置时，广播信号干扰已低于不能使用的门限值，但相比其他可用载频其同频干扰依然较大，即处于C、D类载波。根据规划算法，其各扇区可使用的同频载波（如1、2和3号载波）均被规划在相应的扇区最低优先级位置，供各扇区在高负载情况下使用。（3）当所考察的规划区域在更远的地理位置，同频载波干扰可以被忽略，即同处于A或B类载波。此时所有载波均可以使用且优先级按载波号从小到大排列，达到该频段的最高频率利用率。

图4 广播基站占用情况和TD-LTE系统动态频率规划结果

图5 不同地理位置的TD-LTE系统性能仿真

图5给出了在以上3种不同地理区域TD-LTE系统基于动态频率规划组网的性能。从仿真结果中可以看到：随着TD-LTE系统逐渐远离广播覆盖区域，可用载波增加导致系统相对吞吐量由0.61逐渐增加到1（系统相对吞吐量指实际系统吞吐量与使用全部频率且无干扰情况下系统吞吐量的比值）；系统SINR的CDF曲线较为集中（0～15dB左右），约50%的用户SINR>10dB，系统IoT指标也控制在一个理想的水平内。这说明基于动态频率规划的TD-LTE系统在不同地理位置均能够达到稳定的共享应用性能。值得注意的是，相比其他地理位置，地理位置2的SINR相对较差，IoT干扰指标也较大且在上端有一定波动，这是因为当处于广播覆盖范围外不远处，干扰较大的D类载波将参与规划，D类载波的使用虽然提高了整体吞吐量，但其载波干扰也会相对较大。因此，根据动态频率规划的调度规则，各小区应在负载较重时才选择使用低优先级的D类载波。

4.2 频率随时间变化的共享情况

本节重点分析了TD-LTE系统在相同区域，广播系统频率动态变化情况下的规划调整结果及相应的网络性能仿真。广播频率初始占用及部署与上一小节相同，但在不同时间将临时占用和空闲所使用的频率，以圆圈为中点的区域TD-LTE系统的动态频率规划结果从左到右如图6所示。规划结果显示：（1）初始情况下，TD-LTE系统处于广播发射塔的4号载波同频覆盖范围内，因此，4号载频由于干扰超过保护门限而被剔除，而1号和2号载频虽然可以使用，但由于存在干扰，被规划为该扇区中较低的优先级。（2）当广播系统临时增加使用12号载频的发射塔时，TD-LTE系统动态避让了该载波频率，并由于邻频干扰超过保护门限，及时剔除了第一和第二邻频以提供对广播系统的有效保护，其他载波类别和排序保持不变。（3）当第三广播塔停止使用698～806MHz频段上的4号载波时，由于检测到4号载波刚刚空闲，根据规则，4号载波被及时按预规划模板调整到相应扇区，作为最低优先级使用。

TD-LTE系统经过上述3种动态频谱调整后的整体性能如图7所示。由于TD-LTE系统规划的可用载波数随着广播系统的频率变化而变化，不同时刻TDLTE系统的总容量会发生一定的变化，但三种动态调整后的网络SINR及IoT分布均能保持一致，且处于理想的性能水平，这说明经过动态频率规划的TD-LTE系统能够及时响应变化的频谱环境，在保证对授权广播系统的保护同时，保证了自身的网络性能达到基本类似的水平，实现了动态共享应用。

5 结论

图6 广播基站随时间的频率占用情况和TD-LTE系统动态频率规划结果

蜂窝移动通信系统与其他大覆盖、低频谱利用率的无线系统的频谱共享应用具有巨大的应用价值和市场前景。本文在充分考虑共享应用场景的频谱资源时变特性和蜂窝移动通信系统频率复用技术特点的基础上，提出了适应频谱动态变化的动态频率规划技术，有效解决了频谱共享在移动通信系统中应用的核心问题，为未来频谱共享蜂窝无线通信系统的实际大规模网络应用奠定了基础。

图7 不同时刻的TD-LTE系统性能仿真

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