共享经济背景下频谱共享的探索与研究

罗守志

【摘 要】随着移动通信的飞速发展，5G无线系统面临的挑战之一是如何应对前所未有的频谱危机。一种潜在的解决方案便是频谱共享。本文对5G频谱共享方面的新机会进行了初步研究，同时考虑了许可和未授权方案，特别是毫米波通信，对缓解频谱资源紧张的现状具有重要意义。

【关键词】共享经济；5G；频谱共享；毫米波

一、引言

共享经济的出现（例如共享汽车或共享单车）已经改变了人们的生活和出行方式。这种共享形式提高了资源利用效率。当资源稀缺且更有价值时（例如无线网络中的频谱资源），共享效应会增加。目前，5G网络中频谱资源短缺严重。一种潜在的解决方案便是频谱共享。

二、5G频谱共享

（一）6GHz以下的频谱共享

6GHz以下频段可以支持5G的很多重要应用，这种通信具有出色的传播和室内穿透特性。第一波5G移动通信系统预计将部署在3.6GHz频率范围内。与此同时，结合使用Massive MIMO和全维MIMO技术，可支持100Mbps +数据速率，同时保持信元容量足够大，以实现可行的部署。

为了兼顾5G场景的服务质量要求，共享这些频段的一个非常重要的选择是许可共享接入（LSA）。在这种方法中，持有LSA许可证的用户可以专用接入未充分使用的许可频谱，从而在未被现用户使用时享受可预测的服务质量，从而保护其免受有害干扰。

（二）毫米波频谱共享

毫米波通信已经成为蜂窝网络（5G及以上）和无线局域网的关键性技术。尽管6GHz以下的传统频段的频谱可用性有限，但毫米波频率可提供更大数量级的带宽。此外，毫米波通信的典型特征是具有非常窄的波束的传输，使移动设备之间的定向隔离获得进一步的收益。大量带宽和空间自由度的组合使得毫米波可以满足一些最大胆的5G要求，包括更高的單位用户峰值数据速率、高流量密度和非常低的延迟。用于5G的毫米波通信呈现出许多较低频率不具备的特征：

（1）作为强制性要求的波束成形：所有以毫米波频率工作的系统的共同特征是波束成形必须补偿这些频率中明显更高的路径损耗。例如，IEEE 802.11ad标准支持四个发射机天线、四个接收机天线和128个扇区。波束成形在802.11ad中是强制性的，并且支持发射机侧和接收机侧波束成形。因此，波束为多种接入技术之间的频谱共享提供了一个共同的新维度。

（2）“无限”空间复用的潜力：无线通信系统依赖于频谱的空间共享，蜂窝通信则依赖于无线频谱的空间再利用。在使用发射侧和接收侧波束成形的毫米波系统中，空间频谱复用可以进一步推向一维，每条传输链路的干扰占用空间变得非常接近一条线路，而不是一个区域。因此，在超窄波束的理想情况下，这将实现频谱的无限空间复用。

三、与卫星服务共享

固定卫星服务（FSS）是对地静止通信卫星的官方分类，其提供向电视台、广播电台等的传输。FSS上行链路（从FSS到卫星）分配在27.5到30 GHz的频带内，该频带与5G的24.25-27.5 GHz频带相邻。因此，由于相邻信道干扰，5G和FSS之间可能存在潜在的共享问题。可以应用几种认知技术来改善5G-FSS共存。

毫米波波段中FSS和移动蜂窝基站之间的共存已成为少数主要理论研究的主题。需要考虑如何通过利用5G毫米波系统的多种天线配置以及在FSS上行链路大量部署5G系统所产生的总干扰，来降低干扰水平。在信道共享最坏情况下进行的研究已经表明，由于使用了波束成形技术并结合了毫米波频率的相对短距离的通信，空间共享比IMT先进系统更可行。即使在这种最坏的情况下，FSS周围所需的保护距离也比以前推荐的要小很多（约1公里，而不是数百公里）。此外，通过使用多个5G基站之间的协调，可以实现频谱共享中的进一步增益。这些研究还表明，存在高度定向的FSS传输会导致5G毫米波网络覆盖范围内的中断。然而，由于高度定向的FSS传输，中断区域被良好限制，可以通过使用5G用户设备处的波束零陷和多基站协作的组合，以提高信号强度，来减轻对用户设备处的影响。

四、共享未经许可的毫米波谱

最近，蜂窝通信的一个趋势是同时使用许可和未授权频谱，以扩展可用的系统带宽。在这种情况下，提出了未经许可频谱中的LTE（简称LTE-U），以使移动运营商能够更有效率地将数据业务卸载到未经许可的频率上，提供了高性能和无缝的用户体验。未授权频段的集成也被视为5G蜂窝系统的关键推动力之一。然而，与许可频段中的典型操作不同，操作基站（BS）具有对频谱的专用访问权，并且因此能够通过交换信令来协调以减轻相互干扰，这样的多标准多运营商频谱共享场景（如图1所示）在干扰减轻方面对共存产生了重大挑战。针对LTE-U的当前共存机制，已经有研究提出了具有先听后说（LBT）协议的许可辅助接入（LAA）。在毫米波非授权共享的情况下，对于目前大多假定全向天线的共存机制而言，使用高定向天线作为5G网络的一项关键促成因素，便成为了问题。例如，如图1所示，由于已经使用的窄波束，可能不会检测到由附近不同的5G基站或WiGig接入点（AP）进行的传输，从而导致“波束碰撞”，这可能导致比常规系统更多的过度干扰。

我们注意到这种波束碰撞干扰情况也可能发生在毫米波通信中。但是，在这种情况下，来自4G的集中式资源分配算法可以扩展到包括多个基站之间的波束调度以避免过度干扰。在未经许可的毫米波频谱共享的情况下，集中协调是不可能的，并且需要开发新的机制。目前提出的分享机制有，分布式和自组织的波束协调机制。

五、结语

随着5G蜂窝系统行业标准的迅速发展和巩固，与未来频谱共享的相关问题和挑战开始占据中心地位。此外，政府和监管机构强烈希望有效分配和使用5G频谱。因此，鉴于链路状态广播（LSA）、认知无线电和毫米波通信等技术的成熟，我们可以预期，频谱共享将是未来几年及以后的创新、标准化和频谱管理的一个突出领域。