动态频谱管理的发展现状及应对策略探究

杨春，陈峻

（同方电子科技有限公司，江西九江，332000）

频谱是一种先进的无线通信技术，以往各国采用统一的频谱分配模式，保留了2.4GHz工业、ISM频段等非授权频段允许各国非授权竞争使用，但渐渐地，可分配的授权频段资源面临枯竭，上述频段的用户数量不可控增长，变得越来越拥挤[1]。这一现状的发生，其实并不是由于频谱资源有限的缘故，因为调查发现可分配频段的利用率是比较低的。为了提升频谱利用率，解决无线通信技术领域所面临的频谱稀缺问题，必须对现有的频谱管理模式进行变革，此时动态频谱管理技术应运而生，为频谱高效利用提供了科学路径。

1 动态频谱接入技术概述

认知无线电（Cognitive Radio,CR）技术是动态频谱接入技术的核心，这项技术可通过对频谱环境及网络状态的感知，改变功率、载频、传输速率、调制方式等工作参数，将拥挤频谱客户接入空闲频谱，优化频谱资源配置，全面提升频谱利用率[2]。在动态频谱管理中，以下技术发挥了重要作用：①频谱感知，这一技术目前正朝着多节点协作感知的方向发展，具备频段分析来寻找可利用频谱资源的能力；②频谱决策，这项技术目前正朝着公平性优化、通信开销优化等方向发展，可基于可用频谱信息分析频谱特征，从而选择合适的频段或频点；③频谱共享，这一技术能够在满足客户需求的情况下优化频谱的选择，从而提升频谱利用率，技术应用过程中，主要采用动态频谱分配算法，确保能够公平高效地解决问题；④频谱切换。认知用户在刚知道当前使用信道出现授权用户，或者信道质量下降的情况下，会自动切换到其他可用信道，进行频谱切换时，要求快速平稳，而且不会干扰到授权用户，并将对于认知用户的影响降到最低。

以CR为核心的动态频谱接入技术的研发应用，促进了频谱接入方式的改变，美国国防部根据频谱接入方式对于任务的服务质量保证能力差异，将之分为了以下三种类型：①静态频谱接入（SSA）。在固定接入频段工作，灵活性较差，不过可保证授权业务在频谱使用上的最高优先级；②协作频谱接入（CSA）。在协作接入频段工作，较为灵活，在中心代理调控下，可根据动态频谱需求信息，在各个网络、终端或两者之间接入频谱，协调共用该频段的客户，使其需求得以满足。人们在动态智能频谱管理项目中基于CSA组建了一个动态频谱管理网络结构，按照用户优先级、服务质量，高效、公平地分配频谱资源，使得系统能够趋于最佳运行状态；③伺机频谱接入（OSA）。OSA最早是在下一代无线通信计划中提出的，在自治接入频段工作，最为灵活，通过终端竞争接入频谱的方式来尽可能地提升任务服务质量[3]。

2 动态频谱管理的发展现状

2.1 美国相关研究进展

美国对于动态频谱接入技术的研究十分重视，早在2003年，联邦通讯委员会（FCC）就发布了《使用认知无线电促进频谱利用的通知》，并于次年5月发布了在不影响授权用户业务的基础上可应用CR技术使用广播电视频段空闲频谱资源的政策，又在10月份正式批准引入CR技术的文件，并制定了相关设备的使用法规，在制度上支持并规范了CR技术的研发应用[4]。在2008年11月，联邦通讯委员会直接公布了允许免许可设备可接入54至72MHz、76至88MHz、174至216MHz等多个电视频待空闲可用信道。在国家的大力支持下，美国国内对于动态频谱接入技术及动态频谱管理的研究逐步深入，在2009年3月，美国国家自然科学基金委员会（NSF）组织召开了认知无线电网络论坛，阐述了CR网络研究中值得探讨的问题，联合制定了近期动态频谱管理的路线图，并建议建立重大的项目群，为CR相关技术研究提供资助，以促进动态频谱接入技术在美国的大规模安全应用[5]。

通过多年的研究，美国在动态频谱管理方面已经取得了一定成功，在2006年，美国国防频谱组织（DSO）就提出了一个长期频谱转型的战略规划，即美国全球电磁频谱信息系统（GEMSIS），可实现频谱的自动、自适应应用，通过无线设备将频谱和网络中心战相结合，有效提升频谱使用率。提升其共享能力，促进频谱资源的灵活分配，这个计划预计到2020年方能实现。此外，美国还有一个大型频谱管理机构DARPA资助的XG计划，这个计划主要研究通过灵活的频谱政策实现动态频谱管理的框架。而且，DARPA在XG项目的基础上启动了下一步无线网络计划（WNaN），这个计划将动态频谱接入技术和容断网络（DTN）技术集成于MANET中，可给未来战士通信提供稳定、可负担且具有自组织能力的无线网络。

2.2 国内研究现状

我国对于CR技术的研究是2005年开始，受到863计划支持，并且在2008年的973计划信息领域专项活动中启动了认知无线电网络基础研究，同一年，国家自然科学基金委员会又成立了CR领域的重点项目群，这些研究的开展，促进了我国在动态频谱管理基础理论研究的深入及技术上的创新，相关技术系统也在研发应用中。

在863重点项目中，我国围绕着频谱感知共享与CR关键问题，展开了对于“频谱资源共享无线通信系统”的研究，其中的系统开发网络子课题在2012年3月全部通过验收，为我国参与国家频段共享标准化研究提供了技术支持。在2012年，以相关课题研究与验证频谱有效利用与资源管理相关技术的世界无线电通信大会上，我国凭借“面向WRC12的频谱有效利用关键技术研究与验证”这一项目，参与其中。在973课题“认知无线电网络基础理论与关键技术研究”中，对相关领域的三个基础性问题进行了研究，其一为认知无线网络体系结构的适变性，其二为多域环境的认知性，其三为管理与控制的自主性。不过，我国对于推进频谱管理模式转变途径的研究比较少，也就是说在研究成果的实用化研究方面比较欠缺。

3 应对动态频谱管理技术发展的策略

3.1 区分频谱管理与用户用频之间的关系

动态频谱管理是一项与用户动态用频息息相关的技术，因此，在制定了合理的动态频谱管理政策及支配策略的情况下，用户终端可自动调节，实现科学动态用频。长久以来，我国关于频谱管理与用户用频方面的研究都是相互独立，在设备研究方面，都以独立寻找频谱资源为目标，造成了资源上的浪费。故而，在今后应该正确认识频谱管理与用户用频之间的关系，将二者良性结合，进行深入的研究。

3.2 制定军民融合的频谱转型战略规划

随着动态频谱管理技术的发展及应用，相关研究不再止步于科研方面，还设计到政策、标准的制定，以及通信网络规划、协议设计及终端开发等服务环节。为了促进频谱管理与用户用频的一体化设计，促进动态频谱管理的实用化，国家应制定军民融合的长期频谱转型战略计划，促进我国频谱产业的发展。

3.3 积极参与相关国家标准的制定

动态频谱管理是一项非常重要的技术，目前各个发达国家都在其中投入了大量的资金、物资以及人力资源，取得的研究成果越多，成就越高，就意味着你在这一领域拥有更高的话语权，为了维护我国在频谱管理方面的权益，促进无线通信及网络通信产业的可持续发展，我国应该积极参与到动态频谱接入技术核心技术的研究中，并且积极参与到国际标准的制定中。

3.4 研究适用于我军的动态频谱管理框架

军事应用是动态频谱管理技术发展与应用的主要方向，这一技术的发展，很有可能直接改变将来军事通信用频方式及频谱管理模式。现阶段，美国面向军事通信领域的动态频谱管理方向，启动了XG项目、WNaN项目，为了保证国家军事力量的发展，我国也应该积极展开相关研究，将动态频谱管理与军事通信融合，构建与我国军情相符合的动态频谱管理框架。

4 结语

在传统的频谱管理模式中，存在着已分配频率利用率较低，而非授权频段、无线传感器网络、无线Mesh网络、移动Ad Hoc网络的用户数量不断增长，变得愈发拥挤，这种情况充分说明了频谱资源分配不均的问题。虽然说，人们研发了一些可提升信道编码、信源编码及调制解调效率的通信技术，来提升整体频谱利用率，但是这种提升不足以满足日益增长的频谱需求。直到1999年，Joseph Mitola博士提出了认知无线电（CR）技术理念，并基于此研究出了一套动态频谱管理技术，实现了对于空闲频谱的高效利用有效解决了频谱资源稀缺的问题。为了推动动态频谱管理的应用，国内外均对这项技术展开了研究，并且积极推进相关国际标准的制定，应对这一变化，我国也应该积极进取，根据相关技术发展趋势，提出应对策略。