未来移动通信频谱兼容共存研究方法浅析

王坦　丁家昕　许颖

【摘  要】首先，基于未来移动通信发展愿景，对相关领域频谱动态进行了概述。其次，阐述了频谱兼容共存研究的基本含义和分析方法，包括确定性计算、仿真分析和测试等环节。最后，选取了部分典型案例对寻找频谱兼容共存的边界和技术手段进行了分析，还对频谱动态共享进行了探讨。

【关键词】移动通信;频谱;兼容共存研究

0   引言

移动通信赖以生存与发展的根本——无线电频谱资源是有限、宝贵的国家资源。面对未来移动通信网络承载能力要求不断提高的趋势，寻找可用、好用的频谱资源愈加困难。“兵马未动，粮草先行”，频谱研究是移动通信可持续发展需开展的首要工作之一。其中，开展频谱兼容共存研究，寻找业务间共用的技术边界，是非常关键的环节。

1   移动通信相关领域频谱动态背景概述

当前，在传统4G移动宽带业务增强的基础上，物联网等垂直行业是5G重点拓展的领域[1]。不难想象，在真正实现万物互联的更远未来，人与人、人与物、物与物的连接将打破行业、空间等单一领域的界限，无线通信对各个领域的渗透力度将更加空前。本节结合未来移动通信发展愿景[2-3]，对相关领域的频谱动态进行简要梳理。

在公众通信方面，4G（IMT-Advanced）、5G（IMT-2020）等技术是全球应用最为普及的移动通信技术。国际电信联盟（ITU）为国际移动通信系统（IMT）的频谱研究做出了不懈努力。自1992年至今，ITU为IMT研究过十余个频段，其中有的在全球范围内达成了一致，如普遍使用的800 MHz/900 MHz、1.8 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz等频段[4]。

专网通信也是未来移动网络的重要内容[3]。在公共服务方面，有800 MHz数字集群、1.4 GHz/1.8 GHz专网等提供指挥调度、工作和应急通信[5]。在智能交通方面，2019年ITU首次为智能交通系统建议了5 850 MHz—5 925 MHz频段，对发展车联网技术、设备和服务发挥了重要的推动作用。近年来，ITU还为列车与轨旁间铁路无线电通信系统持续开展着频率研究[6]，以满足未来铁路车地通信各类应用的发展需求。作为专用通信的重要领域，工业互联网是互联网在工业全领域、全产业链、全价值链中的融合集成应用，是支撑智能制造的综合信息基础设施。例如以NB-IoT、eMTC为代表的蜂窝物联网技术，具有低功耗、广覆盖、大连接等特点，以满足工厂间的无线通信等[7]。此外，基于5G网络的工业互联网也已逐渐部署[8]，用于工厂内的设备数据采集、AGV通信和控制、机器视觉质检和工厂外的设备远程遥控、远程巡检、数据采集分析等。

空天地海一体化是未来移动通信网络愿景的重要目标[3]，其中卫星通信是实现全球无缝覆盖最重要的手段之一。在ITU框架下，卫星通信业务大体分为卫星固定和卫星移动两类。卫星固定主要使用C、Ku、Ka等频段，传输带宽大、速率高，可固定传输视频等宽带信息;卫星移动主要使用L、S等频段，传输带宽小、速率低、可移动传输语音数据等窄带信息。近年来，卫星动中通（ESIM）和非静止轨道卫星（NGSO）星座（或卫星互联网）为代表的卫星通信技术发展十分迅速，是空地移动通信网络未来融合发展的重要途径[9]。此外，高空平台（HAPS）作为偏远、恶劣地形条件或应急地区开展大容量通信服务的手段之一，兼具通信范围大、时延低的特点，也受到了广泛关注。ITU近年来为HAPS在全球或部分地区开展了多个频段的研究，如39 GHz/47 GHz等[10]。

短距离通信技术重在解决通信最后的十几米到几厘米的问题，也是未来移动通信网络的组成部分，如使用2.4 GHz、5.8 GHz、60 GHz的无线局域网以及蓝牙、ZigBee、RFID、NFC等。此外，太赫兹的引入也将为短距离极高容量的通信开辟新的频谱领域[11]。

2   频谱兼容共存研究的基本含义

随着万物互联的加速到来，频谱供需矛盾不断加剧，各种电子信息系统释放的高密度、高強度、多频段的电磁波使得我们身边的电磁环境日趋复杂。为确保各种无线电系统兼容共存，关键手段是通过开展相应的技术分析，寻找系统间频谱使用的“边界条件”。

2.1  “频谱空间”的概念

在ITU框架下，任何一个无线电设备，不论发射还是接收，其正常工作都会占据一定的时域、频域、空域等“频谱空间”（在通信体制上还可进一步包括码域等），进而对其它无线电设备的使用进行限制[12]。例如一个发射机的正常发射，将可能导致在同一时间、频点、地点的其它不相关的接收机无法正常接收;反之，一个接收机的正常接收，将要求其它不相关的发射机不能在同一时间、频点、地点正常发射。频谱工程等频谱技术工作的本质目标就是寻找无线电设备、系统、网络之间使用频率的“边界条件”，使各类用户合理、公平、高效地利用频谱资源。否则，由于各类用户间没有信息的实时交互，未经协商的使用可能导致有害干扰的产生。

2.2  干扰的定义和分类

根据我国相关文件定义[13]：干扰是指由于一种或多种发射、辐射、感应或其组合所产生的无用能量对无线电通信系统的接收产生的影响，其表现为性能下降、误解或信息丢失。当观测到或预测的干扰符合国家或国际上规定的干扰允许值和共用标准，称之为允许干扰;当干扰电平虽高于规定的允许干扰标准，但经两个或两个以上主管部门协商同意，且不损害其他主管部门利益时，称之为可接受干扰;而当干扰危害无线电导航或其他安全业务的正常运行，或严重地损害、阻碍、或一再阻断按规定正常开展的无线电通信业务，则称之为有害干扰。

（1）无用发射

无用发射又分为带外发射和杂散发射。

带外发射是由调制过程产生，刚超出必要带宽的一个或多个频率上的发射（除去杂散发射）。带外发射会造成邻频干扰，即干扰系统邻频泄露功率落入到受扰系统接收机接收范围之内，引起接收机性能下降。

杂散发射是在必要带宽之外的一个或多个频率上的发射，包括谐波发射、寄生发射、互调产物及变频产物（除去带外发射）。杂散干扰是由发射机的杂散辐射特性所引起的，在远离工作频段的很宽的一个频率范围之内都存在这种辐射功率并会落入到受扰系统接收机的接收频段内。

（2）阻塞干扰

在接收功率超过接收机动态允许的最大功率范围的时候，会导致接收机饱和阻塞。阻塞会导致接收机无法正常工作，长时间的阻塞还可能造成接收机的永久性能下降。

当一个强干扰信号进入接收机前端的低噪放时，可能会将放大器推入到非线性区，导致放大器对有用的微弱信号的放大倍数降低，甚至完全抑制，从而严重影响接收机对弱信号的放大能力，影响系统的正常工作。

（3）互调干扰

当两个或两个以上频率的射频信号功率同时出现在无源射频器件中，就会产生无源互调产物，通常由两个射频信号的三阶和更高阶的信号经过混频所产生。互调产物可能恰好落在受扰系统接收机的接收频段范围，进而产生干扰，严重时可能使接收机无法正常工作。

2.3  兼容共存研究的一般流程

开展兼容共存研究大体分为三个步骤：一是获取系统用频参数和干扰保护准则;二是结合系统部署场景，构建干扰分析场景、机理和模型;三是按照兼容共存分析方法开展分析。其中，分析方法将在下一节重点介绍。

在ITU框架下，各类无线电业务典型系统的技术和操作特性通常均有相应的建议书（国际标准），可在此基础上结合待分析系统的实际参数进行调整。同时，ITU各研究组根据分工开展系统间兼容共存研究，有很多历史研究案例均以建议书或报告书的方式留存。表1给出了ITU现有研究组的主要分工以及对应的建议书。

因此，在ITU框架下开展兼容共存研究，一般可参照图1所示的流程。

3    频谱兼容共存分析方法

3.1  确定性计算

确定性计算通常是通过分析单条干扰链路上的干扰情况来评估外来干扰对本系统的影响。在计算中一般选取干扰最为严重的场景来进行评估，给出共存所需的隔离度，进而得出共存结论。基本思路可通过如下公式表示：

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

其中：PTdB代表发射机功率，单位为dBm;

GTdB/GRdB代表发射机/接收机天线增益，单位为dBi;

LTdB/LRdB代表发射机/接收机其他损耗，如基站侧的馈线损耗，终端侧的身体损耗等，单位为dB;

Imax代表接收机所允许的最大外来干扰功率，单位为dBm。

ISOLATIONdB代表系统间隔离度，可以通过如下公式表示：

ISOLATIONdB=PLdB（d）+ACIRdB （2）

上式中的PLdB（d）代表传播路径损耗，与收发信机间的隔离距离d相关;ACIRdB代表邻道泄露比，与两系统间的频率间隔和收发信机的射频特性相关。由该公式可以看出隔离度主要由空间隔离（传播损耗）和频率隔离（ACIR）共同决定。既可以单独通过空间隔离或频率隔离来实现，也可以由二者组合来实现。此外，还可通过添加额外滤波器等射频器件，在收发信机端设置屏蔽罩等方式增加额外的隔离度。

3.2  仿真分析

仿真分析通常分为链路级仿真和系统级仿真。其中链路级仿真以获得受扰系统的抗干扰特性和干扰保护准则（如射频保护比曲线、信干比等）为目标。系统级仿真则是仿真系统整体运行情况下可能受到干扰的情况。通常，两者的基本流程如图2所示。

系统级仿真又可分为静态、动态和半动态方法。其中，静态方法是基于蒙特卡罗（Monte Carlo）原理，将整个系统的运转区间划分成若干个间隔，每两个间隔之间为一个抓拍取样时刻，将所有抓拍时刻的取样结果进行记录，用统计方法加以分析产生所需要的结果。动态方法是以极小的时间间隔进行连续时间仿真，并考虑网络的拓扑结构、功率控制、调制编码方式、移动性等因素，使得相关参数的设定尽量与真实系统一致，更接近未来网络的实际情况。

静态方法的优点是具有较高的仿真效率，但可能忽略了事件和信道的时变特性。而动态方法的优点是精细地反映系统性能，但复杂度较高。半动态方法是在静态方法的基础上增加用户移动等条件，在仿真流程上兼顾动态方法的准确以及静态仿真的效率。为此，需要对部分动态输出指标进行预仿真，输出相关的仿真统计量，通过接口查询等方式提高效率。

3.3  半实物仿真测试（或内场测试）

考虑到实际网络环境及设备的某些技术特性很难进行精确建模，因此在实际测试之前或不具备实际测试条件时，可开展半实物仿真测试（或内场测试）。半实物仿真又称为硬件在回路中的仿真（Hardware in the Loop Simulation），是指在仿真实验系统的回路中接入部分实物的实时仿真，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验。例如，LTE和雷达系统进行兼容共存半实物仿真的分析示例如圖3所示：

3.4  外场测试

外场测试是兼容共存技术分析最终的测试验证环节，具有重要意义。外场测试通常在真实环境下选取典型区域，通过架设真实设备或直接采用在用设备，分析系统间干扰情况。图4给出了IMT系统干扰卫星地球站的外场测试场景。

4   典型案例介绍

根据系统在空间所处位置和干扰发生的方向，大致可将频谱兼容共存研究分为以下四类：

（1）地对地：如IMT基站、卫星地球站、固定微波、广播电台等地面电台间的干扰。

（2）空对空：如飞机、低轨卫星、静止轨道卫星、HAPS等空中电台间的干扰。

（3）地对空：地面电台对空中电台的干扰。

（4）空对地：空中电台对地面电台的干扰。

本节选取两项具体案例，对兼容共存研究进行进一步阐述。考虑到未来移动通信空天地一体化发展的趋势，本节重点选取地面移动通信与卫星通信系统之间的干扰分析案例。其中前者是IMT基站邻频集总干扰卫星地球站的典型场景，后者选取地面LTE-V2X车载单元集总干扰同频、邻频卫星空间站接收的典型场景。

4.1  IMT基站邻频集总干扰卫星地球站

第一步：确定系统参数与保护要求。其中，IMT参数来自ITU-R报告M.2292（部署参数）、建议书M.2101（天线模型）等（如无特殊指出，下文文献均出自ITU-R）;卫星参数来自建议书S.465/S.580（天线）、S.1432（保护要求）等，传播模型为建议书P.452（地-地模型）和P.2108（地物损耗）。

第二步：构建干扰分析场景、机理和模型。干扰场景如图5所示。近邻频工作，可能产生无用发射干扰或阻塞干扰。

第三步：开展兼容共存分析。在确定性计算中，使5G基站主瓣水平朝向卫星地球站接收天线主瓣，分析最恶劣情况。在仿真分析中，参照上述干扰场景，仿真得到隔离度要求。在测试分析中，参照图4方式开展实际测试工作，验证仿真工作结论。

最終，根据兼容共存研究结论提出技术建议。如需一定隔离度，可据此提出保护距离、频率保护带、IMT系统带外泄露抑制或卫星地球站接收机邻道选择性优化、两系统天线朝向规避等建议，或者其它工程手段建议（如为地球站加装屏蔽网等）。

4.2 地面LTE-V2X车载单元集总干扰卫星空间站接收

第一步：确定系统参数与保护要求。其中，V2X参数来自3GPP TR 38.901 LTE-V2X，卫星参数来自建议书S.465/S.580（天线）、S.1432（保护要求），传播模型来自建议书P.619（地-空模型）和P.452（地物损耗）。

第二步：构建干扰分析场景、机理和模型（干扰场景如图6所示），考虑同频和邻频干扰。

第三步：开展兼容共存分析。在确定性计算中，考虑不同地理位置单个LTE-V2X发射机干扰不同轨位的卫星空间电台，分析最恶劣情况（通常难以干扰）。在仿真分析中，评估在车联网不同发展阶段（对应不同的LTE-V2X设备装车率）产生的集总干扰对不同轨位的卫星空间电台的影响，得到隔离度要求。该类集总干扰场景通常难以开展实测。

最终，综合考虑同频、邻频隔离度要求，提出LTE-V2X设备射频技术要求，如仍无法满足同频隔离度要求，再考虑其他非技术手段。

5   频谱动态共享技术

上文提到兼容共存研究与实践侧重寻找系统间共用的静态条件，此外，未来网络还可能需要利用频谱动态共享技术，以更好地发挥现有频谱的使用效率。

上世纪末的认知无线电（CR）思想提出了认知通信设备具有学习能力，感知和利用在该空间的可用频谱。CR的提出为频谱共享奠定了理论与技术基础，然而受限于认知用户与现有用户间难以建立实时的信息交互机制和信任机制，CR至今仍未真正意义上实现规模应用。一些国家在2010年前后针对广播电视频段“白频谱”开展了研究与实践，最终采用了基于数据库（上报、查库、计算、授权）而非认知的技术，在700 MHz实现其它通信设备与广播电视业务的共享接入。美国2015年在3.5 GHz频段提出了公众无线宽带服务（CBRS），拟通过集中的频谱接入技术以提高频谱使用效率[14]。

当前，以区块链技术提高频谱资源配置和使用实效，逐渐引起了全球关注。法国于2018年开始试验使用区块链技术进行频谱接入。同年，美国也提出未来利用区块链进行动态频谱分配的构想，并指出CBRS结合区块链可实现更智能、更加分布式的动态频谱共享接入[15]。区块链采用分布式数据库可无需通过集中式的数据库来支持频谱共享接入，可提升频谱效率，还可以进一步增加接入等级和接入用户。

除了上述提到的频谱动态共享研究之外，还有以3GPP非授权频谱新空口技术（NR-Unlicensed，NR-U）为代表的非授权频谱共享，以及基于环境反向散射的频谱共享[16]等。但不论哪一类频谱共享，在寻求系统间频率兼容共用的“边界条件”上，与前文提到的分析方法并无本质区别，因篇幅所限，本文不再赘述。

6   结束语

频谱研究是未来移动通信发展的首要问题之一。随着万物互联的加速到来，频谱供需矛盾不断加剧，电磁环境日趋复杂。开展频谱兼容共存研究，寻找更加精细化的系统间频谱使用的“边界条件”，是未来移动通信拓展频率使用的关键环节，相关技术分析手段的完善和加强，有待全球业界的共同努力。

参考文献：

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作者简介

王坦：博士毕业于北京邮电大学，现任国家无线电监测中心（国家无线电频谱管理中心）无线电频谱处副处长，主要从事移动通信、物联网有关频率规划、电磁兼容分析的研究与标准化以及国际国内技术协调等工作，曾任国际电信联盟（ITU）5G毫米波焦点频段报告起草组主席。

丁家昕：教授级高级工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任国家无线电监测中心（国家无线电频谱管理中心）无线电频谱处处长，2014年获国务院政府特殊津贴，主要研究方向为频谱工程、频谱管理、无线通信等。

许颖：高级工程师，现任职于国家无线电监测中心，主要从事无线电频谱管理技术研究工作，已发表学术论文10余篇，出版译作1本，参与多项国家科技重大专项、863计划等国家级科技项目，曾多次获得中国通信标准化协会科学技术奖、中国通信学会科学技术奖。