天地一体化信息网络频谱共享技术的综述与展望（上）

孙永林

（海装重大专项装备项目管理中心，北京 100000）

0 引言

地面通信网与卫星通信网分别在各自擅长的服务范围内发挥着巨大的作用。尽管地面移动通信技术已经发展到5G，但覆盖范围受限的短板仍不能解决，而另一面具有广覆盖特性的卫星通信却因成本过高等因素无法普及。随着人们对通信需求向多空间、多方位的不断扩展，融合天、地通信技术优势，构建覆盖全球的天地一体化信息网络是未来通信发展的重要趋势，通过融合设计而构建的多维立体、全方位和全天候的信息网络，可为空、天、地、海等不同应用场景的用户提供全球泛在的通信服务[1]。

在天地一体化信息网络中，大部分通信节点依赖于有限的无线电频谱资源进行传输，信道开放、频率需求大、涉及无线电业务多是其主要特点。以往，地基网络或天基网络对于无线电频谱资源的使用，均采用独占授权的静态规划方式，对于所授权频谱的使用，存在着部分时间过度浪费或过度拥挤的情况。此外，对于那些尤为适用于天地一体化卫星宽带接入要求的Ka 和Q/V 等频段，天基网络或地基网络都出现了避无可避的状态[2]。因此，设计天地一体化信息网络无线频谱动态共享方案，提高频谱资源利用效率，是网络建设中需要重点关注的问题之一[3]。

20年来，人们对于地基网络频谱共享的研究较为广泛，提出了大量的动态频谱共享技术。但天地一体化信息网络与地基网络的存在诸多差异，不能直接使用地基网络的频谱共享技术，需根据其特点重新设计或适当改进。但地基网络中的用于干扰规避的功率控制、波束赋形、跳波束及频谱数据库等技术，为天地一体化信息网络频谱共享提供重要的研究思路。因此，近来学者从不同角度、针对多种场景提出了一些天地一体化信息网频谱共享的算法和方案。

从是否需要空口技术及核心网统一设计的角度可将现有研究分成两大类：一是基于干扰规避的星地频谱共存，研究对象是分立的天基和地基通信系统，通过设计行之有效的干扰规避方案来实现二者的频谱共存；二是基于一体化设计的星地频谱协同，将天地一体化信息网络作为一个整体，通过设计统一的空口协议及核心网无线资源调度措施等方案，完成天基和地基无线设备对于频谱资源的一体化协同使用。

1 天地一体化频谱共享场景

天地一体化信息网络为网内户用提供立体式全球泛在的多样化信息应用服务，从陆、海、空、天各个地理位置到应急保障通信、车联网、地面移动蜂窝、工业互联网等多种行业[4]。图1给出了网络的整体融合架构及其可能覆盖的应用场景。

图1 天地一体化应用场景

随着5G 技术的发展和商用，移动通信正在由仅满足人的通信需求向可为车联网、物联网、工业互联网中的传感器、操作手、智能体等机器设备无线连接扩展。新的服务对象常常超出人的常规活动范围，而当前的网络仍以城区和部分郊区等区域覆盖为主，偏远地区和近海区域仍然缺乏宽带、高质量的通信服务。这将牵引未来6G 的发展方向，天地一体化网络是未来6G 的可能形态，其可综合运用天基及地基等不同子系统的优势，适应未来通信网络的泛在需求。但将原有不同空间的通信网络进行整合，必然存在子系统间如何调度和使用频谱资源的问题。基于天地一体化的6G 使得接入网和核心网统一设计成为可能。对于6G 网络的频谱使用规划，可以在空口传输协议及核心网设计之初便将频谱规划和调度方案考虑进来，以提高频谱利用率。

而上述方案只能用于类似于6G 这种变革更新的通信网络实施中，而其研发到商用还要经历漫长的过程，且不利于兼容现有的通信网络。而对于目前的商用移动通信系统与天基通信网络，已存在频谱共存的问题，比如备受5G 青睐的毫米波通信与卫星Ka 频段的重合[5]。

近年来，无人机辅助通信和高空通信平台成为弥补地面网络覆盖不足而卫星网络通信时延过高的重要途径。无人机辅助通信可快速部署作为空中基站，为野外勘察数据收集、灾后应急通信、近海通信辅助等方面提供数据服务，具有巨大的应用前景[6]。但其续航能力有限、使用期限短暂，不适合为其分配较为固定的频谱。高空平台由于具有更长的使用周期、更广的覆盖范围和更稳定的通信效果，被广泛用于偏远的农村、海岸线、山脉、沙漠等地区，成为地面网络的有效延伸。作为临时辅助通信网络，其面临空域管理和使用期限有限等问题，也不适合分配固定授权频谱。因此，让无人机网络、高空平台网络与现存通信系统共享频谱，进行无干扰通信，尤其是与卫星通信的频谱共存成为了重要的研究场景，也是空天地一体化信息网络频谱共享的重要研究场景[7]。

此外，车联网对通信数据量大幅增加和通信时延要求日渐苛刻，主要依靠短距离专用无线通信IEEE 802.11p 和公共移动平台的LTE-V 网络传输方式，因可用频谱资源严重受限，难以满足大量车联网节点的同时接入请求、低时延、大容量、高可靠的通信需求。近来业界提出了面向沉浸式体验的空天地一体化车联网[8]，包含了卫星、高空平台、无人机、地面车辆、地面通信基础设施等多种通信手段，但各种通信形式间独立运行、架构分散、服务任务各异，导致每个子系统对频谱资源的使用需求不断变化，如何建立一套合理的协调机制，使各子系统间能够协调使用受限的频谱资源，实现频谱资源在融合的网络中高效利用。

2 主要研究问题

基于将现有空天地一体化频谱共享技术分为基于干扰规避的星地频谱共存和基于一体化设计的星地频谱协同的思路，本文将综述两类研究中需重点解决的问题和面临的挑战，并对所需的关键技术进行梳理。

2.1 同频共存的主要研究问题

天地一体化信息网络中各子系统的同频共存必然导致互相的通信干扰，可以基于认知无线电概念和技术进行各子系统间的动态频谱共享方案设计，以实现融合网络对于频谱资源的高效利用。认知无线电根据频谱授权用户和非授权用户是否同时占用频谱，可以分成Overlay方式、Underlay 方式和两者融合的频谱共享方式。对于不同的认知无线电形式，所要解决的研究问题及关键技术所有不同。

Overlay 方式是认知无线电频谱共享最初提出的模式。该模式包含频谱感知过程和频谱决策过程。授权用户通过频谱空洞探测结果来决策是否接入未被授权用户占用的信道，以避免对授权用户产生干扰。在Overlay方式中，非授权用户虽然不与授权用户同时存在于一个无线频带上，但非授权用户是否接入，以及接入后是否对授权用户造成干扰，高度依赖于频谱感知的精确性。因此，如何提高频谱感知精度是该模式下需要重点研究的问题。以往研究的中已提出大量的频谱感知算法，但其对天地一体化网络适用性仍需进一步探究。频谱决策是Overlay 方下另一个需要研究的内容，一般包含初始频谱空洞的接入以及后续的频谱切换操作。对于频谱空洞接入，决策算法需要综合考虑频谱感知的误差容忍和自身通信需求的折中，而对于后续的频谱切换，则需要考虑切换代价与短时传输性能的折中。

Underlay 方式允许非授权用户与授权用户同时同频，但要求非授权用户对授权用户的干扰处于一个可接受的范围。该方式不需要非授权用户实时进行频谱感知和频繁的频谱切换，大大简化了其设备的研发，也能够降低设备的能耗。为保证授权用户所受干扰小于一个阈值，该模式常采用空域隔离或功率控制的方法。

空域隔离是无线通信中消除同频干扰的常用方式，如移动蜂窝通信中的小区设计、卫星波束的七色复用以及近年来备受关注的波束赋形。在认知无线电技术中，上述方式也被进一步采用，但在设计空域隔离时需以授权用户干扰门限为约束，以确保授权用户的正常通信[9]。

功率控制是underlay 频谱共享下另一重要的技术，即通过控制非授权用户发射功率，使其对授权用户处受到的干扰处于既定的干扰门限以下，该门限也被称为干扰温度阈值[10]。

（未完待续）