【摘 要】5G网络高速率、大容量的特点带来对带宽需求的增加，使得频谱资源紧缺的问题更加突出。频谱共享技术是解决频谱资源受限的有效手段之一，同时提升了频谱资源利用效率。通过对频谱共享技术的研究和介绍，提出频谱共享使用的思路和建议，作为未来5G及B5G无线组网中频谱策略的借鉴。
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概述
5G在增强移动宽带（eMMB）模式下的峰值速率为数十Gbps，根据《国家无线电管理规划（2016-2020年）》，为IMT储备不低于500MHz的频谱资源。面对如此大的带宽要求，一方面，3GHz以下频谱已经分配殆尽，从WRC-15对IMT频段的协调结果来看[2]，6GHz以下可能实现全球统一频谱的只有3.5GHz频段100MHz左右的频段，远不能满足5G三大应用场景下对频谱的需求；另一方面，因为现行频谱管理机制的原因，存在利用效率低下的情况[6]。下面通过对频谱共享技术的研究，分析共享频谱技术解决频谱资源受限和提升频谱利用效率提供的可能性，从而为5G时代频谱共享提供借鉴。频谱共享技术也是近年来业界研究的热点之一。
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频谱共享技术
频谱共享技术研究的对象主要分为2类，一类是授权频段，现有IMT频段都是授权频段，运营商通过分配和拍卖的方式获得，又分为独占和共用2种情况。独占技术有授权共享接入（LSA），跨频谱共享主要包括非授权频谱LTE辅助接入（LAA）、非授权频谱LTE接入（LTE-U）、LTE与WiFi链路聚合（LWA）等技术。另一类是非授权频段，如MulteFire技术。对授权频谱的共享使用主要包括认知无线电技术[1]、动态频谱共享技术。
2.1 电视白频谱及认知无线电
电视白空间/白频谱（TVWS），美国FCC将其命名为“超级WiFi”，是指广播电视的空闲频谱，包括已分配未使用或未充分使用（如发射台停播时段）、相邻频道间的保护频段以及“模数转换”腾退出来的“数字红利”频段。广播电视频谱属于低频段范畴，具有损耗低、绕射能力强的优点，是部署广域覆盖网络的优选频段。除了APT700频段已经被广泛应用于LTE组网建设之外（独占使用为主），白频谱的应用主要是采用认知无线电技术，通过频谱感知、地理位置信息库及信标接收3种方法实现对白频谱的共享使用[5]，白频谱的应用场景主要是在农村等偏远区域的应急广播及宽带通信，国外已有应用[9]。认知无线电的应用欧美国家起步较早，发布了很多具有指导意义的规范和标准，我国目前虽然尚未出台相关政策，但相关研究已取得实质进展。
2.2 动态频谱共享技术
动态频谱共享技术采用资源池的方式，通过动态地监听信道、感知无线环境、确定参数、信道分配和管理实现对频谱的共享[3-4]。主要有机会频谱接入（此用户在主用户不用的情况下使用频谱）、频段重叠共享（控制此用户对主用户的干扰水平情况下实现对频谱的共享使用）、动态频谱分配（根据频谱的使用情况统计，统一对不同系统进行频谱的动态分配）和公共频谱共享（非授权频谱供不同的系统使用）等技术[6]。
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LTE频谱共享技术分类
LTE引入了多项频谱共享技术，包括支持跨频谱类型聚合的授权接入（LAA/LTE-U）、支持跨技术聚合的LTE和WiFi链路聚合（LWA）、与现有运营商和其他部署模式共享频谱的共享授权接入（LSA），以及支持在非授权频谱独立部署运行的MulteFire技术。如表1所示，不同的需求可采用不同的频谱共享接入方式。
表1 LTE不同频谱共享技术
下面对这几种频谱共享技术逐一进行介绍。
3.1 授权共享接入（LSA）
授权共享接入（LSA）采用频谱管理授权机制，使授权用户使用特定未使用频段提供服务，不对原有系统用户产生干扰，是3GPP R14标准方案。主要是运营商使用原先用于卫星通信、政府、军队使用的频段为用户提供LTE服务。LSA技术实现简单，使用前和使用过程中对拟用频段进行识别和监测，能够较为简单地实现授权用户和主用户双赢等优势。目前，法国、意大利与爱立信、诺基亚、红色科技在2.3~2.4GHz频段试点进行了广泛的技术试验；美国谷歌公司进行了平台开发与应用试验，推动美国在3.5GHz上的LSA发展公民宽带无线服务（CBRS）。
3.2 跨频谱类型共享接入
IEEE阵营的WiFi技术和3GPP阵营的LTE技术已经成为了最为成功的两大无线技术，前者以短距、室内覆盖为主，后者以广域覆盖为主，各有优缺点。一直以来，两大阵营在不断的博弈过程中也相互借鉴，业界也一直尝试将两大技术进行融合。
3.2.1 授权LTE辅助接入（LAA）
授权辅助接入（LAA）是将LTE网络中部分业务卸载到未授权频段，即由包含着大量WiFi业务的未授权频段承载部分LTE业务。LAA支持先监听再通话（LBT——Listen Before Talk），从而能够有效规避与频段内现有系统的干扰问题，是3GPP R13标准方案。LAA是一个非独立（NSA——Non-Stand Alone，即License Anchored，授权锚定）的方案，即授权频谱与非授权频谱通过载波聚合（CA）的方式捆绑使用，而不能单独使用。LAA是LTE-U的演进升级，LAA的演进方向为eLAA。2017年初，沃达丰在土耳其开通首个LAA商用网络，利用5GHz的40MHz非授权频谱和2.6GHz的15MHz授权频谱进行三载波聚合。
3.2.2 非授权LTE接入（LTE-U）
非授权频谱LTE接入（LTE-U），将未授权频谱作为次选频谱，通过载波聚合技术将未授权频谱与授权频谱整合到一起，从而可以实现频谱的高效利用。与LAA方式类似，是授权频谱与非授权频谱通过CA方式捆绑使用，不可单独使用。两者的主要区别在于，LTE-U是由LTE-U Forum提出的方案在3GPP R12版本中体现，并且不支持LBT技术。LTE-U原理如图1所示。
图1 LTE-U原理示意图
3.2.3 LTE 与 Wi-Fi链路聚合（LWA）
LWA技术可分离LTE数据有效载荷，部分业务流量通过WiFi网络传输（WiFi接入网，如图2所示），剩余的流量通过LTE网络传送，从而有效提升LTE服务的性能。与LAA/LTE-U的区别是借助WiFi网络而不仅仅是WiFi频段将部分LTE流量通过WiFi进行隧道传输（即流量经过LTE网络而不是经过WiFi回到互联网），剩余流量通过LTE自身运行。因此LWA是聚合授权和非授权频谱的结合。
图2 LWA架构原理图
3.3 非授权频谱共享接入（MulteFire技术）
MulteFire技术通过在非授权频谱（如全球5GHz非授权频谱）上独立运行LTE技术来部署无线网络。一方面，由于使用了多种LTE设计中的复杂特征，MulteFire网络能够为用户提供与LTE类似的高品质服务；另一方面，MulteFire技术具备与WiFi网络一样易于部署的特性。MulteFire支持LBT技术，技术设计符合全球非授权频谱的监管法规，包括欧洲和日本等地区所要求的“载波侦听”特性，使其能够在全球范围内部署。MulteFire技术架构如图3所示[10]。
图3 MulteFire技术架构原理图
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未来5G网络频谱共享
以上介绍的LTE频谱共享技术在4G时代并没有大规模的使用，但是随着频谱共享标准制定、技术研发等工作的不断推进，将在5G网络以及B5G网络中实现其价值。
未来5G网络建设需要采用高频、中频和低频进行网络建设，以适应5G三大应用场景的频谱需求。未来5G新空口（NR）频谱共享将在LTE频谱共享方案的基础上进行演进，如表2所示。
表2 未来5G网络频谱共享技术
4.1 运营商与其他运营主体的频谱共享建议
4.1.1 电视白频谱再利用
目前1GHz以下的频谱资源已经基本分配完毕，无空闲频谱资源可供分配。因为对700MHz频段（698~806MHz）的重新利用受到行业限制[15]，所以还有很大变数。WRC将在2020年之后，考虑470~698MHz频段，即数字电视微波接力频段的分配工作。因此，对此300多MHz的频段建议采用频谱共享方式，满足广电部门与运营商的频谱需求，具体方案可参考CBRS的推进方案，提升频谱利用效率的同时，解决运营商低频段的频谱资源需求。
共享建议：中国对电视白频谱的再利用，以政府分配/拍卖、独立占用为主，广电总局拥有电视白频谱的规划和使用权，因此我国的白频谱还没有得到开发和利用。随着国家三网融合的发展，广电行业也涌现大量的新颖应用，对频谱的需求也随着增加。国家监管部门应该尽快做好电视白频谱的规划和使用，摆脱目前广电无牌照却占用电视白频谱，通信运营商有牌照却没有电视白频谱的局面，可以通过基于NR的分层共享等频谱共享技术，让“数字红利”频段发挥其真正的效益。
4.1.2毫米波频谱共享
5G网络对高频段频谱的需求是低频段的数倍甚至几十倍，只能通过毫米波的大带宽来满足要求。根据2016年12月1日开始实施的《中华人民共和国无线电管理条例》对无线电频谱的划分，高频段特别是毫米波频段[11]，很多为政府和军队在使用。从全球范围来看，也是如此。
共享建议：对毫米波的频谱共享，需要国家层面的推进和管控。一方面要做好政府及军队部门对频谱使用情况梳理和安全影响评估，另一方面在保证安全的前提下，政府做好该段频谱的共享监管。政府监管机构的主要任务是频谱发现方式、门限值设定、协同合作及地理位置信息系统的规定，以实现在不影响现有用户使用的前提下的频谱共享，政府应该出台相关鼓励政策，支持运营商、设备制造商投入资源对频谱共享相关的技术进行研究。
4.2 运营商已授权频谱共享建议
运营商已授权频谱共享分为2个方面。
a) 运营商之间频谱共享，即运营商之间将各自分配到的5G频谱进行共享。该频谱共享可以借鉴印度政府的做法，允许2家运营商共享服务区域内特定频段的频谱，以提高频谱利用率。5G时代，中国不排除采用类似的做法，除了使频谱得到高效率使用，还降低了运营商网络建设投入。
b) 运营商内部的频谱共享，即5G频段与4G频段的频谱共享。注意这里的频谱共享和4G时代的频率重耕（Refarming）是有区别的，前者是频谱共享使用，有分时独占共享和分频段共享2种情况，而后者是频谱的独占使用。5G与4G频谱共享，可以采用文献[7]和 [8]提到的LTE与GSM频谱共享方案，可选择上行共享或者下行共享。在运营商内部进行频谱共享，目前已有成功商用案例[13]。
4.3 频谱共享面临的挑战
因为可用频谱资源的缺乏、对现有频谱资源的高效率利用的需求推进频谱共享，通信行业管理部门及运营商有支持频谱共享的意愿。另一方面，频谱资源共享技术经过多年研究，已经有商用案例，技术已经不是主要问题，但是频谱共享面临的挑战也是显而易见的，主要是在安全和监管方面。
a) 国家无线电行政管理部门对相关频谱资源的协调、授权，以及频谱资源使用情况数据库的建立与维护。
b) 军队使用的频谱的使用涉及国家机密，需要做好评估及防护措施。
c) 对非法使用频谱资源问题的解决。
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总结与展望
采用频谱共享技术可以获得更多的频率汇聚、增强的本地宽带以及实现构建专有的物联网。随着包括人工智能机器学习算法在内的技术的不断进步，也将大大提升网络的共享能力和效率。频谱共享对运营商、制造商以及用户都是有利的，但是因各方存在利益冲突，需要政府监管机构和频率使用方以及各相关组织的通力协作，政府主导、产业界支持，从而推进频谱共享的早日实现。
▍参考文献
[1] F Wang, M Krunz, S Cui. Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks. Infocom the Conference on Computer Communications IEEE. 2007, 4 (4) : 1885-1893.
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[5] 王兴军，程云笛，黄星煜．聚焦“白频谱”：国外的管理法案与标准概览[J]．电视技术, 2014, 38(17): 47-53, 71.
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[7] 董帝烺. LTE和GSM网络动态频谱的研究和应用[J]. 移动通信. 2017, 41(21): 70-75.
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[9] Abusayeed Saifullah, Mahbubur Rahman, Dali Ismail, etc. SNOW: Sensor Network over White Spaces. SenSys’16, November 14-16.
[10] MulteFire Release 1.0 technical whitepaper, A New Way to Wireless. The MulteFire Alliance. Jan. 2017.
[11] 5G Spectrum Recommendations [Z]. 4G Americas. Aug. 2015.
[12] 基于无线电环境地图的频谱共享网络研究[EB/OL]. (2017-10-09). http://www.srrc.org.cn/article19216.aspx
[13] GSM和LTE频谱共享解决方案全球首次商用验证[EB/OL]. (2017-04-20). http://www.sohu.com/a/135309320_223768
[14] 陈沛吉, 马伟, 张琳. LTE-V和DSRC共享频谱资源的研究[J]. 中兴通信技术, 2018, 24(3):54-60
[15] 广东等四省市广电系启动LTE设备招标[EB/OL]. (2016-01-05). http://news.cnstock.com/industry,cyqb-201601-3673117.htm
▍作者简介
王学灵，高级工程师，硕士研究生，主要从事无线网络规划、咨询与设计工作。
