引言

近年來，伴隨著無線技術的快速發展，智能手機、平板電腦等設備使得移動信息接入逐步成為我們生活的中心。未來，無線頻譜接入將成為全球經濟增長和技術引領的重中之重。從2008年到2011年，全球移動數據連續四年實現翻倍增長。到2020年，全世界連接到移動網絡的設備數量預計增長到500億。屆時，無線技術將擴大和催生更多的無線業務，在全球將產生約4.5萬億美元的經濟收益，從而使得無線頻譜的商業接入產生空前的需求[1]。頻譜的短缺會影響美國工業在世界范圍內的競爭力。

為了提升美國經濟競爭力，創造就業機會，激發創新，加強國防，總統奧巴馬于2010年發布了 “釋放無線寬帶革命”計劃[2]。該計劃要在10年內將騰出500MHz頻譜，用于商業的移動和固定無線寬帶業務。但美國國家和電信管理局（NTIA）研究發現，清除現有業務系統，重新分配聯邦頻譜是不可行的，這會帶來高成本開銷、漫長的執行時間，甚至影響現有聯邦業務系統的運行。僅在1755-1850Mhz回收95MHz頻譜就需要耗費10年時間和180億美元。

現今的頻譜短缺，是由于頻譜未被充分管理所造成的。如果美國擴大對聯邦頻譜的管理范疇，使頻譜變得可重復使用或可經常性的重新發放執照，便可以將頻譜資源從稀缺變為富足。另外，現行頻譜細碎的靜態劃分和獨占使用方式也導致了頻譜使用的低效和人為稀缺性。

針對美國頻譜使用現狀，彌補現行政策的不足，有效解決“頻譜短缺”問題，促進美國經濟發展和確保世界領先地位，美國總統科技顧問委員會（PCAST：President’s Council of Advisors on Science and Technology）提出頻譜高速公路計劃，該計劃預計可以使現有頻譜容量擴大1000倍。

頻譜高速公路概念

頻譜高速公路計劃是確定1000MHz的聯邦頻譜，通過改善頻譜管理手段，實施新的頻譜結構和無線電系統架構，使不同無線業務在一段頻譜內形成動態共享，從而極大提高頻譜的使用效率。

將無線通信和公路運輸做類比，寬帶頻譜可看作高速公路，不同無線業務可看作是在高速公路上行駛的車輛（如“聯邦政府車輛”和“商用車輛”），頻譜動態共享可看作機動車可以從一條車道切換到另一條車道。頻譜管理系統可看作交通規則和指揮系統，不同無線業務應遵守一定的管理規則，才能避免碰撞，有效共享。例如可以設置“無線信號燈”管理頻譜接入，另外出于國家和公共安全方面的考慮也可限定政府使用優先于商業使用。

根據美國頻譜現有業務分配情況、頻譜屬性以及傳播特性，PCAST建議選用2700-3700MHz的聯邦頻譜建立第一個頻譜高速公路，并以3550MHz～3650MHz作為驗證頻段[3]。

頻譜高速公路與國家寬帶計劃不同的是盡量保證現有無線業務不發生改變，其他業務通過新的管理機制有秩序的接入使用。其重要特征為頻譜的共享使用而不是獨占，通過大的頻帶劃分，使其可容納各種兼容性應用以及各種適合寬帶的新技術應用。

頻譜高速公路的基本理念

要實現1000MHz聯邦頻譜的共享的頻譜高速公路，首先是將現在聯邦頻譜小而精的劃分方式改為百兆赫茲級以上的大帶寬的劃分。這樣可以更容易使頻譜共享形成規模，但需要各聯邦機構的參與合作；其次需要建立等級接入制度和頻譜接入系統，以保障聯邦業務系統不發生改變，并使不同等級的無線業務形成有效共享，擴展頻譜容量；再次，還需要確立接收機管理框架，逐漸提高用頻標準，提高鄰頻帶的可用性；最后，為支撐頻譜高速公路計劃，現有簡單計算頻譜效率已不再適用，需要一種更全面的評估頻譜使用的方法，注重頻譜使用的實際效益。

（一）頻譜結構轉變

為實施頻譜高速公路計劃，實現寬帶頻譜動態共享，需要新的頻譜結構支撐。

首先，實現頻譜共享要求頻譜結構向大頻譜帶寬的劃分轉變，并將頻譜使用作為系統工程，而不能將頻譜活動進行細致分類。新的頻譜結構的調整將有助于解決由于缺乏寬帶頻譜而無法研制大帶寬、低功耗設備的問題。從而促進相關新技術的實現和應用。反過來，此類新技術的不斷涌現又會進一步促進新的頻譜結構的形成。除此之外，寬帶頻譜還有助于可以減少鄰道干擾，保持鄰道的兼容性。

其次，提高頻譜利用率要求頻譜結構向高頻段、微小區轉變。由于高頻率對空氣和建筑物的穿透性較差，因此適合小范圍的傳輸覆蓋。而微小區的部署使得給定頻譜更加容易實現空間復用，并且微小區也更適合現代的收發一體的通信設備。雖然微小區需要更多的設備，但是隨著無線設備功耗的下降以及數據速率的增長，這將不再是問題。

Wi-Fi的迅速崛起證明了新的頻譜結構的諸多優點。首先是對干擾的容忍度的提高，即在同一區域可以同時存在很多獨立的Wi-Fi網絡。盡管干擾對每個網絡存在一定的影響，但是與整體吞吐量的提升程度相比，這種影響微乎其微。其次是寬的帶寬可以提供更高數據速率。Wi-Fi的帶寬需求從最初的20MHz增長到160MHz，其數據傳輸速率也隨之不斷增長。

圖1 ：未來頻譜覆蓋方式的轉變

如何在新的頻譜結構中實現共存，需要詳細的分析系統，根據業務需求分類，并考慮接收機和發射機特性，為新進業務分配最合適的頻帶。另外從技術角度上，可從地理空間、時間、碼空間、極化和方向性等方面來實現共享。這些參數可以根據不同的行為進行調整，最大化效率或其他優化目標。

（二）等級接入方式

為了使現有業務占用的頻譜不產生變化，就需要通過動態頻譜共享技術來管理頻譜。這里將介紹三層等級頻譜使用模型。

圖2 ：等級接入結構

聯邦主用戶接入（Federal Primary Access）：傳統的聯邦用戶擁有最高的優先級，需要在數據庫登記其部署情況，保障其不受來自其他系統的有害干擾。聯邦主用戶在實際使用時具有獨占權，但不能排除阻止其他聯邦或個人用戶的使用。

次用戶接入（Secondary Access）：次用戶的優先級在聯邦主用戶之后，這類用戶在特定的區域擁有短期的頻譜操作權利，并被保護免受其他次用戶接入的干擾。為了取得授權，次用戶必須在數據庫進行登記。這些次用戶可能需要付費，并且可以使用高功率進行傳輸，保證一定的服務質量。

一般授權接入（General Authorized Access）：一般授權用戶具有最低的優先級，依賴于不同的策略，他們的接入方式可能需要感知開放的頻譜，并在數據庫進行登記。當在一個特定頻段和區域內沒有聯邦主用戶和次用戶接入登記使用時，一般授權用戶才可接入。當與主用戶和次用戶產生突出時，一般授權用戶有義務騰出頻譜使用權。一般授權接入設備應具備多頻段操作能力和動態頻譜選擇功能，當某一頻段不可用時，設備可以在不同的頻帶間切換，以保證其正常的工作。一般授權用戶只允許低功率發射，但是不需要付費。

（三）頻譜接入系統

為實現等級接入模型，需要建立頻譜接入系統（SAS：Spectrum Access System）。聯邦頻譜接入系統，作為信息和控制交換所，記錄各頻段用戶注冊和使用情況，并通過它決定聯邦主用戶、次用戶及一般授權用戶的在共享頻段的接入和使用。

圖3：聯邦頻譜接入系統

當用戶要共享聯邦頻譜時，首先要通過與管理數據庫通信進行注冊，然后統一協調，完成頻譜指配，設備授權和發射允許。其優化原則依據給定區域的整體的頻譜使用效率，但是也要考慮聯邦用頻的優先權。

聯邦主用戶和次用戶通過向SAS注冊來獲得干擾保護。主用和次用戶的列表應該實時更新，并公開透明。各用戶需要周期的與數據庫進行通信，更新注冊信息，并確保SAS不會錯誤判斷設備的接入可能性。

SAS的核心是數據庫，它應該包含的信息有：頻譜占用的時間和位置信息；信號參數，如功率和帶寬；特定地點的約束；接入的價格等。

頻譜高速公路的實現是復雜的，需要盡量確保聯邦用頻不受牽連，這包括研究干擾限制、聯邦優先權、頻譜分配程序、新興的聯邦系統的保護以及執行機制等。總之，要想使聯邦用戶和商業用戶之間的頻譜共享更加有效，SAS必須建立明確的規則來管理頻譜，當設備受到禁止發射的信號時，必須有能力立即關閉其射頻發射。

（四）接收機管理

傳統的頻譜管理主要集中在規范發射機的特性上，但實際上接收機的性能同樣也限制了頻譜的使用。接收機不僅可以接收到目標頻帶內的信號，而且還對鄰頻帶信號做出響應。接收機性能不好可能會引起信號交調，產生帶內假信號，導致接收機失諧，即接收機過載或減敏。因此，接收機的性能在一定程度上會限制鄰頻帶信號的活動。

最近，美國出現了一些由于政策或技術問題導致的信號干擾的案例。美國政府不得不進行頻譜交換，允許了頻譜拍賣之外的頻譜使用權的購買行為。為了減少Nextel蜂窩基站對公共安全頻段的影響，在公共安全方面做出了巨大的投入[4]。由于使用了衛星頻段，GPS系統接收機導致了光立方計劃的停滯。FCC(Federal Communications Commission)相關報告展示了更多復雜的例子，這些都表明了接收機性能是影響新業務頻譜接入的主要問題。

由于過去頻譜使用情況不緊張，不要求各業務系統的頻譜離太近，鄰道信號導致的接收機干擾問題很少。如果現在不正視接收機干擾問題，類似于光立方這樣干擾情況會逐漸增多，解決接收機干擾問題時十分必要的。

為了刺激無線領域的創新和投資，PCAST提出一種接收機管理框架，這種框架不會對接收機造成過多的成本，而是給出有害干擾的定義。對于要接入現有美國聯邦系統相鄰頻段新系統，提供清晰明確的干擾要求。這個框架可以讓設備廠商在滿足干擾要求的條件下，自由選擇適合他們設備的頻段。限制低性能接收機對有害干擾的索賠的這一規劃方式的改變是對現行發射機管理方式的必要補充，這個補充的目標不是避免有害干擾，而是決定誰來承擔干擾的責任。

干擾門限可定義為頻率和空間內的場強，如圖6所示。在給定頻率和空間內，只有當有害干擾超出指定的干擾程度時，被授權者才可以投訴和索賠。在沒有給出干擾門限的頻率和空間中，不提供干擾保護和索賠。

圖4：接收機干擾門限示意圖

設定接收機干擾限制，即描述有害干擾條件，可以使新的無線系統提前預估在給定的頻段上部署發射機的成本。接收機干擾限制也能確保鄰頻帶的未來可用性。在聯邦頻譜內，接收機的干擾限制可被預先設定，這樣現存的聯邦無線系統無需做任何改變，因此對現存系統不會造成任何影響。為了改善頻譜使用效率，隨著新設備的出現，可以不斷的提高接收機干擾的門檻，不符合要求的舊設備也會隨之淘汰。

（五）頻譜使用效率的度量

很多測試表明，即使是在擁擠的城區，絕大部分頻帶（3.7GHz以下）的頻譜占用度也小于20%。頻譜容量應該從時間維度上被充分利用，為了支撐新的頻譜共享計劃，靈活使用回收的頻譜，標記未充分利用的頻譜，需要一種能夠評估頻譜使用效率的度量方法。在新的頻譜結構下，簡單的衡量頻率效率已再適用，新的度量方法要衡量頻譜使用的實際效益。在影響頻譜使用的相關因素中，如傳輸速率、傳輸覆蓋范圍、排他性干擾等，這些參數都只能反應頻譜使用的一個側面，而新方法應綜合考量所有因素。

通過這種度量方法，不僅能知道用戶如何完成通信，而且要知道通信中是否會妨礙到其他用戶。換言之，度量應該平衡考慮頻譜使用的質量和機會成本。這種度量不僅可以定量分析比較同一頻譜中的不同系統的頻譜使用情況，也可以分析給定系統在不同頻段的適用度。對于有益的行為或有效的調制機制，通過技術手段實現的度量方法應給予激勵。

PCAST給出了一種可能的有效性度量的頻譜使用的方法，該方法考慮了通信容量、通信范圍、干擾范圍、時間和頻譜的排他性等方面。其公式如下[5]：

Eff_spectrum表示頻譜有效性，它與數據傳輸的通信范圍、占用頻譜，區域，時間以及排他性有關；其中，R(n)表示用戶n的實際通信范圍；D(n)為用戶n的數據通信數據量；I²(n)為用戶n的干擾范圍，在該范圍內其他用戶的通信將被阻止；T(n)為用戶n的實際通信時間；S(n)為用戶n實際獨占的頻譜；k為在特定的頻段和區域總的頻譜用戶的個數。利用上式可以比較單蜂窩小區和Wi-Fi節點服務的有效性，可以很好的解釋為什么Wi-Fi是更有效的頻譜使用方式的原因，盡管它在覆蓋性方面有限。

度量方法的重要性遠超出工程應用和設計無線電設備的范圍。公式中的每一因子都需要政策、投資和管理決策所驅動。這種度量表明無線寬帶的解決辦法是一個十分復雜的問題，而不是簡單的騰出專用頻帶那么簡單。

度量要強調頻譜重復利用的影響，這是發展可擴展的無線網絡的基礎。發展越來越大范圍的頻譜分配無論是從頻譜還是從服務角度都更加有效。

結束語

聯邦頻譜為美國應對頻譜需求指數增長問題、在世界范圍內確定頻譜共享技術領先地位提供了獨一無二的機會。而實現聯邦頻譜共享的基石是創造大劃分范圍的頻譜。PCAST的報告表明存在開放1000MHz共享聯邦（非聯邦）頻譜實現微小區低功率二次接入或一般授權接入的可行性 。頻譜可用性的擴張可以刺激企業在技術、設備和應用服務等方面的投資，拉動二次接入設備和一般授權設備的設計和制造，促進動態頻譜接入，最終實現聯邦頻譜潛在頻譜容量的激增。

目前，我國已劃分的頻譜資源的利用率也較低。隨著無線技術和業務日新月異的發展，我國頻譜資源的緊張形勢將會逐漸凸顯。如何解決未來我國頻譜資源需求激增的問題，我們可以借鑒頻譜高速公路計劃中的管理方法和理念，結合我國頻譜使用情況，進行相關試驗，驗證動態頻譜共享創新模式的可行性。一旦動態頻譜共享形成廣泛應用，那么在頻譜監測技術、設備檢測規范以及臺站管理等方面都需要做出相應的改進，以適應新的頻譜使用方式。

作者：楊淼 方正 李明明 來源：國家無線電監測中心

參考文獻：
GSMA/Machina Research (2012). The Connected Life: A USD 4.5 trillion global impact in 2020.
Presidential Memorandum (2010). Unleashing the Wireless Broadband Revolution.
NTIA (2011). Second Interim Progress Report on the Ten-Year Plan and Timetable.
Lasar, M. (June 19, 2008). “FCC gives Sprint Nextel a break in 800 MHz spectrum makeover.”
“Scaling, Density, and Decision-Making in Cognitive Wireless Networks.” ，P. F. Marshall, Cambridge University Press (August 2012).