動態(tài)頻譜管理的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)對策略探究

楊春，陳峻

（同方電子科技有限公司，江西九江，332000）

頻譜是一種先進的無線通信技術(shù)，以往各國采用統(tǒng)一的頻譜分配模式，保留了2.4GHz工業(yè)、ISM頻段等非授權(quán)頻段允許各國非授權(quán)競爭使用，但漸漸地，可分配的授權(quán)頻段資源面臨枯竭，上述頻段的用戶數(shù)量不可控增長，變得越來越擁擠[1]。這一現(xiàn)狀的發(fā)生，其實并不是由于頻譜資源有限的緣故，因為調(diào)查發(fā)現(xiàn)可分配頻段的利用率是比較低的。為了提升頻譜利用率，解決無線通信技術(shù)領(lǐng)域所面臨的頻譜稀缺問題，必須對現(xiàn)有的頻譜管理模式進行變革，此時動態(tài)頻譜管理技術(shù)應(yīng)運而生，為頻譜高效利用提供了科學(xué)路徑。

1 動態(tài)頻譜接入技術(shù)概述

認(rèn)知無線電（Cognitive Radio,CR）技術(shù)是動態(tài)頻譜接入技術(shù)的核心，這項技術(shù)可通過對頻譜環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的感知，改變功率、載頻、傳輸速率、調(diào)制方式等工作參數(shù)，將擁擠頻譜客戶接入空閑頻譜，優(yōu)化頻譜資源配置，全面提升頻譜利用率[2]。在動態(tài)頻譜管理中，以下技術(shù)發(fā)揮了重要作用：①頻譜感知，這一技術(shù)目前正朝著多節(jié)點協(xié)作感知的方向發(fā)展，具備頻段分析來尋找可利用頻譜資源的能力；②頻譜決策，這項技術(shù)目前正朝著公平性優(yōu)化、通信開銷優(yōu)化等方向發(fā)展，可基于可用頻譜信息分析頻譜特征，從而選擇合適的頻段或頻點；③頻譜共享，這一技術(shù)能夠在滿足客戶需求的情況下優(yōu)化頻譜的選擇，從而提升頻譜利用率，技術(shù)應(yīng)用過程中，主要采用動態(tài)頻譜分配算法，確保能夠公平高效地解決問題；④頻譜切換。認(rèn)知用戶在剛知道當(dāng)前使用信道出現(xiàn)授權(quán)用戶，或者信道質(zhì)量下降的情況下，會自動切換到其他可用信道，進行頻譜切換時，要求快速平穩(wěn)，而且不會干擾到授權(quán)用戶，并將對于認(rèn)知用戶的影響降到最低。

以CR為核心的動態(tài)頻譜接入技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，促進了頻譜接入方式的改變，美國國防部根據(jù)頻譜接入方式對于任務(wù)的服務(wù)質(zhì)量保證能力差異，將之分為了以下三種類型：①靜態(tài)頻譜接入（SSA）。在固定接入頻段工作，靈活性較差，不過可保證授權(quán)業(yè)務(wù)在頻譜使用上的最高優(yōu)先級；②協(xié)作頻譜接入（CSA）。在協(xié)作接入頻段工作，較為靈活，在中心代理調(diào)控下，可根據(jù)動態(tài)頻譜需求信息，在各個網(wǎng)絡(luò)、終端或兩者之間接入頻譜，協(xié)調(diào)共用該頻段的客戶，使其需求得以滿足。人們在動態(tài)智能頻譜管理項目中基于CSA組建了一個動態(tài)頻譜管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，按照用戶優(yōu)先級、服務(wù)質(zhì)量，高效、公平地分配頻譜資源，使得系統(tǒng)能夠趨于最佳運行狀態(tài)；③伺機頻譜接入（OSA）。OSA最早是在下一代無線通信計劃中提出的，在自治接入頻段工作，最為靈活，通過終端競爭接入頻譜的方式來盡可能地提升任務(wù)服務(wù)質(zhì)量[3]。

2 動態(tài)頻譜管理的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 美國相關(guān)研究進展

美國對于動態(tài)頻譜接入技術(shù)的研究十分重視，早在2003年，聯(lián)邦通訊委員會（FCC）就發(fā)布了《使用認(rèn)知無線電促進頻譜利用的通知》，并于次年5月發(fā)布了在不影響授權(quán)用戶業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上可應(yīng)用CR技術(shù)使用廣播電視頻段空閑頻譜資源的政策，又在10月份正式批準(zhǔn)引入CR技術(shù)的文件，并制定了相關(guān)設(shè)備的使用法規(guī)，在制度上支持并規(guī)范了CR技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用[4]。在2008年11月，聯(lián)邦通訊委員會直接公布了允許免許可設(shè)備可接入54至72MHz、76至88MHz、174至216MHz等多個電視頻待空閑可用信道。在國家的大力支持下，美國國內(nèi)對于動態(tài)頻譜接入技術(shù)及動態(tài)頻譜管理的研究逐步深入，在2009年3月，美國國家自然科學(xué)基金委員會（NSF）組織召開了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)論壇，闡述了CR網(wǎng)絡(luò)研究中值得探討的問題，聯(lián)合制定了近期動態(tài)頻譜管理的路線圖，并建議建立重大的項目群，為CR相關(guān)技術(shù)研究提供資助，以促進動態(tài)頻譜接入技術(shù)在美國的大規(guī)模安全應(yīng)用[5]。

通過多年的研究，美國在動態(tài)頻譜管理方面已經(jīng)取得了一定成功，在2006年，美國國防頻譜組織（DSO）就提出了一個長期頻譜轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略規(guī)劃，即美國全球電磁頻譜信息系統(tǒng)（GEMSIS），可實現(xiàn)頻譜的自動、自適應(yīng)應(yīng)用，通過無線設(shè)備將頻譜和網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)相結(jié)合，有效提升頻譜使用率。提升其共享能力，促進頻譜資源的靈活分配，這個計劃預(yù)計到2020年方能實現(xiàn)。此外，美國還有一個大型頻譜管理機構(gòu)DARPA資助的XG計劃，這個計劃主要研究通過靈活的頻譜政策實現(xiàn)動態(tài)頻譜管理的框架。而且，DARPA在XG項目的基礎(chǔ)上啟動了下一步無線網(wǎng)絡(luò)計劃（WNaN），這個計劃將動態(tài)頻譜接入技術(shù)和容斷網(wǎng)絡(luò)（DTN）技術(shù)集成于MANET中，可給未來戰(zhàn)士通信提供穩(wěn)定、可負(fù)擔(dān)且具有自組織能力的無線網(wǎng)絡(luò)。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對于CR技術(shù)的研究是2005年開始，受到863計劃支持，并且在2008年的973計劃信息領(lǐng)域?qū)ｍ椈顒又袉恿苏J(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)研究，同一年，國家自然科學(xué)基金委員會又成立了CR領(lǐng)域的重點項目群，這些研究的開展，促進了我國在動態(tài)頻譜管理基礎(chǔ)理論研究的深入及技術(shù)上的創(chuàng)新，相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)也在研發(fā)應(yīng)用中。

在863重點項目中，我國圍繞著頻譜感知共享與CR關(guān)鍵問題，展開了對于“頻譜資源共享無線通信系統(tǒng)”的研究，其中的系統(tǒng)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)子課題在2012年3月全部通過驗收，為我國參與國家頻段共享標(biāo)準(zhǔn)化研究提供了技術(shù)支持。在2012年，以相關(guān)課題研究與驗證頻譜有效利用與資源管理相關(guān)技術(shù)的世界無線電通信大會上，我國憑借“面向WRC12的頻譜有效利用關(guān)鍵技術(shù)研究與驗證”這一項目，參與其中。在973課題“認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”中，對相關(guān)領(lǐng)域的三個基礎(chǔ)性問題進行了研究，其一為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的適變性，其二為多域環(huán)境的認(rèn)知性，其三為管理與控制的自主性。不過，我國對于推進頻譜管理模式轉(zhuǎn)變途徑的研究比較少，也就是說在研究成果的實用化研究方面比較欠缺。

3 應(yīng)對動態(tài)頻譜管理技術(shù)發(fā)展的策略

3.1 區(qū)分頻譜管理與用戶用頻之間的關(guān)系

動態(tài)頻譜管理是一項與用戶動態(tài)用頻息息相關(guān)的技術(shù)，因此，在制定了合理的動態(tài)頻譜管理政策及支配策略的情況下，用戶終端可自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)科學(xué)動態(tài)用頻。長久以來，我國關(guān)于頻譜管理與用戶用頻方面的研究都是相互獨立，在設(shè)備研究方面，都以獨立尋找頻譜資源為目標(biāo)，造成了資源上的浪費。故而，在今后應(yīng)該正確認(rèn)識頻譜管理與用戶用頻之間的關(guān)系，將二者良性結(jié)合，進行深入的研究。

3.2 制定軍民融合的頻譜轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略規(guī)劃

隨著動態(tài)頻譜管理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，相關(guān)研究不再止步于科研方面，還設(shè)計到政策、標(biāo)準(zhǔn)的制定，以及通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、協(xié)議設(shè)計及終端開發(fā)等服務(wù)環(huán)節(jié)。為了促進頻譜管理與用戶用頻的一體化設(shè)計，促進動態(tài)頻譜管理的實用化，國家應(yīng)制定軍民融合的長期頻譜轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略計劃，促進我國頻譜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.3 積極參與相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定

動態(tài)頻譜管理是一項非常重要的技術(shù)，目前各個發(fā)達國家都在其中投入了大量的資金、物資以及人力資源，取得的研究成果越多，成就越高，就意味著你在這一領(lǐng)域擁有更高的話語權(quán)，為了維護我國在頻譜管理方面的權(quán)益，促進無線通信及網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，我國應(yīng)該積極參與到動態(tài)頻譜接入技術(shù)核心技術(shù)的研究中，并且積極參與到國際標(biāo)準(zhǔn)的制定中。

3.4 研究適用于我軍的動態(tài)頻譜管理框架

軍事應(yīng)用是動態(tài)頻譜管理技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的主要方向，這一技術(shù)的發(fā)展，很有可能直接改變將來軍事通信用頻方式及頻譜管理模式。現(xiàn)階段，美國面向軍事通信領(lǐng)域的動態(tài)頻譜管理方向，啟動了XG項目、WNaN項目，為了保證國家軍事力量的發(fā)展，我國也應(yīng)該積極展開相關(guān)研究，將動態(tài)頻譜管理與軍事通信融合，構(gòu)建與我國軍情相符合的動態(tài)頻譜管理框架。

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)的頻譜管理模式中，存在著已分配頻率利用率較低，而非授權(quán)頻段、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)、移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量不斷增長，變得愈發(fā)擁擠，這種情況充分說明了頻譜資源分配不均的問題。雖然說，人們研發(fā)了一些可提升信道編碼、信源編碼及調(diào)制解調(diào)效率的通信技術(shù)，來提升整體頻譜利用率，但是這種提升不足以滿足日益增長的頻譜需求。直到1999年，Joseph Mitola博士提出了認(rèn)知無線電（CR）技術(shù)理念，并基于此研究出了一套動態(tài)頻譜管理技術(shù)，實現(xiàn)了對于空閑頻譜的高效利用有效解決了頻譜資源稀缺的問題。為了推動動態(tài)頻譜管理的應(yīng)用，國內(nèi)外均對這項技術(shù)展開了研究，并且積極推進相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，應(yīng)對這一變化，我國也應(yīng)該積極進取，根據(jù)相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢，提出應(yīng)對策略。