孫永林

（海裝重大專項(xiàng)裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100000）

0 引言

地面通信網(wǎng)與衛(wèi)星通信網(wǎng)分別在各自擅長的服務(wù)范圍內(nèi)發(fā)揮著巨大的作用。盡管地面移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到5G，但覆蓋范圍受限的短板仍不能解決，而另一面具有廣覆蓋特性的衛(wèi)星通信卻因成本過高等因素?zé)o法普及。隨著人們對(duì)通信需求向多空間、多方位的不斷擴(kuò)展，融合天、地通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是未來通信發(fā)展的重要趨勢(shì)，通過融合設(shè)計(jì)而構(gòu)建的多維立體、全方位和全天候的信息網(wǎng)絡(luò)，可為空、天、地、海等不同應(yīng)用場景的用戶提供全球泛在的通信服務(wù)[1]。

在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中，大部分通信節(jié)點(diǎn)依賴于有限的無線電頻譜資源進(jìn)行傳輸，信道開放、頻率需求大、涉及無線電業(yè)務(wù)多是其主要特點(diǎn)。以往，地基網(wǎng)絡(luò)或天基網(wǎng)絡(luò)對(duì)于無線電頻譜資源的使用，均采用獨(dú)占授權(quán)的靜態(tài)規(guī)劃方式，對(duì)于所授權(quán)頻譜的使用，存在著部分時(shí)間過度浪費(fèi)或過度擁擠的情況。此外，對(duì)于那些尤為適用于天地一體化衛(wèi)星寬帶接入要求的Ka 和Q/V 等頻段，天基網(wǎng)絡(luò)或地基網(wǎng)絡(luò)都出現(xiàn)了避無可避的狀態(tài)[2]。因此，設(shè)計(jì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)無線頻譜動(dòng)態(tài)共享方案，提高頻譜資源利用效率，是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一[3]。

20年來，人們對(duì)于地基網(wǎng)絡(luò)頻譜共享的研究較為廣泛，提出了大量的動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)。但天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)與地基網(wǎng)絡(luò)的存在諸多差異，不能直接使用地基網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享技術(shù)，需根據(jù)其特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)或適當(dāng)改進(jìn)。但地基網(wǎng)絡(luò)中的用于干擾規(guī)避的功率控制、波束賦形、跳波束及頻譜數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)頻譜共享提供重要的研究思路。因此，近來學(xué)者從不同角度、針對(duì)多種場景提出了一些天地一體化信息網(wǎng)頻譜共享的算法和方案。

從是否需要空口技術(shù)及核心網(wǎng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的角度可將現(xiàn)有研究分成兩大類：一是基于干擾規(guī)避的星地頻譜共存，研究對(duì)象是分立的天基和地基通信系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)行之有效的干擾規(guī)避方案來實(shí)現(xiàn)二者的頻譜共存；二是基于一體化設(shè)計(jì)的星地頻譜協(xié)同，將天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體，通過設(shè)計(jì)統(tǒng)一的空口協(xié)議及核心網(wǎng)無線資源調(diào)度措施等方案，完成天基和地基無線設(shè)備對(duì)于頻譜資源的一體化協(xié)同使用。

1 天地一體化頻譜共享場景

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)內(nèi)戶用提供立體式全球泛在的多樣化信息應(yīng)用服務(wù)，從陸、海、空、天各個(gè)地理位置到應(yīng)急保障通信、車聯(lián)網(wǎng)、地面移動(dòng)蜂窩、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多種行業(yè)[4]。圖1給出了網(wǎng)絡(luò)的整體融合架構(gòu)及其可能覆蓋的應(yīng)用場景。

圖1 天地一體化應(yīng)用場景

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展和商用，移動(dòng)通信正在由僅滿足人的通信需求向可為車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的傳感器、操作手、智能體等機(jī)器設(shè)備無線連接擴(kuò)展。新的服務(wù)對(duì)象常常超出人的常規(guī)活動(dòng)范圍，而當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)仍以城區(qū)和部分郊區(qū)等區(qū)域覆蓋為主，偏遠(yuǎn)地區(qū)和近海區(qū)域仍然缺乏寬帶、高質(zhì)量的通信服務(wù)。這將牽引未來6G 的發(fā)展方向，天地一體化網(wǎng)絡(luò)是未來6G 的可能形態(tài)，其可綜合運(yùn)用天基及地基等不同子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)未來通信網(wǎng)絡(luò)的泛在需求。但將原有不同空間的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合，必然存在子系統(tǒng)間如何調(diào)度和使用頻譜資源的問題?；谔斓匾惑w化的6G 使得接入網(wǎng)和核心網(wǎng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)成為可能。對(duì)于6G 網(wǎng)絡(luò)的頻譜使用規(guī)劃，可以在空口傳輸協(xié)議及核心網(wǎng)設(shè)計(jì)之初便將頻譜規(guī)劃和調(diào)度方案考慮進(jìn)來，以提高頻譜利用率。

而上述方案只能用于類似于6G 這種變革更新的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施中，而其研發(fā)到商用還要經(jīng)歷漫長的過程，且不利于兼容現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)。而對(duì)于目前的商用移動(dòng)通信系統(tǒng)與天基通信網(wǎng)絡(luò)，已存在頻譜共存的問題，比如備受5G 青睞的毫米波通信與衛(wèi)星Ka 頻段的重合[5]。

近年來，無人機(jī)輔助通信和高空通信平臺(tái)成為彌補(bǔ)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延過高的重要途徑。無人機(jī)輔助通信可快速部署作為空中基站，為野外勘察數(shù)據(jù)收集、災(zāi)后應(yīng)急通信、近海通信輔助等方面提供數(shù)據(jù)服務(wù)，具有巨大的應(yīng)用前景[6]。但其續(xù)航能力有限、使用期限短暫，不適合為其分配較為固定的頻譜。高空平臺(tái)由于具有更長的使用周期、更廣的覆蓋范圍和更穩(wěn)定的通信效果，被廣泛用于偏遠(yuǎn)的農(nóng)村、海岸線、山脈、沙漠等地區(qū)，成為地面網(wǎng)絡(luò)的有效延伸。作為臨時(shí)輔助通信網(wǎng)絡(luò)，其面臨空域管理和使用期限有限等問題，也不適合分配固定授權(quán)頻譜。因此，讓無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)、高空平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)存通信系統(tǒng)共享頻譜，進(jìn)行無干擾通信，尤其是與衛(wèi)星通信的頻譜共存成為了重要的研究場景，也是空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)頻譜共享的重要研究場景[7]。

此外，車聯(lián)網(wǎng)對(duì)通信數(shù)據(jù)量大幅增加和通信時(shí)延要求日漸苛刻，主要依靠短距離專用無線通信IEEE 802.11p 和公共移動(dòng)平臺(tái)的LTE-V 網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，因可用頻譜資源嚴(yán)重受限，難以滿足大量車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)接入請(qǐng)求、低時(shí)延、大容量、高可靠的通信需求。近來業(yè)界提出了面向沉浸式體驗(yàn)的空天地一體化車聯(lián)網(wǎng)[8]，包含了衛(wèi)星、高空平臺(tái)、無人機(jī)、地面車輛、地面通信基礎(chǔ)設(shè)施等多種通信手段，但各種通信形式間獨(dú)立運(yùn)行、架構(gòu)分散、服務(wù)任務(wù)各異，導(dǎo)致每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)頻譜資源的使用需求不斷變化，如何建立一套合理的協(xié)調(diào)機(jī)制，使各子系統(tǒng)間能夠協(xié)調(diào)使用受限的頻譜資源，實(shí)現(xiàn)頻譜資源在融合的網(wǎng)絡(luò)中高效利用。

2 主要研究問題

基于將現(xiàn)有空天地一體化頻譜共享技術(shù)分為基于干擾規(guī)避的星地頻譜共存和基于一體化設(shè)計(jì)的星地頻譜協(xié)同的思路，本文將綜述兩類研究中需重點(diǎn)解決的問題和面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)所需的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理。

2.1 同頻共存的主要研究問題

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中各子系統(tǒng)的同頻共存必然導(dǎo)致互相的通信干擾，可以基于認(rèn)知無線電概念和技術(shù)進(jìn)行各子系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)頻譜共享方案設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)融合網(wǎng)絡(luò)對(duì)于頻譜資源的高效利用。認(rèn)知無線電根據(jù)頻譜授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶是否同時(shí)占用頻譜，可以分成Overlay方式、Underlay 方式和兩者融合的頻譜共享方式。對(duì)于不同的認(rèn)知無線電形式，所要解決的研究問題及關(guān)鍵技術(shù)所有不同。

Overlay 方式是認(rèn)知無線電頻譜共享最初提出的模式。該模式包含頻譜感知過程和頻譜決策過程。授權(quán)用戶通過頻譜空洞探測(cè)結(jié)果來決策是否接入未被授權(quán)用戶占用的信道，以避免對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾。在Overlay方式中，非授權(quán)用戶雖然不與授權(quán)用戶同時(shí)存在于一個(gè)無線頻帶上，但非授權(quán)用戶是否接入，以及接入后是否對(duì)授權(quán)用戶造成干擾，高度依賴于頻譜感知的精確性。因此，如何提高頻譜感知精度是該模式下需要重點(diǎn)研究的問題。以往研究的中已提出大量的頻譜感知算法，但其對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)適用性仍需進(jìn)一步探究。頻譜決策是Overlay 方下另一個(gè)需要研究的內(nèi)容，一般包含初始頻譜空洞的接入以及后續(xù)的頻譜切換操作。對(duì)于頻譜空洞接入，決策算法需要綜合考慮頻譜感知的誤差容忍和自身通信需求的折中，而對(duì)于后續(xù)的頻譜切換，則需要考慮切換代價(jià)與短時(shí)傳輸性能的折中。

Underlay 方式允許非授權(quán)用戶與授權(quán)用戶同時(shí)同頻，但要求非授權(quán)用戶對(duì)授權(quán)用戶的干擾處于一個(gè)可接受的范圍。該方式不需要非授權(quán)用戶實(shí)時(shí)進(jìn)行頻譜感知和頻繁的頻譜切換，大大簡化了其設(shè)備的研發(fā)，也能夠降低設(shè)備的能耗。為保證授權(quán)用戶所受干擾小于一個(gè)閾值，該模式常采用空域隔離或功率控制的方法。

空域隔離是無線通信中消除同頻干擾的常用方式，如移動(dòng)蜂窩通信中的小區(qū)設(shè)計(jì)、衛(wèi)星波束的七色復(fù)用以及近年來備受關(guān)注的波束賦形。在認(rèn)知無線電技術(shù)中，上述方式也被進(jìn)一步采用，但在設(shè)計(jì)空域隔離時(shí)需以授權(quán)用戶干擾門限為約束，以確保授權(quán)用戶的正常通信[9]。

功率控制是underlay 頻譜共享下另一重要的技術(shù)，即通過控制非授權(quán)用戶發(fā)射功率，使其對(duì)授權(quán)用戶處受到的干擾處于既定的干擾門限以下，該門限也被稱為干擾溫度閾值[10]。

（未完待續(xù)）