頻譜共享技術及其在5G網絡中的應用建議

王學靈（上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海 200092）

1 概述

5G在增強移動寬帶（eMMB）模式下的峰值速率為數十Gbit/s，根據《國家無線電管理規劃（2016—2020年）》，為IMT 儲備不低于500 MHz 的頻譜資源。面對如此大的帶寬要求，一方面，3 GHz 以下頻譜已經分配殆盡，從WRC-15 對IMT 頻 段的協 調結果 來看［2］，6 GHz 以下可能實現全球統一頻譜的只有3.5 GHz 頻段100 MHz左右的頻段，遠不能滿足5G三大應用場景下對頻譜的需求；另一方面，因為現行頻譜管理機制的原因，存在利用效率低下的情況［6］。下面通過對頻譜共享技術的研究，分析共享頻譜技術解決頻譜資源受限和提升頻譜利用效率提供的可能性，從而為5G時代頻譜共享提供借鑒。頻譜共享技術也是近年來業界研究的熱點之一。

2 頻譜共享技術

頻譜共享技術研究的對象主要分為2 類，一類是授權頻段，現有IMT頻段都是授權頻段，運營商通過分配和拍賣的方式獲得，又分為獨占和共用2 種情況。獨占技術有授權共享接入（LSA），跨頻譜共享主要包括非授權頻譜LTE 輔助接入（LAA）、非授權頻譜LTE接入（LTE-U）、LTE 與Wi-Fi 鏈路聚合（LWA）等技術。另一類是非授權頻段，如MulteFire 技術。對授權頻譜的共享使用主要包括認知無線電技術［1］、動態頻譜共享技術。

2.1 電視白頻譜及認知無線電

電視白空間/白頻譜（TVWS），美國FCC 將其命名為“超級Wi-Fi”，是指廣播電視的空閑頻譜，包括已分配未使用或未充分使用（如發射臺停播時段）、相鄰頻道間的保護頻段以及“模數轉換”騰退出來的“數字紅利”頻段。廣播電視頻譜屬于低頻段范疇，具有損耗低、繞射能力強的優點，是部署廣域覆蓋網絡的優選頻段。除了APT700 頻段已經被廣泛應用于LTE 組網建設之外（獨占使用為主），白頻譜的應用主要是采用認知無線電技術，通過頻譜感知、地理位置信息庫及信標接收3 種方法實現對白頻譜的共享使用［5］，白頻譜的應用場景主要是在農村等偏遠區域的應急廣播及寬帶通信，國外已有應用。歐美國家認知無線電的應用起步較早，發布了很多具有指導意義的規范和標準，我國目前雖然尚未出臺相關政策，但相關研究已取得實質進展。

2.2 動態頻譜共享技術

動態頻譜共享技術采用資源池的方式，通過動態監聽信道、感知無線環境、確定參數、信道分配和管理實現對頻譜的共享［3-4］。主要包括機會頻譜接入（此用戶在主用戶不用的情況下使用頻譜）、頻段重疊共享（控制此用戶對主用戶的干擾水平情況下實現對頻譜的共享使用）、動態頻譜分配（根據頻譜的使用情況統計，統一對不同系統進行頻譜的動態分配）和公共頻譜共享（非授權頻譜供不同的系統使用）等技術［6］。

3 LTE頻譜共享技術分類

LTE 引入了多項頻譜共享技術，包括支持跨頻譜類型聚合的授權接入（LAA/LTE-U）、支持跨技術聚合的LTE 和Wi-Fi 鏈路聚合（LWA）、與現有運營商和其他部署模式共享頻譜的共享授權接入（LSA），以及支持在非授權頻譜獨立部署運行的MulteFire 技術。如表1 所示，不同的需求可采用不同的頻譜共享接入方式。

下面對這幾種頻譜共享技術逐一進行介紹。

3.1 授權共享接入（LSA）

授權共享接入（LSA）采用頻譜管理授權機制，使授權用戶使用特定未使用頻段提供服務，不對原有系統用戶產生干擾，是3GPP R14標準方案。主要是運營商使用原先用于衛星通信、政府、軍隊使用的頻段為用戶提供LTE 服務。LSA 技術實現簡單，使用前和使用過程中對擬用頻段進行識別和監測，能夠較為簡單地實現授權用戶和主用戶雙贏。目前，法國、意大利與愛立信、諾基亞、紅色科技在2.3～2.4 GHz 頻段試點進行了廣泛的技術試驗；美國谷歌公司進行了平臺開發與應用試驗，推動美國在3.5 GHz 上的LSA 發展公民寬帶無線服務（CBRS）。

表1 LTE不同頻譜共享技術

3.2 跨頻譜類型共享接入

IEEE 陣營的Wi-Fi 技術和3GPP 陣營的LTE 技術已經成為了最為成功的兩大無線技術，前者以短距、室內覆蓋為主，后者以廣域覆蓋為主，各有優缺點。一直以來，兩大陣營在不斷的博弈過程中也相互借鑒，業界也一直嘗試將兩大技術進行融合。

3.2.1 授權LTE輔助接入（LAA）

授權輔助接入（LAA）是將LTE網絡中部分業務卸載到未授權頻段，即由包含著大量Wi-Fi 業務的未授權頻段承載部分LTE 業務。LAA 支持先監聽再通話（LBT——Listen Before Talk），從而能夠有效規避與頻段內現有系統的干擾問題，是3GPP R13 標準方案。LAA 是一個非獨立（NSA——Non-Stand Alone）的方案，即授權頻譜與非授權頻譜通過載波聚合（CA）的方式捆綁使用，而不能單獨使用。LAA 是LTE-U 的演進升級，LAA 的演進方向為eLAA。2017 年初，沃達豐在土耳其開通首個LAA 商用網，利用5 GHz的40 MHz非授權頻譜和2.6 GHz的15 MHz授權頻譜進行三載波聚合。

3.2.2 非授權LTE接入（LTE-U）

非授權頻譜LTE 接入（LTE-U），將未授權頻譜作為次選頻譜，通過載波聚合技術將未授權頻譜與授權頻譜整合到一起，從而可以實現頻譜的高效利用。與LAA 方式類似，是授權頻譜與非授權頻譜通過CA 方式捆綁使用，不可單獨使用。兩者的主要區別在于，LTE-U 是由LTE-U Forum 提出的方案在3GPP R12 版本中體現，并且不支持LBT 技術。LTE-U 原理如圖1所示。

圖1 LTE-U原理示意圖

3.2.3 LTE 與Wi-Fi鏈路聚合（LWA）

LWA 技術可分離LTE 數據有效載荷，部分業務流量通過Wi-Fi 網絡傳輸（Wi-Fi 接入網，如圖2 所示），剩余的流量通過LTE 網絡傳送，從而有效提升LTE 服務的性能。與LAA/LTE-U 的區別是借助Wi-Fi 網絡而不僅僅是Wi-Fi 頻段將部分LTE 流量通過Wi-Fi 進行隧道傳輸（即流量經過LTE 網絡而不是經過Wi-Fi回到互聯網），剩余流量通過LTE 自身運行。因此LWA是聚合授權和非授權頻譜的結合。

3.3 非授權頻譜共享接入（MulteFire技術）

MulteFire 技術通過在非授權頻譜（如全球5 GHz非授權頻譜）上獨立運行LTE 技術來部署無線網絡。一方面，由于使用了多種LTE 設計中的復雜特征，MulteFire 網絡能夠為用戶提供與LTE 類似的高品質服務；另一方面，MulteFire 技術具備與Wi-Fi網絡一樣易于部署的特性。MulteFire 支持LBT 技術，技術設計符合全球非授權頻譜的監管法規，包括歐洲和日本等地區所要求的“載波偵聽”特性，使其能夠在全球范圍內部署。MulteFire技術架構如圖3所示。

圖2 LWA架構原理圖

圖3 MulteFire技術架構原理圖

4 未來5G網絡頻譜共享

以上介紹的LTE 頻譜共享技術在4G 時代并沒有大規模的使用，但是隨著頻譜共享標準制定、技術研發等工作的不斷推進，將在5G網絡以及B5G網絡中實現其價值。

未來5G網絡建設需要采用高頻、中頻和低頻進行網絡建設，以適應5G三大應用場景的頻譜需求。未來5G 新空口（NR）頻譜共享將在LTE 頻譜共享方案的基礎上進行演進，如表2所示。

表2 未來5G網絡頻譜共享技術

4.1 運營商與其他運營主體的頻譜共享建議

4.1.1 電視白頻譜再利用

目前1 GHz 以下的頻譜資源已經基本分配完畢，無空閑頻譜資源可供分配。因為對700 MHz 頻段（698～806 MHz，廣電有線電視）的重新利用受到行業限制，所以還有很大變數。WRC 將在2020 年之后，考慮470～698 MHz 頻段，即數字電視微波接力頻段的分配工作。因此，對此300 多MHz 的頻段建議采用頻譜共享方式，滿足廣電部門與運營商的頻譜需求，具體方案可參考CBRS 的推進方案，提升頻譜利用效率的同時解決運營商低頻段的頻譜資源需求問題。

共享建議：中國對電視白頻譜的再利用，以政府分配/拍賣、獨立占用為主，廣電總局擁有電視白頻譜的規劃和使用權，因此我國的白頻譜還沒有得到開發和利用。隨著國家三網融合的發展，廣電行業也涌現大量的新穎應用，對頻譜的需求也隨著增加。國家監管部門應該盡快做好電視白頻譜的規劃和使用，擺脫目前廣電無牌照卻占用電視白頻譜，通信運營商有牌照卻沒有電視白頻譜的局面，可以通過基于NR 的分層共享等頻譜共享技術，讓“數字紅利”頻段發揮其真正的效益。

4.1.2 毫米波頻譜共享

5G 網絡對高頻段頻譜的需求是低頻段的數倍甚至幾十倍，只能通過毫米波的大帶寬來滿足要求。根據2016年12月1日開始實施的《中華人民共和國無線電管理條例》對無線電頻譜的劃分，高頻段特別是毫米波頻段，很多是政府和軍隊在使用。從全球范圍來看，也是這樣的情況。

共享建議：對毫米波的頻譜共享，需要國家層面的推進和管控。一方面要做好政府及軍隊部門對頻譜使用情況梳理和安全影響評估，另一方面在保證安全的前提下，政府要做好該段頻譜的共享監管。政府監管機構的主要任務是頻譜發現方式、門限值設定、協同合作及地理位置信息系統的規定，在不影響現有用戶使用的前提下實現頻譜共享，政府應該出臺相關鼓勵政策，支持運營商、設備制造商投入資源對頻譜共享相關的技術進行研究。

4.2 運營商已授權頻譜共享建議

運營商已授權頻譜共享分為2個方面。

a）運營商之間頻譜共享，即運營商之間將各自分配到的5G 頻譜進行共享。該頻譜共享可以借鑒印度政府的類似做法，允許2 家運營商共享服務區域內特定頻段的頻譜，以提高頻譜利用率。5G 時代，中國不排除采用類似的做法，除了帶來頻譜的高效率使用，還帶來運營商網絡建設投入的降低。

b）運營商內部的頻譜共享，即5G 頻段與4G 頻段的頻譜共享。注意這里的頻譜共享和4G 時代的頻率重耕（Refarming）是有區別的，前者是頻譜共享使用，有分時獨占共享和分頻段共享2 種情況，而后者是頻譜的獨占使用。5G 與4G 頻譜共享，可以采用LTE 與GSM 頻譜共享方案，選擇上行共享或者下行共享。在運營商內部進行頻譜共享，目前已有成功商用案例。

4.3 頻譜共享面臨的挑戰

可用頻譜資源的缺乏、對現有頻譜資源的高效率利用的需求推進頻譜共享，通信行業管理部門及運營商有支持頻譜共享的意愿。另一方面，頻譜資源共享技術經過多年研究，已經有商用案例，技術已經不是主要問題。但是頻譜共享面臨的挑戰也是顯而易見的，主要是在安全和監管方面。

a）國家無線電行政管理部門對相關頻譜資源的協調、授權以及頻譜資源使用情況數據庫的建立與維護。

b）軍隊使用的頻譜的使用涉及國家機密，需要做好評估及防護措施。

c）對非法使用頻譜資源問題的解決。

5 總結與展望

采用頻譜共享技術可以獲得更多的頻率匯聚、增強的本地寬帶以及實現構建專有的物聯網網絡。隨著包括人工智能機器學習算法在內的技術的不斷進步，也將大大提升網絡的共享能力和效率。頻譜共享對運營商、制造商以及用戶都是有利的，但是因各方存在利益沖突，需要政府監管機構和頻率使用方以及各相關組織的通力協作，政府主導、產業界支持，從而使頻譜共享早日實現。