文 | 王春琦^{1（通讯作者）} 张明² 许颖² 唐刚¹ 单亮亮¹ 陈良¹ 李询¹ 彭涛¹

1 国家无线电监测中心成都监测站 2 国家无线电监测中心

       摘要：高质量与大规模物联网接入需求，使新一代无线通信系统正面临频谱资源短缺的严峻挑战。设计动态且灵活的频谱共享接入策略，实现对频谱资源的高效利用至关重要。本文通过研究毫米波通信关键特征及其共享机会，分析毫米波频谱共享技术在频谱使用异构性、宽带感知精确性和硬件能力有限性等方面的突出问题，设计了一种灵活有效的动态频谱共享接入体系架构，该方案有望成为解决频谱资源严重短缺问题的有效途径之一。

       关键词: 物联网 新一代无线通信 毫米波 动态频谱共享接入

       基金项目：国家重点研发计划（2020YFB1807600）

       0 引言

       新一代无线通信技术预计为数十亿无线设备、机器和车辆提供服务。为了满足低延迟、高移动性、高连接密度和高吞吐量等多种性能需求，未来移动通信系统将面临众多挑战^[1]。第六代（6G）移动通信网络预计在第五代（5G） 移动通信网络的基础上进一步升级和扩展，以实现数十倍甚至数百倍的数据速率、系统容量、频谱效率和能源效率等^[2]。根据香农定理，无线系统可实现的通信容量与可用的频谱带宽成正比^[3]。因此，为了利用有限的可用频谱资源来达到预期的性能目标，迫切需要创新的动态频谱接入技术和先进的频谱管理机制作支撑^[4]。一方面，国家分配给移动网络运营商（Mobile Network Operator， MNO）的频谱资源是有限且昂贵的。另一方面，Sub- 6GHz 频段已经没有额外的频谱带宽可供分配。因此，无线电管理机构和设备供应商等开始考虑利用毫米波频段为用户提供接入服务^[5]。面向毫米波频段的动态频谱共享接入技术有望解决频谱资源短缺的问题。本文首先概述毫米波通信的关键特征及其共享机会，然后提出面向毫米波动态频谱共享接入体系架构，最后分析毫米波动态频谱共享接入技术所面临的主要挑战。

       1 毫米波通信关键特征及其共享机会

       毫米波宽带通信可以潜在地提供一个更高数量级的数据速率，这是毫米波频段在蜂窝网络和其他无线应用中表现突出的主要原因^[6]。本文从频谱共享的角度讨论毫米波通信的关键特征及其共享机会。

       1.1 关键特征

       毫米波通信的一个重要特点是易阻挡性。毫米波信号容易被建筑物、树叶植被和流动人群等所阻断，从而导致20-40dB 的衰减，且阻断的概率随着接收距离的增加呈指数级增长^[7]。毫米波通信的另一个重要特点是高指向性。为了克服毫米波频段严重的路径损耗，通常会在发射端和接收端使用大规模阵列天线，从而导致其高方向性通信^[8]。高波束赋形增益和窄波束宽度增加了服务链路的信号强度，可以显著减少接收端的平均干扰^[9]。然而，由于阻挡引起的动态阻断会影响连接的可靠性，这将导致用户初始访问（包括小区发现）非常困难。为了解决上述问题， 可以考虑利用宏分集的形式，即利用多个毫米波基站或利用与毫米波基站共存的宏基站提供接入服务^[10]。预计毫米波网络将与宏基站网络一起部署，以提供安全可靠的控制信道和故障检测机制，从而实现双频操作。因此，面向毫米波频段的频谱动态共享接入方式和传输机制应与传统频段明显不同。

       1.2 共享机会

       在传统的蜂窝网络中，运营商通过授权许可接入方式以获得对部分频谱的独占和完全控制，并限制其他业务使用或干扰该频段^[11]。授权许可接入可以提高MNO 用户连接可靠性和服务质量（Quality of Service，QoS）， 但可能会导致某MNO 在特定位置或时间的频谱利用率不高。由于独占许可成本极高，排他性许可制度会给新的MNO 带来很高的进入壁垒，从而容易导致缺乏竞争和创新。尽管存在上述缺点，但是大多数传统的Sub-6GHz 频段均采用了该方法，其主要原因是这些频段的干扰程度较高，对协调的开销要求很大^[12]。相对于Sub-6GHz 频段,毫米波频段对邻近基站的干扰程度较小。从可实现的用户平均速率来看，在特定场景下即使没有任何协调，毫米波频谱共享接入比授权独占许可技术能够获得更高的收益^[13]。因此，预期传统的独占许可接入机制可能对毫米波频段无效。

      2 毫米波动态频谱共享接入体系架构

       2.1 系统架构

       假设某个国家或地区存在4 家不同的MNOs，每个MNO 都有类似的系统架构（如图1所示）。具体地，通常由3 种不同类型的基站（Base Station， BS） 组成， 即宏基站（Macro Base Station，MBS）、微微基站（Pico Base Station，PBS）和小基站（Small Base Station，SBS），所有的PBS 和SBS 均位于MBS 的覆盖范围内。SBS 主要部署在多层建筑内并为室内用户设备（User Equipment，UE）直接提供接入服务。一部分室外宏UE由MBS 直接提供接入服务，而另一部分宏UE 则通过卸载到附近的PBS，由其提供接入服务。

       面向毫米波动态频谱共享接入体系架构设计如图2所示。具体地，通常MBS 和PBS 均工作在低频2GHz 微波频段，而SBS 则选择工作在高频28GHz 毫米波频段。由于毫米波频谱在时域（Time Domain，TD）、频域（Frequency Domain，FD）、空域（Spatial Domain，SD）和功率域（Power Domain，PD）具有多样性特征^[14]，基于毫米波动态频谱共享接入技术可以满足多个MNO 不对称的用户流量需求，从而进一步提高频谱的利用率。

       2.2 毫米波频谱共享技术

       共享频谱池中的MNO 拥有根据事前预定义的用频规则对同一频谱资源进行访问的权限，从而为传输速率或利用率较低的网络提供了一种较好的频谱接入方法。然而， 为了创建一个稳定的系统，需要通过中央控制器对频谱池内所有MNO 的许可毫米波频谱资源进行分配，而中央控制器则主要包括时域调度器和频域调度器。此外，为了确保MNO 之间收益的对称性，还需要对其施加更多的限制（例如竞争力、服务费和客户份额等）。尽管MNO前期拥有对称数量的授权频谱，但是后期通过中央控制器的高水平协调，MNO1 可以按需共享频谱池中其他MNO 的频谱资源，从而帮助其用户获得更高的边缘速率体验。

       为了避免多个MNO之间的传输冲突，需要跟踪每个授权许可用户的传输状态并收集每个MNO在潜在链路上面临的干扰动态信息，然后确定对其传输链路及参数进行优化处理。具体地，一是采用基于优先级的频谱动态接入机制^[15]，即主用户权限始终优先于次用户。例如，当主用户MNO1 在其计划调度的潜在链路上检测到来自其他MNO 的严重干扰时，时域调度器会根据事前约定的协调策略向频域调度器发送控制消息，从而暂时停止其他MNO 的接入服务。二是采用基于几乎空白子帧（Almost Blank Sub-frame，ABS）的增强小区间干扰协调（Enhance Inter Cell Interference Coordination， eICIC）技术^[16]，将MBS 上的几乎空白子帧时频资源分配给SBS 边缘用户，此时来自MBS 对SBS 的干扰可能性极低。此外，时域调度器根据MNO1 和其他MNO 的同信道小蜂窝UE 的数量更新每个协议期限内ABS 的数量，并将更新后的ABS 模式通知相应的频域调度器。上述两种方法中前者需要较小的控制信令开销，然而其代价是对共享频谱池中的频谱资源访问较少，从而限制了系统的平均容量。后者则可以在每个协议期限内访问共享频谱池中的频谱资源，然而其代价是由于时域调度器和频域调度器之间的频繁协调，导致产生较多的控制信令开销。

       2.3 毫米波频谱交易技术

       传统的频谱管理模式是将授权频谱长期静态分配给MNO，从而导致在特定时间或空间中MNO 获得的频谱未被充分利用^[17]。因此，为了提高频谱利用率，MNO1可以利用二级频谱交易市场按需租赁其他MNO 未使用或未充分利用的频谱资源。假设MNO1所需的毫米波频谱与其用户数量成正比，则可以根据相对于其他MNO 的用户数量来确定每个协议期内MNO1需要租赁的最佳频谱数量。在承租方和出租方之间达成共识后，MNO1可以选择租赁其他MNO 的毫米波频谱以获得最佳频谱量。假如在任何一个协议期限内MNO1的用户数量减少，则可以将其未使用的频谱出租给其他MNO。因此，通过迭代更新每个协议期内MNO所需的最佳频谱量，从而实现用户数据需求和频谱租赁收益之间的平衡。

       2.4 毫米波频谱复用技术

       毫米波传播受到建筑物和植被的阻挡影响会导致严重的信号衰减，其高指向性通信引起的动态中断会影响连接的可靠性^[18]。然而，较高的穿透损耗和较强的方向性通信带来的好处是相同的毫米波频谱可以重复应用于多层建筑或单层建筑的不同区域。为了避免在多层建筑中重复使用相同频谱导致同频干扰，通常需要在满足最小同信道干扰（Co Channel Interference，CCI）约束条件下，确定同信道小蜂窝之间的最小保护距离，从而构建一个三维的小蜂窝群。每个小蜂窝群由一组跨越建筑物中多个楼层或单层建筑的不同区域的小蜂窝组成，既可以将毫米波频谱水平重用到同一楼层的小蜂窝，也可以将毫米波频谱垂直重用到相邻楼层的小蜂窝，从而进一步提高整个通信系统的频谱效率、能源效率和平均容量。

       3 毫米波动态频谱共享接入主要挑战

       面向毫米波动态频谱共享接入技术有望解决未来频谱资源短缺的问题。然而，在毫米波频段实现动态频谱共享接入，仍然存在以下一些关键的挑战需要应对。

       （1）频谱使用异构性挑战。不同的设备类型和应用场景具有不同的QoS 要求和流量需求等，这种多样性将导致对宽带频谱的异构访问。此外，不同的频段具有不同的传播特性和信道占用行为，并随着时间、空间和频率的变化而发生变化。

       （2）宽带感知精确性挑战。频谱从低频（<1GHz） 到高频（>24GHz）跨越较大的频率范围，宽带特性使得现有的窄带频谱感知方法不适用于毫米波频谱感知。例如， 毫米波频段信号传输路径损耗增加，加剧了隐藏终端问题，即远离信号源的设备可能无法检测感知高频主信号的存在，从而导致频谱占用情况的不可靠恢复和高误报率。因此，迫切需要协同感知方法来克服隐藏终端问题。

       （3）硬件能力有限性挑战。宽带频谱的占用情况随时间和频率的不同而发生明显变化，而目前的硬件架构可能无法支持所需的测量次数，这使得现有的利用频谱占用变化来实现可用频谱恢复的方法受到限制。此外，接收机灵敏度不够可能导致对主信号检测的不确定性增加。因此， 需要新的技术来克服这种硬件限制，保证可用频谱恢复过程仍然保持其高精度性能，并且不会引起额外的传感延迟和能量开销等。

       4 结束语

       毫米波动态频谱共享接入无疑为解决频谱短缺问题提供了可能，成为满足未来无线通信系统不断增长的网络容量和用户数据速率需求的关键技术之一。通过研究毫米波通信关键特征及其共享机制，考虑设计基于频谱共享、频谱复用和频谱交易的灵活有效的用频机制。在频谱共享中， 通过避免TD、FD 或PD 中的同信道干扰，多个MNO 之间共享相同的频谱。在频谱交易中，MNO 可以在二级频谱交易市场从其他MNO 按需租赁其未使用或未充分利用的频谱。在频谱复用中，通过满足一定的CCI 约束条件， MNO 的相同频谱可以在空间进行重用，以进一步提高频谱利用率。然而，在毫米波频段实现动态频谱共享接入， 接下来的工作仍然需要解决频谱使用异构性、宽带感知精确性和硬件能力有限性等关键问题。

       参考文献：

       [1] Wang B , S u n Y , L i S e t a l . Hi e r a r c h i c a l Matching With Peer Effect for Low-Latency and High-Reliable Caching in Social IoT[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2019, 6(1): 1193~1209

       [2] 魏克军, 胡泊.6G 愿景需求及技术趋势展望[J]. 电信科学,2020,36(2):126~129

       [3] Strinati E C, Barbarossa S. E. 6G Networks: Beyond Shannon Towards Semantic and Goal-oriented Communications[J]. Computer Networks, 2021, 190:1389~1286

       [4] 刘秋妍, 张忠皓, 李福昌, 等. 基于区块链的6G 动态频谱共享技术[J]. 移动通信, 2020,44(6):44~47

       [5] Saha R K. On Application and Evaluation of Millimeter-Wave Spectrum Sharing, Trading and Reusing for Small Cells Toward Spectral and Energy Efficiencies of 6G[C]//International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC). Japan: IEEE, 2020:1~6

       [6] Wang W, He S, Wu Y, et al. Performance E v a l u a t i o n a n d A n a l y s i s o f M i l l i m e t e r W a v e Communication System[J]. IEEE Systems Journal, 2019, 13(1):159~170

       [7] Rahim H M, Leow C, Rahman T A, et al. Foliage Attenuation Measurement at Millimeter Mave Frequencies in Tropical Vegetation[C]// International Conference on Communications (MICC). Malaysia: IEEE, 2018:241~246

       [8] Wa n g H , Z h a n g P , L i J , e t a l . R a d i o Propagation and Wireless Coverage of LSAA-Based 5G Millimeter-Wave Mobile Communication S y s t e m s [ J ] . C h i n a C o m m u n i c a t i o n s , 2019, 16(5):1~18

       [9] 朱宇, 李先驰. 宽带毫米波数模混合波束赋形[J]. 中兴通讯技术,2017,23(3):14~19

       [10] M a c C a r t n e y G R , R a p p a p o r t T S . Millimeter-Wave Base Station Diversity for 5G Coordinated Multipoint (CoMP) Applications[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2019, 18(7):3395~3410

       [11] Tehrani R H, Vahid S, Triantafyllopoulou D, et al. Licensed Spectrum Sharing Schemes for Mobile Operators: A Survey and Outlook[J]. IEEE C o m m u n i c a t i o n s S u r v e y s & T u t o r i a l s , 2017, 18(4):2591~2623

       [12] 齐航, 刘玮, 任冶冰, 等.Sub-6GHz 频段无线传播特性研究[J]. 移动通信,2019, 43(2):19~24

       [13] S a r k a r S , Z h a n g X , B h u y a n A, e t a l . En ab l i n g U n co ord i n ate d S pe ctrum S h ari n g i n Millimeter Wave Networks Using Carrier Sensing [C]// Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, USA: IEEE, 2020:544~548

       [14] 陈硕. 密集异构无线环境中基于极化信号处理的频谱共享研究[D]. 北京：北京邮电大学, 2018

       [15] 冯岩, 孙浩, 许颖, 等. 动态频谱共享研究现状及展望[J]. 电信科学,2016,32(2):112~119

       [16] 金雨超, 李强, 吕震, 等. 基于异构网络的增强型小区间干扰协调技术研究[J]. 移动通信,2017,41(4):5

       [17] 田家强, 陈勇, 张建照. 动态频谱管理技术发展研究[J]. 通信技术,2017,50(04):585~592

       [18] Chang P S, Thiagarajah S P and Sheela- Francisca J. Effects of Single Vegetation Obstruction on 5G Mobile Services in 28GHz [C]//Asia Pacific Microwave Conference (APMC), Malaysia: IEEE, 2017:1119~1122