國內(nèi)外頻譜管理與優(yōu)化的研究

一、頻譜使用的現(xiàn)狀

近年來，無線通信產(chǎn)業(yè)正在飛速的發(fā)展，越來越多的用戶數(shù)量和更好的服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求成為無線產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展的源動力。因此在諸如家庭、辦公室以及公共場所等多種環(huán)境當中，與無線通信相關的新技術、新設備以及新 業(yè)務也一個接一個地接踵而至，這種場景使我們期待的無處不在、無時不在的泛在通信網(wǎng)絡有望在不久的將來成為現(xiàn)實。與此同時，隨著用戶數(shù)的增加，無線頻譜的 需求量也正在急劇增加。

根據(jù)Report ITU-R M.[IMT.ESTIMATE]對未來頻譜需求的估計，到2020 年，按照兩個運營商計算，IMT-2000和IMT-Advanced總的頻譜需求范圍是1440~1760MHz，最低的頻譜需求也要1440MHz。

按照我國的業(yè)務和市場預測情況，根據(jù)ITU-R M.[IMT.METH]建議中定義的計算方法，可以得出我國到2020年總的頻譜需求約為1360MHz。其中IMT-2000及其增強型系統(tǒng)的頻譜需 求為560MHz，IMT-Advanced頻譜需求達到了800MHz。

目前世界各國的頻譜管理方式主要采用官方指配和公開拍賣方式，在 不同無線業(yè)務使用頻段的分配上，基本上是各國無線電管理機構(gòu)根據(jù)法定無線電業(yè)務的技術特點、業(yè)務能力、帶寬需求等因素，以固定頻段來進行指配，因此可以認 為無線電頻譜是一種有限的資源。隨著頻譜資源消費者數(shù)量的不斷增加，這種寶貴的無線資源最終將會耗盡。

最近業(yè)界已形成一個共識，那就是可用的無線電頻譜資源幾乎已經(jīng)被分配完畢。圖1是美國的頻譜分配情況，圖2是中國目前的頻譜分配情況。可以看出幾乎所有的頻譜都已被授權(quán)業(yè)務所占用，在世界上 其它國家也存在類似的情況。新的無線業(yè)務為了獲取可用的頻譜資源，已經(jīng)花費了數(shù)千億美元的投入，如歐洲和亞洲的3G頻譜的拍賣。

圖1、美國的頻譜分配圖

圖2、中國的頻譜分配圖

這種不斷增加的業(yè)務帶寬需求和有限的無線頻譜資源之間的矛盾變得越來越突出，似乎“頻譜匱乏”的問題最終將會毀掉我們泛在網(wǎng)絡的美好未來。隨著技術的發(fā)展和 業(yè)務需求的變化，固定頻段指配的方式逐漸顯示出了其固有的弊端。在某些熱點業(yè)務的頻段內(nèi)（如蜂窩移動通信頻段），頻段變得相當擁擠，頻譜資源供不應求；而在其它的一些頻段（如廣播電視頻段），則存在時間和空間上的大量頻譜閑置的現(xiàn)象。

圖3是中國南方的某大城市一個地點7天24小時的測量結(jié)果。測量結(jié)果表明，即使在最擁擠的蜂窩移動通信頻段，也存在個別時段上的大量閑置。

圖3、國內(nèi)某城市一周之內(nèi)的頻譜占用情況

二、國內(nèi)外關于頻譜管理與優(yōu)化的研究

有限的頻譜資源和頻譜利用效率的低下使得人們開始重新考慮傳統(tǒng)頻譜政策的有效性。固定頻譜分配政策在過去很長一段時間內(nèi)起到了很好的作用，然而隨著適合移動 業(yè)務的頻譜接入量的快速增長，已經(jīng)開始阻礙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，當前所面臨的頻譜匱乏實際上并不是可用頻率物理上的稀缺，而是頻譜管理政策產(chǎn)生的桎梏，似乎 用“接入?yún)T乏”描述當今頻譜使用的狀況更為合適。

頻譜使用的不平衡性，部分頻段利用不充分，另一些頻段則過分擁擠，激發(fā)人們在工程、經(jīng)濟和 管理領域去尋找更好的頻譜管理政策，一些更為靈活和有效的頻譜管理思想被提了出來。“開放頻譜”的概念的提出，目的是使用新的技術和標準，動態(tài)地管理頻譜 接入，實現(xiàn)頻譜共享，以代替當前政府“指令式”的靜態(tài)頻譜分配方式。美國國防部高級技術研究計劃署（Advanced Research Projects Agency，DARPA）關于“動態(tài)頻譜接入（Dynamic Spectrum Access，DSA)”網(wǎng)絡的方法，旨在通過動態(tài)地重新分配已有的頻譜資源，大大改善現(xiàn)有軍事通信在全球范圍內(nèi)軍事部署的性能。IEEE 802.22工作組正在制定的針對無線區(qū)域網(wǎng)（Wireless Regional Area Network，WRAN)的新標準，主要任務是利用現(xiàn)有的UHF/VHF電視波段的空閑子帶進行通信，建立固定的點對多點的WRAN系統(tǒng)。

尋求如何有效提高無線頻譜利用效率，探索新的動態(tài)、合理的無線頻譜管理方法，開發(fā)促進新的智能設備的先進技術，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對通信業(yè)務多樣性、寬帶性 的和高服務質(zhì)量的需求，為運營商提供降低運營成本、擴大運營收益的合理化建議，已成為當今國內(nèi)外研究機構(gòu)及廣大學者研究的焦點。