Taajuuksien jakamisen perusteet

Taajuuksien yhteiskäyttö tarkoittaa käytäntöä, jossa useat langattomat järjestelmät, operaattorit tai käyttäjät käyttävät samoja taajuuskaistoja joko samanaikaisesti tai koordinoidusti. Toisin kuin perinteinen yksinoikeuslisenssi, jossa yhdellä yksiköllä on oikeudet taajuuksiin, yhteiskäyttömallien tavoitteena on maksimoida rajallisen radioresurssin hyötykäyttö. Konsepti on saanut vetovoiman langattoman datan kysynnän jatkuessa pilviin, jota ohjaa mobiililaajakaista, esineiden internet (IoT) ja missiokriittinen viestintä.

Taajuuksien yhteiskäyttöä on useita muotoja. []Lisensoitu jaettu käyttöoikeus (LSA)[[ sallii ensisijaisen vakiintuneen vakiintuneen (esim. satelliitti- tai sotilasjärjestelmän) radiotaajuuksien jakamisen toissijaisen lisenssinsaajan kanssa määritellyin edellytyksin. [ Luvaton yhteiskäyttö[], kuten 2,4 GHz:n ja 5 GHz:n taajuusalueilla toimiva Wi-Fi, mahdollistaa minkä tahansa teknisten sääntöjen mukaisen laitteen käytön taajuuksien käytössä. []Dynamic Spectrum Access (DSA)[[], joka antaa kognitiivisen radiotekniikan käyttöön ympäristön ja opportunistisesti käyttämättömän spektrin aistimisen.

Kanavakapasiteetti teoriassa ja käytännössä

Kun on kaistanleveys hertsissä, S/N]S/N on signaalin ja äänen välinen suhde. Väkijoukoissa on tehokas S/N.

Edistyneet tekniikat, kuten MIMO (monisyöttöinen monitehoinen tuotos)[] ja ]palkinmuodostuma muuttavat kapasiteettimaisemaa entisestään. MIMO voi hyödyntää tilakohtaista monimuotoisuutta palvellakseen useita käyttäjiä samanaikaisesti samalla taajuudella, tehokkaasti moninkertaistaen kapasiteettia. Taajuuksien jakamisessa MIMO-järjestelmät voivat myös auttaa lieventämään häiriöitä ohjaamalla ääniä interferensseihin. Yhteistoimintapolitiikkojen ja fyysisen tason teknologioiden välinen vuorovaikutus on ratkaisevan tärkeää kapasiteetin kasvun toteutumisen kannalta.

Miten taajuuksien jakaminen parantaa kanavan kapasiteettia

Taajuuksien käytön tehostaminen

Tutkimukset ovat osoittaneet, että monilla kaupunkialueilla toimiluvan saaneet taajuuskaistat ovat alikäytössä merkittävissä osissa päivää. Taajuuksien yhteiskäyttö mahdollistaa toissijaisen käyttäjän näiden aukkojen täyttämisen, mikä lisää merkittävästi kokonaisbittien määrää sekunnilta Hertz-yksikköä kohti. Esimerkiksi Yhdysvalloissa toimiva Citizens Broadband Radio Service (CBRS) -taajuusalue käyttää kolmitasoista yhteiskäyttökehystä, jonka on osoitettu yli kaksinkertaistavan taajuusyksikköä kohti toimitetun kapasiteetin verrattuna yksinomaisiin toimilupamalleihin.

Dynaaminen ja reaaliaikainen jako

Kognitiiviset radio- ja ohjelmistokohtaiset verkot mahdollistavat reaaliaikaisen mukautumisen liikenteen kuormituksiin. Täysikasvuisessa ympäristössä tukiasema voi dynaamisesti pyytää lisätaajuuksia yhteisestä reservistä, kun sen solu on ruuhkautunut, ja vapauttaa sen kysynnän laskiessa. Tämä kuormitus-mukautuva käyttäytyminen yhdenmukaistaa taajuuksien tarjonnan kysynnän kanssa maksimoimalla kuljetetun kokonaisliikenteen. Tällaiset mekanismit ovat keskeisessä asemassa []3GPP:n lisensoidussa Avustetussa käyttöliittymässä (LAA)] ja 5G:n Uusi radio-ei-lisensoitu (NR-U)[], jotka laajentavat solukapasiteettia yhdistämällä lisensoituja ja lisensoituja taajuuksia.

Häiriöiden välttäminen ja koordinointi

Nykyaikaiset yhteiskäyttöjärjestelmät käyttävät tietokantoja, taajuuksien havainnointia ja koordinointiprotokollia haitallisten häiriöiden välttämiseksi. Varmistamalla, että lähetykset tapahtuvat vain silloin ja kun ensisijainen käyttäjä on poissa, tehokas interferenssitaso pidetään matalana, säilyttäen korkean tason []S/N kaikille käyttäjille. Esimerkiksi []Geolocation Database -lähestymistapa, jota käytetään TV White Spaces -tilassa, mahdollistaa luvattomien laitteiden toiminnan vapailla televisiokanavilla aiheuttamatta häiriöitä, mikä johtaa merkittäviin kapasiteetin kasvuun maaseudulla ja syrjäisillä alueilla.

Tehokasta taajuuksien jakamista mahdollistavat keskeiset teknologiat

Useat teknologiset pilarit tukevat taajuuksien jakamisen käytännön toteutusta ruuhkaisissa ympäristöissä:

  • Kognitiivinen radio (CR):[ laitteet, joilla voidaan havaita RF-ympäristö, oppimismallit ja itsenäisesti valita taajuuksia ja lähetysparametreja. CR on DSA:n selkäranka ja mahdollistaa opportunististen kapasiteetin kasvun.
  • Lisensoitu jaettu pääsy (LSA) ja CBRS:[ Sääntelykehys, jossa yhdistyvät yksinoikeudet ja yhteiskäyttötakuut. CBRS:ssä taajuus Access System (SAS) koordinoi keskitetysti pääsyä kolmen tason välillä: vakiintuneet toimijat, Priority Access Licenses (PAL) ja General Authorized Access (GAA) käyttäjät. Tämän tasoisen lähestymistavan on osoitettu lisäävän kapasiteettia jopa 300 prosenttia tiheässä kaupunkikäytössä.
  • Häiriöntorjuntatekniikat:[] Edistyneet vastaanottimet, perättäiset häiriön peruutus ja koordinoitu monipistesiirto vähentävät jakamisen kielteisiä vaikutuksia. Näiden menetelmien avulla useat lähettimet voivat toimia samanaikaisesti ja kapasiteetin heikentyminen on mahdollisimman vähäistä.
  • Verkon viipalointi ja virtualisointi:[] 5G:ssä ja sen ulkopuolella verkon viipalointi mahdollistaa sen, että omat virtuaaliverkot voivat jakaa saman fyysisen infrastruktuurin ja taajuuksia. Jokaisella siivulla voi olla oma kapasiteettitakuunsa, mikä tekee jakelusta kannattavaa erilaisille palveluille EMB:stä URLLLC:ään.
  • Tekoäly- ja koneoppiminen:[] AI/ML-malleja käytetään yhä enemmän ennakoiviin taajuuksien hallintaan, liikenteen ennustamiseen ja reaaliaikaiseen häiriön luokitteluun. Nämä työkalut parantavat dynaamisen jaon tehokkuutta enemmän kuin mitä sääntöpohjaiset järjestelmät voivat saavuttaa.

Haasteet ja kompromissit kansoitetuissa ympäristöissä

Mahdollisuuksista huolimatta taajuuksien yhteiskäyttö tuo mukanaan useita haasteita, jotka voivat rajoittaa kapasiteettia, ellei niihin puututa:

  • Kiinnityskeräys:[] Tiheässä kaupunkiympäristössä, jossa on tuhansia laitteita neliökilometriä kohti, jopa monien toissijaisten käyttäjien pienet osuudet voivat yhdistyä merkittäviksi häiriöiksi, mikä vähentää S/N:a ja siten kapasiteettia sekä ensi- että toissijaisesti käyttäjille. Tarvitaan kehittynyttä tehonhallintaa ja sisäänpääsyn valvontaa.
  • Koordinaatio Yleiskatsaus:[ Usein käytävät neuvottelut, havainnointisyklit ja tietokantakyselyt kuluttavat aikaa ja energiaa. Erittäin dynaamisissa skenaarioissa tämä yleiskuvaus voi kompensoida jakamisen tuomaa kapasiteetin kasvua.
  • Turvallisuus ja luottamus:[ Huononlaatuiset käyttäjät voivat tarkoituksellisesti aiheuttaa häiriöitä tai parof-havaintotuloksia, heikentää kapasiteettia kaikille. Vahvat todennus- ja salausmekanismit ovat välttämättömiä.
  • Säänneltyjen sääntöjen hajanaisuus:[ Eri maissa on erilaisia yhteiskäyttösääntöjä, taajuuksia ja teknologioita. Tämä pirstoutuminen vaikeuttaa laitesuunnittelua ja maailmanlaajuista verkkovierailua ja voi hidastaa kapasiteetin lisäämiseen tähtäävien yhteiskäyttötekniikoiden käyttöönottoa.

Sääntely ja standardit Maisema

Taajuuksien yhteiskäyttö ei ole vain tekninen asia, vaan sitä muokkaa voimakkaasti politiikka. Yhdysvaltojen [liittolainen viestintäkomissio (FCC)[] on edelläkävijä CBRS-järjestelmässä ja avannut enemmän taajuuksia lisensoimattomalle yhteiskäytölle 6 GHz:n taajuusalueella. [Kansainvälinen televiestintäliitto (ITU)[] antaa maailmanlaajuisia suosituksia, kun taas alueelliset elimet [ CEPT[]] yhdenmukaistaa yhteiskäyttötapoja Euroopassa. []3GPP[[] -standardit sisältävät NR-U:n, eLAA:n ja integroidun käyttöoikeuden ja Backtruil (IAB) -periaatteen.

Tulevat Suuntaukset ja kehittyvät suuntaukset

.AID-lähtöinen taajuushallinta[ lupaa vähentää koordinointia yleisissä taajuuksissa ja parantaa häiriöennusteita, mahdollistaa aggressiivisemman jakamisen ilman kapasiteetin menetystä. 6G-tutkimus[ edellyttää tehokasta yhteiskäyttöä avaruuden ja maajärjestelmien välillä, lisätäkseen uuden monimutkaisuutta ja lisätäkseen kapasiteettia. -yhteisten viestintä- ja anturimuotojen uusien muotojen avulla voitaisiin myös optimoida kapasiteettia. Avoin RAN[[] ja eriytettyjen arkkitehtuurien avulla voidaan käyttää joustavammin useita anturien yhteiskäyttöratkaisuja.

Päätelmät

Taajuuksien yhteiskäyttö on tehokas väline kanavan kapasiteetin parantamiseksi ruuhkaisissa radioympäristöissä. Kun mahdollistetaan alikäytettyjen taajuusalueiden tehokkaampi käyttö, kysynnän dynaaminen kohdentaminen ja kehittynyt häiriöiden hallintatekniikka, yhteiskäyttö voi lisätä bittiä sekunnilta toimitettua taajuusyksikköä kohti. Näiden hyötyjen toteuttaminen edellyttää kuitenkin sääntelypuitteiden huolellista suunnittelua, kognitiivisten ja tekoälyteknologioiden käyttöönottoa sekä jatkuvaa sopeutumista muuttuviin häiriö-olosuhteisiin. Langattomien verkkojen tiheytyessä ja heterogeenisempien taajuuksien jakaminen ei ole vain vaihtoehto vaan välttämättömyys kapasiteettivaatimusten täyttämiseksi.