分享光谱的基本原理

频谱共享是指多个无线系统,运营商,或用户同时或协调地访问同一频段的做法. 与传统的独家许可不同,一个实体拥有对一组频谱的权利,共享模式旨在最大化有限无线电资源的用途. 这一概念随着对无线数据的需求不断飙升而获得牵引力,驱动的有移动宽带,Things(IoT)互联网,以及任务关键通信.

频谱共享有几种形式. Licensed shared Access(LSA)允许初级机组(如卫星或军事系统)在规定条件下与二级许可证持有者共享频谱. 无许可证共享,如运行在2.4GHz和5GHz频段的Wi-Fi,允许任何设备遵守技术规则使用频谱. Dynamic Spectrum Access(DSA) 利用认知无线电技术来感知环境和机会获取未使用的频谱. 每个模型都呈现效率,干扰风险和监管复杂性之间的不同权衡.

理论和实践方面的频道能力

香农-哈特利定理为信道容量提供了理论基础: C = B log2(1 + S/N) ,其中C 以位数表示每秒容量,B 在赫兹带宽,S/N ]是信号对噪声比。在拥挤的环境中,有效的S/N 由于其他用户的干扰而退化,Spectrum共享直接影响到[B (可用带宽)和S/N]]](干涉级别)。当共享管理不善时,干扰主导和能力崩溃。当共享是智能和适应性时,总系统容量可以超过固定分配,因为需要最需要使用频谱。

先进技术,如 MIMO(多输入多输出)和 变形进一步改变能力面貌. MIMO可以利用空间多样性同时在相同频率上为多个用户服务,有效乘积能力. 在频谱共享背景下,MIMO系统还可以通过引导无源干扰者来帮助减少干扰. 共享政策和物理层技术之间的相互作用对于实现能力增益至关重要.

频谱分享如何提高频道容量

提高频谱利用效率

研究表明,在许多城市地区,有执照的频谱在当今相当大一部分时间里没有得到充分利用. 光谱共享允许次级用户填补这些空白,大幅提升了每秒/赫茨总比特(bits-per-second-per-Hertz)的度量,例如,美国公民宽带无线电服务(CBRS)频带(3.5 GHz)采用三级共享框架,与专属许可模式相比,该共享框架已经显示每个频谱单位的容量翻了一番以上.

动态和实时分配

认知式无线电和软件定义的网络可以实时适应流量负荷。在拥挤的环境中,一个基站可以在充电时动态地请求共享电池中的额外频谱,并在需求减少时释放。这种负载适应行为使频谱供应与需求相匹配,最大限度地增加总载流量。这种机制是3GP的许可辅助访问(LAA)和5G 新无许可证无线电(NR-U)的核心,后者通过集集许可和无许可证的频谱来扩展蜂窝容量。

干涉避免和协调

现代共享系统使用数据库,频谱感知和协调协议来避免有害干扰. 通过确保传输只在主用户缺席时和不在时才发生,有效干扰底线保持低,为所有用户保留高S/N. 例如,电视白空域使用的Geolocation数据库[方法使得无许可证设备能够在空闲的电视频道中运行,而不会造成干扰,在农村和偏远地区取得了显著的能力增益.

主要技术 能够高效分享光谱

几个技术支柱支持在拥挤的环境中切实实施频谱共享:

  • 认知无线电(CR): 能够感知RF环境,学习规律,自主选择频率和传输参数的装置. CR是DSA的支柱,能够实现机会性容量增益.
  • 有限共享访问(LSA)和CBRS: 将专有使用权和共享保障相结合的监管框架,在CBRS中,Spectrium访问系统(SAS)集中协调了三个层级的接入:现任者、优先访问许可(PAL)和一般授权访问(GAA)用户,这一分级方法在密集的城市部署中显示,容量将增加多达300%。
  • 干涉缓解技术:高级接收算法,连续的干扰取消,以及协调的多点(COMP)传输,可以减少共享的负面影响,这些方法允许多个发射机同时运行,同时最小的容量下降.
  • 网络切换和虚拟化:[在5G及以后,网络切换使专用虚拟网络能够共享相同的物理基础设施和频谱. 每个切片都可以有自己的能力保障,使得从eMBB到URLC的各种服务共享是可行的.
  • 人工智能和机器学习:[ AI/ML模型越来越多地用于预测频谱管理,流量预测,以及实时干扰分类. 这些工具提高了动态分配的效率,超出了基于规则的系统所能达到的目标.

拥挤环境中的挑战和权衡

尽管有潜力,但频谱分享带来了若干挑战,如果不加以解决,这些挑战可以限制能力:

  • 干涉累积: 在每平方千米有数千个设备的密集城市环境中,即使许多二级用户的小贡献也能聚合成显著的干扰,从而降低了S/N,从而降低了初级用户和二级用户的能力,需要精密的电源控制和进场控制.
  • 协调 间接费用: 频繁的谈判、感知周期和数据库查询消耗时间和精力。 在非常动态的情景中,这种间接费用可以抵消分享能力带来的收益。
  • 安全和信任: 恶意用户可能故意造成干扰或感知结果,降低每个人的能力. 强力认证和加密机制是必要的.
  • 监管分裂:[ 不同国家有不同的共享规则,频段和技术。 这种分裂使设备设计和全球漫游复杂化,并可以减缓采用能提升能力的共享技术。

法规和标准

光谱共享不仅仅是一个技术问题,它受到政策的影响很大。在美国,联邦通信委员会(FCC)率先建立了CBRS框架,并为6GHz频段的无证共享开辟了更多的频段。这些监管和标准的发展对全球建议产生了直接影响,而诸如CEPT等区域机构协调了欧洲的共享方法。 3GPP标准包括了NR-U、eLAAA、以及综合接入和Backhaul(IAB),它们依赖于共享原则。这些监管和标准的发展对在实践中从共享频段中提取多少能力产生了直接影响。

未来方向和新趋势

拥挤环境中频谱共享的未来将受若干趋势的左右。 AI驱动的频谱管理[承诺减少协调间接费用和改进干扰预测,从而能够更主动地共享,而不会丧失能力。 6G研究[6G,设想由于传播挑战,共享亚THz频段将必不可少,而新形式的联合通信和感知[可以进一步优化能力。 开放RAN[和分类结构将允许更加灵活地部署多供应商共享解决方案。最后,[综合卫星-地球网络将需要空间和地面系统之间高效共享,增加另一个复杂程度和增强能力的机会。

结论

光谱共享是改善拥挤的无线电环境中的信道能力的有力工具。 通过更有效地使用利用率不足的波段、基于需求的动态分配和先进的干扰管理技术,共享可以增加每秒发送的比特数。 然而,实现这些收益需要精心设计监管框架、部署认知和AI技术以及不断适应不断变化的干扰条件。 随着无线网络密度的加大和更加多样化,光谱共享将不仅仅是满足能力需求的一个选项,而且是满足能力需求的一个必要条件。