国内外频谱管理与优化的研究

一、频谱使用的现状

近年来，无线通信产业正在飞速的发展，越来越多的用户数量和更好的服务质量（Quality of Service，QoS）需求成为无线产业向前发展的源动力。因此在诸如家庭、办公室以及公共场所等多种环境当中，与无线通信相关的新技术、新设备以及新业务也一个接一个地接踵而至，这种场景使我们期待的无处不在、无时不在的泛在通信网络有望在不久的将来成为现实。与此同时，随着用户数的增加，无线频谱的需求量也正在急剧增加。

根据Report ITU-R M.[IMT.ESTIMATE]对未来频谱需求的估计，到2020 年，按照两个运营商计算，IMT-2000和IMT-Advanced总的频谱需求范围是1440~1760MHz，最低的频谱需求也要1440MHz。

按照我国的业务和市场预测情况，根据ITU-R M.[IMT.METH]建议中定义的计算方法，可以得出我国到2020年总的频谱需求约为1360MHz。其中IMT-2000及其增强型系统的频谱需求为560MHz，IMT-Advanced频谱需求达到了800MHz。

目前世界各国的频谱管理方式主要采用官方指配和公开拍卖方式，在不同无线业务使用频段的分配上，基本上是各国无线电管理机构根据法定无线电业务的技术特点、业务能力、带宽需求等因素，以固定频段来进行指配，因此可以认为无线电频谱是一种有限的资源。随着频谱资源消费者数量的不断增加，这种宝贵的无线资源最终将会耗尽。

最近业界已形成一个共识，那就是可用的无线电频谱资源几乎已经被分配完毕。图1是美国的频谱分配情况，图2是中国目前的频谱分配情况。可以看出几乎所有的频谱都已被授权业务所占用，在世界上其它国家也存在类似的情况。新的无线业务为了获取可用的频谱资源，已经花费了数千亿美元的投入，如欧洲和亚洲的3G频谱的拍卖。

图1、美国的频谱分配图

图2、中国的频谱分配图

这种不断增加的业务带宽需求和有限的无线频谱资源之间的矛盾变得越来越突出，似乎“频谱匮乏”的问题最终将会毁掉我们泛在网络的美好未来。随着技术的发展和业务需求的变化，固定频段指配的方式逐渐显示出了其固有的弊端。在某些热点业务的频段内（如蜂窝移动通信频段），频段变得相当拥挤，频谱资源供不应求；而在其它的一些频段（如广播电视频段），则存在时间和空间上的大量频谱闲置的现象。

图3是中国南方的某大城市一个地点7天24小时的测量结果。测量结果表明，即使在最拥挤的蜂窝移动通信频段，也存在个别时段上的大量闲置。

图3、国内某城市一周之内的频谱占用情况

二、国内外关于频谱管理与优化的研究

有限的频谱资源和频谱利用效率的低下使得人们开始重新考虑传统频谱政策的有效性。固定频谱分配政策在过去很长一段时间内起到了很好的作用，然而随着适合移动业务的频谱接入量的快速增长，已经开始阻碍产业的发展。因此，当前所面临的频谱匮乏实际上并不是可用频率物理上的稀缺，而是频谱管理政策产生的桎梏，似乎用“接入匮乏”描述当今频谱使用的状况更为合适。

频谱使用的不平衡性，部分频段利用不充分，另一些频段则过分拥挤，激发人们在工程、经济和管理领域去寻找更好的频谱管理政策，一些更为灵活和有效的频谱管理思想被提了出来。“开放频谱”的概念的提出，目的是使用新的技术和标准，动态地管理频谱接入，实现频谱共享，以代替当前政府“指令式”的静态频谱分配方式。美国国防部高级技术研究计划署（Advanced Research Projects Agency，DARPA）关于“动态频谱接入（Dynamic Spectrum Access，DSA)”网络的方法，旨在通过动态地重新分配已有的频谱资源，大大改善现有军事通信在全球范围内军事部署的性能。IEEE 802.22工作组正在制定的针对无线区域网（Wireless Regional Area Network，WRAN)的新标准，主要任务是利用现有的UHF/VHF电视波段的空闲子带进行通信，建立固定的点对多点的WRAN系统。

寻求如何有效提高无线频谱利用效率，探索新的动态、合理的无线频谱管理方法，开发促进新的智能设备的先进技术，满足人们日益增长的对通信业务多样性、宽带性的和高服务质量的需求，为运营商提供降低运营成本、扩大运营收益的合理化建议，已成为当今国内外研究机构及广大学者研究的焦点。