美国1000MHz宽带频谱共享计划浅析

引言

近年来，伴随着无线技术的快速发展，智能手机、平板电脑等设备使得移动信息接入逐步成为我们生活的中心。未来，无线频谱接入将成为全球经济增长和技术引领的重中之重。从2008年到2011年，全球移动数据连续四年实现翻倍增长。到2020年，全世界连接到移动网络的设备数量预计增长到500亿。届时，无线技术将扩大和催生更多的无线业务，在全球将产生约4.5万亿美元的经济收益，从而使得无线频谱的商业接入产生空前的需求[1]。频谱的短缺会影响美国工业在世界范围内的竞争力。

为了提升美国经济竞争力，创造就业机会，激发创新，加强国防，总统奥巴马于2010年发布了 "释放无线宽带革命"计划[2]。该计划要在10年内将腾出500MHz频谱，用于商业的移动和固定无线宽带业务。但美国国家和电信管理局（NTIA）研究发现，清除现有业务系统，重新分配联邦频谱是不可行的，这会带来高成本开销、漫长的执行时间，甚至影响现有联邦业务系统的运行。仅在1755-1850Mhz回收95MHz频谱就需要耗费10年时间和180亿美元。

现今的频谱短缺，是由于频谱未被充分管理所造成的。如果美国扩大对联邦频谱的管理范畴，使频谱变得可重复使用或可经常性的重新发放执照，便可以将频谱资源从稀缺变为富足。另外，现行频谱细碎的静态划分和独占使用方式也导致了频谱使用的低效和人为稀缺性。

针对美国频谱使用现状，弥补现行政策的不足，有效解决"频谱短缺"问题，促进美国经济发展和确保世界领先地位，美国总统科技顾问委员会（PCAST：President’s Council of Advisors on Science and Technology）提出频谱高速公路计划，该计划预计可以使现有频谱容量扩大1000倍。

频谱高速公路概念

频谱高速公路计划是确定1000MHz的联邦频谱，通过改善频谱管理手段，实施新的频谱结构和无线电系统架构，使不同无线业务在一段频谱内形成动态共享，从而极大提高频谱的使用效率。

将无线通信和公路运输做类比，宽带频谱可看作高速公路，不同无线业务可看作是在高速公路上行驶的车辆（如"联邦政府车辆"和"商用车辆"），频谱动态共享可看作机动车可以从一条车道切换到另一条车道。频谱管理系统可看作交通规则和指挥系统，不同无线业务应遵守一定的管理规则，才能避免碰撞，有效共享。例如可以设置"无线信号灯"管理频谱接入，另外出于国家和公共安全方面的考虑也可限定政府使用优先于商业使用。

根据美国频谱现有业务分配情况、频谱属性以及传播特性，PCAST建议选用2700-3700MHz的联邦频谱建立第一个频谱高速公路，并以3550MHz～3650MHz作为验证频段[3]。

频谱高速公路与国家宽带计划不同的是尽量保证现有无线业务不发生改变，其他业务通过新的管理机制有秩序的接入使用。其重要特征为频谱的共享使用而不是独占，通过大的频带划分，使其可容纳各种兼容性应用以及各种适合宽带的新技术应用。

频谱高速公路的基本理念

要实现1000MHz联邦频谱的共享的频谱高速公路，首先是将现在联邦频谱小而精的划分方式改为百兆赫兹级以上的大带宽的划分。这样可以更容易使频谱共享形成规模，但需要各联邦机构的参与合作；其次需要建立等级接入制度和频谱接入系统，以保障联邦业务系统不发生改变，并使不同等级的无线业务形成有效共享，扩展频谱容量；再次，还需要确立接收机管理框架，逐渐提高用频标准，提高邻频带的可用性；最后，为支撑频谱高速公路计划，现有简单计算频谱效率已不再适用，需要一种更全面的评估频谱使用的方法，注重频谱使用的实际效益。

（一）频谱结构转变

为实施频谱高速公路计划，实现宽带频谱动态共享，需要新的频谱结构支撑。

首先，实现频谱共享要求频谱结构向大频谱带宽的划分转变，并将频谱使用作为系统工程，而不能将频谱活动进行细致分类。新的频谱结构的调整将有助于解决由于缺乏宽带频谱而无法研制大带宽、低功耗设备的问题。从而促进相关新技术的实现和应用。反过来，此类新技术的不断涌现又会进一步促进新的频谱结构的形成。除此之外，宽带频谱还有助于可以减少邻道干扰，保持邻道的兼容性。

其次，提高频谱利用率要求频谱结构向高频段、微小区转变。由于高频率对空气和建筑物的穿透性较差，因此适合小范围的传输覆盖。而微小区的部署使得给定频谱更加容易实现空间复用，并且微小区也更适合现代的收发一体的通信设备。虽然微小区需要更多的设备，但是随着无线设备功耗的下降以及数据速率的增长，这将不再是问题。

Wi-Fi的迅速崛起证明了新的频谱结构的诸多优点。首先是对干扰的容忍度的提高，即在同一区域可以同