无线通信中频谱资源基本知识

在无线传输中,无线电波工作的频段(一般为 3kHz~300GHz)统称为无线电的频谱.频谱被划分为不同的射频频段(radio frequencies),包括授权频段和非授权频段.作为一种重要而稀缺的资源,各频段的使用场景已基本被规定完毕.授权频段通常由ZF机构掌控并分配给持有使用权的机构或服务,如移动通信运营商、雷达、无线电广播等.非授权的频段为开放频段,不需要授权即可在一定功率内使用,如无线局域网、蓝牙、微波炉等均工作在非授权频段.IEEE 802.11 无线局域网目前主要使用两个非授权频段:2.4GHz 的工业、科研、医疗(ISM)频段及 5GHz 的非授权国家信息基础设施(U-NII)频段[1,2]. 无线网络的带宽与传输所用的频谱宽度直接相关,频谱资源的受限导致了带宽增长受限.当前,无线带宽难以应对激增的移动数据流量需求[3],运营商普遍采用增加网络设施(如基站及接入点等)缩小频谱的共享范围,从而承载更多的数据流量.然而,这种方式仍然难以满足迅速增长的流量需求,还可能带来严重的干扰以及巨大的能耗问题[4].因此,能否通过机会地利用和使用新的频段来进一步提高无线带宽,成为备受关注的热点.美国联邦通信委员会(FCC)的报告[5,6]表明:授权频谱的使用具有时域和空域动态性,频谱利用率差异大,从 15%~85%不等,低于 1GHz 的很多频段大部分时间是空闲的.在欧洲的部分国家也有相关测量结果.这些结论均显示,很多授权频段并没有被充分利用,因此,工业界和学术界开始关注机会地使用一些授权频段进行无线传输.2008 年, FCC 批准了“白空间”计划,即,开放境内曾经分配给模拟电视及无线麦克风的授权频段.这些频段可以用于无线通信,但需避让传统的授权用户,也称为主用户(TV、无线麦克等)[7]. “白空间”频段的开放,为无线通信提供了更多的可用频谱.截止到目前,FCC共开放了 30个 6MHz宽的信道,未来还有可能开放更多可用频谱.然而,相对于日益增长的网络流量,当前的频谱资源仍非常有限.因此,提高资源的利用率成为增加有效频谱带宽的要素,而频谱的动态使用则是提高利用率的关键.此外,“白空间”频段的特性本身就要求非授权用户机会地、动态地使用,从而能够避让主用户.这首先需要物理层足够灵活,能够支持动态频谱使用.目前较为公认的能够利用“白空间”频段进行通信的物理层技术为软件定义无线电(SDR)[8],SDR 被认为是未来无线网络的主流物理层技术,其主要目标是:通过软件动态地调整硬件参数,使得物理层甚至 MAC层具有可编程的特性.软件定义无线电的终端具有动态切换通信频段的能力,但这并不意味着网络里的终端能 够高效地共享频谱资源.因此,如何将软件定义无线电的设备组织起来,合理规划和动态共享频谱资源,提高网络资源利用率,是当前研究的重点与难点.