频谱共享趋势和进展

频谱资源是运营商最重要的资产之一，不断提升频谱利用率是运营商一贯的诉求。近年来移动数据业务呈现高速增长趋势，根据相关数据统计，截至2018年8月底全球移动用户达88亿户，移动用户渗透率平均超过100%。与此同时，2018年6月，3GPP Rel-15 NR规范冻结，标志着5G标准化的第一阶段完成，为5G的网络部署奠定基础。预计到2023年，5G用户将达到10亿。随着宽带无线业务的快速增长，对频率资源的需求大幅增加，根据ITU预测，2020年国际移动通信（IMT）频率需求将达到1340MHz~1960MHz，我国2020年移动通信频率需求为1490MHz~1810MHz。未来频率资源的供需矛盾将非常突出。

由于历史原因，运营商往往同时运营多个制式的网络，5G部署后，会存在2G、3G、4G、5G同时运营的场景。随着移动宽带网络业务流量需求的不断增加，运营商2G/3G网络重耕到4G，从4G重耕到5G，已是大势所趋。如何从运营商的现有频谱资源挖掘更多潜力就成了业界普遍关注的议题。传统运营商多制式网络中每个制式都需要固定占用一定的频谱资源，每个制式所需的频谱资源与其最大话务容量相关，虽然不同制式业务负荷的潮汐特性不同，但由于每个制式都独占频谱，不同制式间的频谱不能错峰共享使用，导致了频谱资源的严重浪费。频谱共享技术能够实现在同一频段按需、动态地分配频谱资源，成为运营商的必然选择。

动态频谱共享成研究热点

为了让频谱重耕后每个制式的网络还能保障其峰值业务容量对频谱资源的要求，不同制式间的频谱共享技术是关键。随着业界对频率共享技术研究的逐步深入，频谱共享技术已经成为业界解决频谱供需矛盾的重要手段，并在运营商频谱重耕（Refarming）阶段发挥关键作用。

业界频谱共享技术一般分为静态频谱共享和动态频谱共享，静态频谱共享一般适用于3G/4G网络的频谱共享，例如UMTS和LTE的频谱共享或CDMA和LTE的频谱共享。静态频谱共享的频谱利用效率提升是有限的，为了进一步提升频谱利用效率，动态频谱共享逐渐成为业界研究的热点。

动态频谱共享实现了不同制式网络根据自身业务状况，动态申请和释放频谱资源，大幅提升整体频谱利用率。与传统的静态重耕相比，动态共享类似于多家航空公司之间共享航班代码，航空公司各自利用自己的售票渠道销售机票，而实际由一架飞机执行航班，提高一次航班飞行的上座率。以4G/5G动态频谱共享为例，5G初期，如果从4G原有频谱分割部分频谱用于部署5G，一方面会直接造成4G可用频谱减少，另一方面,可能面临商用终端较少，5G业务较少的问题，分配的频谱极有可能被浪费。此时，可以采用4G、5G动态频谱共享技术。业务信道，在保证一定的5G业务体验的前提下，4G剩余频谱，5G可以直接使用；非业务信道，5G摈弃了4G“alway on”小区公共信号和信道设计，其控制信道、广播信道、主辅同步信道均可灵活地配置于时域和频域，因此，5G小区可以在不影响4G小区的前提下，避开LTE相关信道，避免制式之间的相互干扰。

频谱共享的技术挑战

尽管频谱共享方案对运营商来说非常有吸引力，但在技术上仍面临不少挑战 ，主要是信道间干扰问题。以4G/5G动态频谱共享为例，4G为宽带系统，信道配置相对粗放，控制信道、导频等均为全频带映射，而5G也为宽带系统，同样存在各类物理信道，如何既能完美解决两种制式之间的各种物理信道的干扰，又能提升业务信道在共享频谱上整体频谱利用率，需要有统筹合理的算法支撑。此外，4G采用固定的15kHz的子载波间隔，而5G则支持不同参数集（numerology）的混合使用，即允许配置不同的子载波间隔。不同的子载波间隔破坏了子载波间的正交性，NR通过OFDM信号的windowing/filtering技术降低了符号间干扰，但LTE没有windowing/filtering技术，导致4G与5G进行频谱共享时，如果5G配置不同于15kHz的子载波间隔时，会对LTE产生干扰，引起LTE的系统性能损失。

非授权频谱上的频谱共享

随着4G的后续演进和多载波聚合技术的发展，对频谱资源的诉求会越来越多，3GPP协议也在频谱共享方面做了很多的探索和研究。例如LTE-A中的LAA技术本质上就是一种频谱共享技术。

LAA技术是指通过授权频谱和非授权频谱之间进行载波聚合来提升LTE的下行速率。非授权频谱是指5.8GHz频段上无需牌照的频谱，通常是WiFi等设备在使用，LTE使用此频谱的前提是必须能和WiFi一样公平地使用该段频谱，不能抢占或独占频谱资源。为此3GPP定义了LBT（Listen Before Talk）技术，通过LTE在占用5.8GHz频谱之前先对信道进行侦听，当无其他用户使用时才允许使用该频谱，确保频谱使用的合理公平。通过使用非授权频谱使LTE的可用频谱资源大大扩展，并逐渐在无线运营商的网络规划中凸显其重要地位，比如利用5GHz非授权频谱来运营LTE专网业务。另外终端芯片产业链也逐步增强了对LAA的能力支持，目前T-Mobile和AT&T都在对LAA进行测试，而T-Mobile US有望将LAA与新的小型基站相结合。 

新的共享频谱资源的挖掘

在频谱资源竞争越发激烈的环境下，许多国家都在推动频谱共享技术。例如美国政府与运营商已开始推动利用数字电视逐步取代模拟电视后所空出来的TVWS频段，以及过去主要由美国军方使用的3.5GHz CBRS（CiTIzens Broadband Radio Service）频谱，以缓解频谱资源稀缺且日益拥塞的压力。

美国联邦通信传播委员会（FCC）于2015年4月宣布释出位于3550MHz～3700MHz，带宽为150MHz的市民宽带无线电服务（CBRS）频段。FCC采用三层式频谱访问架构释出该频段使用权，这意味着任何人都有机会利用该频段，同时每层用户具有不同的优先权，同时支持有照和无照使用。根据共享协议的规定，海军雷达系统、无线网络供应商和地球同步卫星供应商必须受到保护。

5G时代的频谱共享展望

5G系统具有低时延大容量的特点，但同时也是消耗频谱资源的大户，未来5G系统，多制式网络频谱融合技术被视为5G系统的关键能力。通过精细化管理，实现高、中、低频段的频谱共享，从而提高频谱利用率，是缓解频谱供需矛盾的重要手段。

为了使5G可以使用低频段频谱来实现广泛的区域覆盖，如果监管部门没有为5G准备新的低频段频谱，则必须将现有的4G迁移到5G。迁移方案之一，是在减少4G所占的带宽资源后，把腾出或者释放的低频段资源用于5G商用网络的建设，但是如此一来，4G网络和5G网络，就各占一段低频段的频谱资源，对于两者而言，容易造成移动数据量和需求之间的不平衡，进而对4G、5G网络的频谱利用效率、用户峰值吞吐造成不良的影响。所以需要实现在同一频段，按需、灵活动态地分配频谱资源，即实现频谱共享。

5G所使用的中高频段的电波传播特性有利于实现频率复用和系统共存，5G系统采用的大规模天线阵列波束赋形技术也为频率共享提供了新的实现手段。例如美国为5G划分的频率中，有一些高频资源已经有卫星业务在使用，为此其在技术、操作层面及规则制定上采取了一些措施，包括控制在许可牌照区域内地球站的数量和设台位置，实现卫星业务和IMT业务的频谱共享。

通过频谱精细化管理，可以在频域、时域、空域多个维度实现频谱共享。例如5G的重要应用之一无人机联网，就可以通过在不同高度空域进行合理的频率共享规划，并基于业务负荷和干扰特性测量在各个空层之间进行频域和时域上的协同，并结合动态频率选择和功率自动控制功能，采取动态共享的方式，显著提高和改善频谱利用率。

频谱共享不但是无线网络的重要发展趋势，而且将会在未来的5G建设中发挥越来越重要的作用。