频谱管理的现状及其发展概述及企业文化制度

频谱管理的现状及其发展概述摘要：本文对当前频谱管理的现状及其未来的发展进行了简要的概述。当前的频谱管理既有其优越性，同时又具备一定的局限性。尤其是随着通信业务的不断增长，当前的频谱管理已不能满足通信发展的需求，一些新技术的出现对频谱管理产生了重要的影响。关键词：频谱管理；频谱利用率；频谱分配；认知无线电

引言随着无线通信技术的不断发展，对无线电频谱的需求也在不断增长。各种民用无线通信设备，如广播电视、移动通信、卫星通信等都占用了大量的可用频谱。另外，军队对频谱资源的需求也越来越大，这必将导致可用频谱资源的日益紧张，同时大量的无线设备也将给频谱管理带来困难。当前的频谱管理主要采用固定频谱分配策略，即频谱资源被分配给固定的授权用户，这带来了一定的好处，能够有效避免各个用户之间过多的干扰，但同时也带来了另外一个问题，即频谱资源的严重浪费。根据美国联邦通信委员会（FCC）的一份报告显示，分配给授权用户的频谱使用率仅在15%~85%之间。因此有必要对当前的频谱管理策略进行修订，各种新技术的出现也为频谱管理的改革带来了条件。频谱管理的必要性无线电频谱是一种有限的、不可再生的自然资源，同时也是宝贵的战略资源，各个国家都十分重视并加以珍惜和充分利用。随着无线通信技术的发展和人们对无线通信业务需求的不断增长，无线用频设备的数量越来越多。在民用领域，各种通信设备，如移动通信、广播电视、卫星通信等都占用了大量的可用频谱；在军事领域，未来战场将配备大量的无线通信、雷达、导航以及各种电台设备，具有装备数量多、种类全、电台密度大、程式复杂、电磁环境变化节奏快等特点，从而使得有限的频谱资源显得越来越拥挤。如果不进行频谱管理，势必会造成通信干扰，联络不畅等问题，从而影响整个战局的成败。典型的例子是在海湾战争中，尽管美军拥有绝对优势的先进抗干扰体制和技术的无线电通信系统，但为了防止自我干扰，提高无线通信系统整体抗干扰性能，充分发挥效能，美军对多国部队的无线电通信系统实施了统一的频谱管理，保证了各种无线通信设备之间协调工作，从而确保了战争的胜利。因此，对频谱资源和用频设备实施科学、有效、统一的管理，提高频谱利用率和频谱管理能力是非常必要的。当前频谱管理的现状与不足为了进行有效的频谱管理，国际上有一些组织，如国际电工技术委员会（IEC）和国际电信联盟（ITU）等，都一直致力于频谱相关标准、协议的制定和研究工作。各个国家也都设立了专门的频谱管理机构。在美国，频谱管理由两个部门共同承担，一个是联邦通信委员会（FCC），主要负责规划联邦政府用户的无线频谱使用；另一个是美国国家电信与信息管理局（NTIA），主要负责管理联邦政府用户的无线频谱使用。在欧洲，也存在着两个频谱管理机构，一个是欧盟（EU），另一个是欧洲电信联盟（CEPT）。从广义上讲，这些机构都可以看成是ITU的本地版本，它们负责的工作更为具体。目前，世界上大多数国家的频谱管理都采用固定频谱分配策略。频谱资源由政府部门管理并分配给固定的授权用户，这能够确保各个用户之间避免过多的相互干扰，同时使得用户能够在一个稳定的环境中更好的利用频谱。然而，随着频谱使用需求的不断增长，这种固定频谱分配策略的缺点也越来越明显，已经不能满足日益发展的通信需要了。频谱资源一般可以分为两类，一类是受到严格限制和保护的频谱，只允许授权用户及其符合规范的设备接入，并且用户要为此进行付费，我们称之为授权频谱；另一类是开放的频谱资源，满足某一规范和标准的设备都可以接入和使用该频谱，但必须保证不对其他用户造成干扰，我们称之为未授权频谱。最近的研究表明，仅有一小部分授权频谱被充分利用，而大部分未授权频谱的使用却非常拥挤。图2显示了某一频段内的频谱资源利用情况，充分反映了这一点。从图中可以看出，一部分频谱资源的使用竞争非常激烈，另一部分的频谱资源处于部分占用状态，而还有一大部分的频谱资源处于完全空闲状态。这充分说明并不是当前的频谱资源不够，而是很大一部分频谱资源没有充分利用，从而造成了目前这种频谱资源紧张的局面。图1某一频段的频谱资源利用情况影响频谱管理的新技术传统的无线电通信一般假设接收装备是“哑的”，从而限制了区分信号与背景噪声的能力，唯有增加发射功率才能获得正常通信。很多学者都认为目前的频谱管理系统已经过时，因为其还是基于早期的管理模型。随着信号处理芯片处理速度的不断增加，接收装备通过信号处理已经可以不用继续增加发射功率就可以从背景噪声中分离出有用信号。因此很多新技术将能够得以实现。同时新技术的出现将影响和改变频谱分配的规则，包括超宽带、智能天线、Mesh网络以及认知无线电技术等。4.1超宽带（UWB） 直接序列扩频（DSSS）、跳频（FH）以及OFDM都能够增加用户的频谱效率，但都需要发射载波进行信号调制。超宽带技术与这三种载波通信技术相比，有其独特之处。它是一种无载波通信技术，利用纳秒甚至微妙级的非正弦窄带脉冲传输数据，因此信号更容易生成，占用的频谱范围很宽。超宽带利用脉冲来发送数据，脉冲信号的持续时间很短，且无需载波，因此系统的功耗很低，实现同样传输速率时超宽带的功耗仅是传统技术的1/10~1/100。超宽带系统的发射功率谱密度非常低，通常情况下其功率谱密度低于自然的背景噪声，从背景噪声中将脉冲信号检测出来非常困难，因此被截获的概率很小，安全性很高。这也意味着超宽带系统可以与授权用户共享频谱而不会引起对授权用户的干扰。另外，超宽带系统具有很强的抗多径能力和穿透能力，并且可在室内和地下进行精确定位，定位精度可以达到厘米级。智能天线超宽带以及其它扩频技术是通过改变数据传输方式来提高频谱效率。然而，提高无线电网络容量和可靠性很大一部分取决于天线的处理能力。天线在无线通信中起着至关重要的作用。智能天线的引入则大大改善了无线通信系统的性能。智能天线有诸多优点，主要体现在以下几个方面：1）抑制干扰信号。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波，它通过对天线阵元的激励进行调整，优化天线阵列方向图，将零点对准干扰方向，抑制接收方向以外的信号，大大提高阵列的输出信噪比，提高了系统可靠性，降低了干扰，同时减少电磁环境污染。2）抗衰落。智能天线可以控制接收方向，自适应的构成波束的方向性，降低了信号衰洛的影响。3）提高频谱利用率，增加系统容量。智能天线通过空分多址，将天线的收发限制在一定的方向角范围内，使得空间资源的交叠最小，干扰最小。对于给定的频谱带宽，则系统的容量越大，频谱利用率越高。4.3无线Mesh网络 无线Mesh网络又称为无线网状网、无线网格网，它是一种与传统网络完全不同的网络。传统的无线接入技术中，主要采用点到点或点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构一般都存在一个中心节点，例如移动通信系统中的基站、802.11无线接入网（WLAN）中的接入点（AP）等。中心节点与各个无线终端通过单跳无线链路相连，控制各无线终端对无线网络的访问。而无线Mesh网络采用的是多点到多点的网络拓扑结构，在这种网络结构中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连。 无线Mesh网络的优点是很明显的。首先，随着用户的增加，Mesh网络可以很自然地得到扩展，由于不需要中心节点，可以极大地减少整个网络扩建的成本。而且，随着用户数的增加，它不像传统的无线通信业务那样减少系统带宽，而是增加了系统带宽。Mesh网络对频谱管理也存在着几个关键的影响，由于信号无需很大的功率就可以到达另外一个节点用户，因此无线Mesh网络减小了长距离无线传输的需求，这意味着与当前的很多无线通信技术相比，Mesh网络可以在更高的速率和更短的频率范围内进行工作，用户之间数据传输的最小范围需求甚至可以对超宽带等技术开放。随着软件无线电技术的发展，无线Mesh网络渐渐走向实用化，很多关键技术可以通过软件进行重新配置。4.4认知无线电软件无线电是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和新体制，是作为多频带多模式的个人通信系统平台而出现的。其以硬件作为无线通信的基本平台，无线通信功能尽可能用软件实现。这样设计的无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便。以软件无线电为扩展平台的认知无线电是一种新的智能无线通信技术，它可以感知到周围的环境特征，采用构建理解的方法进行学习，通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网络进行智能交流，实时调整传输参数，使系统的无线规则与输入的无线电激励的变化相适应，以达到无论何时何地通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。认知无线电的一个最大优势是无线用户可以通过该技术实现“频谱共享”。认知无线电在特定频段上进行探测，如果发现该频段当前未被使用，可以在不影响首要用户的前提下使用该频段。这种被分配给某初始授权用户但在特定时间和具体位置该用户没有使用的频带被称为“频谱空穴”。如果该频段的首要用户恢复无线传输，那么认知无线电设备就跳转到其他频段或者通过改变传输功率、调制方式等手段来避免对首要用户产生干扰。因此，认知无线电技术的出现将极大地提高无线通信系统的频谱利用率，同时对频谱管理制定者提出了新的要求。频谱管理的发展当前的频谱管理策略已经越来越不能够适应新技术的发展。如果不对现有的频谱管理策略进行改变，诸如上节提到的超宽带、认知无线电等技术是不能够合法应用的。因此有必要对现有的频谱管理策略进行改变，一些新的技术也将被应用到频谱管理中，可以减少干扰的威胁并提高频谱利用率。以下几个关键技术在未来的频谱管理中将发挥重要的作用。5.1干扰温度测量 FCC在其文件中明确提出了建立干扰温度的机制，干扰温度定义为测量每单位带宽内接收天线获得的RF功率与接收机噪声功率之和。它鼓励低发射功率的未授权用户使用授权用户未使用的频谱资源，直到其发射功率超过设定的门限值。换句话说，干扰温度机制允许不对授权用户产生危害的干扰存在。因此，未授权用户可以合法的使用授权用户未占用的频谱资源，并保证干扰温度在门限值规定的范围之内。如果发现干扰温度超过门限值时，则可以采取不同的措施调整自己的干扰温度，包括降低系统的发射功率、改变天线的方向和形状以及选择不同的发射频率。5.2频谱空穴检测 频谱空穴是指分配给某授权用户但在特定时间和具体位置该用户暂未使用的频带。因此要充分利用频谱资源，首先要进行频谱空穴检测。频谱区域一般可以分为三种情况，一是黑色区域，存在着高功率的干扰，非授权用户不能使用；二是灰色区域，部分时间存在着低功率的干扰，基本上也不被非授权用户使用。三是白色区域，仅存在环境噪声，可以被非授权用户使用。因此，频谱空穴检测的任务就是寻找合适的白色区域，或在灰色区域与白色区域之间进行监测，寻找可用的频段。5.3动态频谱分配 当前的频谱管理采用固定频谱分配策略，很大一部分频谱资源没有得到充分利用。动态频谱分配策略采用灵活的分配手段，主要目的是通过一个自适应策略有效地利用频谱资源，提高频谱利用率。其中一个典型的动态频谱分配方案，其思路是，首先检测该频段是否有授权用户，如果检测到有授权用户，则非授权用户暂时不使用该频段。如果检测到有授权用户的存在，则非授权用户可以使用该频段。如果非授权用户在使用过程中发现授权用户开始使用该频段，则立即让出该频段，切换到其他合适的频段继续工作。这种分配方法使授权用户拥有最高的频谱使用优先权。较低优先级的用户可以与之分时段共享频谱，以达到频谱资源的充分利用。

小结本文对当前频谱管理的现状以及影响未来频谱管理的新技术进行了简要的介绍，并对频谱管理的发展进行了概述，介绍了几个应用于未来频谱管理中的技术。随着通信业务需求的不断增长，频谱管理的作用也越来越重要，目前的频谱管理策略已经无法满足未来新技术发展的需要，因此有必要对当前的频谱管理策略进行改变，采用新的技术，以提高频谱管理的有效性。

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