通过动态频谱共享提高频谱效率

通过动态频谱共享实现更好的频谱效率 分析师：DimitrisMavrakis，高级研究总监内容经理：MalikSaadi，战略技术副总裁 CONTENTS 简介和 市场概述1 今天的频谱分配和利用2 当前频谱讨论的状态 在美国2 干扰管理3 Conclusion4 为什么行业需要 动态频谱共享5 更高的频谱利用率5 近实时频谱管理6 结论：需要更好的干预 管理工具6 介绍和市场概述 说美国的频谱讨论正在起飞将是轻描淡写的。白宫、国家电信和信息管理局(NTIA)、联邦通信委员会 (FCC)和其他几个委员会发表了论文、信函和调查通知，认为频谱管理和可用性应该是国家的优先事项 ，也是所有相关方的关键问题，因此美国S.市场成为该领域的全球领导者。公民宽带无线电服务（CBRS）框架的成功提供了全球最先进，受监管和强大的共享频谱制度，但目前的讨论已扩展到包括许可，未经许可和共享频谱。 美国总统将射频（RF）频谱称为“我们国家最重要的国家资源”，这可以说是不仅对美国而且对世界上任何国家的真实陈述。TheU.S.市场再次成为关于频谱管理和现在称为“动态频谱共享”的最先进的讨论，不要与允许多个蜂窝世代同时使用相同频谱的第三代合作伙伴计划（3GPP）版本相混淆。在这种新的背景下，和。 DGS如何实现动态频谱共享7 云处理和集中算法7 近实时资源监测8 低层数据的数据收集与分析9 结论和建议10 在本文中，动态频谱共享是指多方，包括政府机构、商业实体，甚至社区，在不相互干扰的情况下，和谐使用同一频谱。 最近有几份发表的报告列出了美国政府的计划推进这个想法。 美国当前频谱讨论状况 关于美国市场更好的频谱管理的讨论可以追溯到几年前，正如我们之前的白皮书《私有蜂窝的动态频谱共享》中所讨论的那样。这些讨论在最近一年中得到了放大，发布了多份报告，其中一些报告如表1所示。 表1：最近的动态频谱共享报告 （来源：ABIResearch） 日期 出版机构/团体 报告标题和详细信息 March2024 国家安全电信咨询委员会(NSTAC) 对总统关于本委员会执行国家频谱战略的任务的回应动态频谱共享。 2023年11月 美国白宫 国家频谱战略概述了美国实现频谱优势并确保最大限度利用频谱的四大支柱。 2023年8月 FCC 调查通知书文档概述了使用新数据源，技术和方法的潜力，包括人工智能（AI）/机器学习（ML）来有效理解和利用频谱。 2023年5月 NTIA 技术报告TR-23-567对2021年4月至2023年1月的CBRSSAS数据进行的分析显示，CBRS框架运行符合预期。 行业参与者，智囊团，CBRS生态系统的参与者和学术机构还发布了其他一些报告。将所有这些报告结合在一起的一个共同主题是，他们支持美国S.政府专注于基于证据的政策制定，旨在利用数据、见解和市场反馈来做出频谱决策。这是一个雄心勃勃的未来计划，特别是当今天的频谱分配利用静态机制时。 今天的频谱分配和利用 美国的频谱分配和利用遵循两个主要规则： 1)出租给移动网络运营商（MNO）的公共频谱的特定分配，遵循严格的部署，干扰，保护频带和商业目标。 2)共享频谱遵循一套更多样化的规则，特别是在系统与军事或海军系统并行运行的地区，称为现任运营商。 两种方案都提供了优点和缺点,并且它们都不允许频谱的理想分配和利用。例如,MNO可以被授予3.5千兆赫(GHz)频带中的全国频谱,但是最肯定的是不会在整个国家的这些频率中部署网络。另一方面，共享频谱-尽管在映射和理解频谱利用方面更具响应性-仍然使用静态方式来理解干扰并减轻干扰。 我们之前的论文以及之前关于频谱管理的讨论主要集中在改进共享频谱框架上，并解决了CBRS制度的局限性。然而 ,现在的讨论已经进展到许可甚至未许可频谱,这两者都必须被包括在全面的动态频谱共享框架中。跨这些域的干扰管理的讨论才刚刚开始。 干扰管理 频谱管理和共享可以分解为超出本文范围的若干技术和网络特定过程。但是，最重要的过程之一是干扰检测和管理，它允许系统优化，更改甚至更改自己的操作，以在具有挑战性的网络条件下维持操作。干扰管理今天通过两个不同的综合过程进行。 美国市场。 移动网络运营商的干扰管理 FCC授予MNO频谱许可，包括保护频带和许多其他要求，以确保相邻系统不会发生干扰。例如，FCC已将4兆赫(MHz)的配对频谱分配给700MHz公共安全频段，用作保护频带。所有其他频谱许可包括保护频带 。 MNO采取多项综合措施，以确保在其整个网络中的干扰最小化，并且其网络不会干扰其他系统，包括： •频率重用和扇区化：在地理上分布的小区中选择性地重复使用频率以避免相邻小区之间的干扰小区站点通过将其覆盖划分为3、6、9或甚至12个扇区的扇区化来操作。 •功率控制和自优化网络：小区站点可以改变辐射功率以最小化干扰并且改变多个小区参数以最大化小区性能。 •细胞呼吸和干扰消除：网络可以根据业务和干扰状况来改变小区的大小，并且还可以在接收器中实现高级算法以使干扰最小化。 这些只是移动运营商用来管理干扰的过程的几个示例，所有这些过程都是半静态的，只有在可以很好地理解复杂且不断变化的无线电环境后才能实现。理解和微调网络的算法通常会在一夜之间运行并实现。 CBRS干扰管理：SAS提供商 CBRS在流行的5G频段中运行，非常适合部署大规模多输入多输出（mMIMO）无线电，通过波束成形增强容量 ，并允许在现有4G网络上部署5G。因此，优先访问许可证（PAL）受到了高度追捧，在2020年7月举行的拍卖中耗资约46亿美元。具有PAL许可证的网络优先于一般授权接入(GAA)部署,因此GAA频带中的专用网络可能需要重新调谐或切换频率以避免与PAL网络的干扰。在这些层之上，CBRS框架（在我们之前的白皮书中详细讨论过）必须确保这些系统不会干扰美国的海军雷达S.coast，也称为现任用户。这不是真正的频谱共享，而是授权和未授权信道的分配，这意味着网络运营商即使其服务配置文件允许也不会占用相同的信道。 即使不在同一频段上，GAA网络也可能相互干扰，因为GAA频率和C频段（3.7-3.98GHz）之间没有保护频带，可能会导致通信降级。尽管频谱接入系统（SAS）提供商已帮助管理多个网络共存，但该框架对于大规模部署而言仍然不完整。 还存在对环境感知能力(ESC)设备的效率的担忧,因为CBRS设备可能触发ESC传感器,导致合法设备被检测为干扰的“私语区”。另一项名为“现任信息能力”（IIC）的提案建议，如果海军雷达或其他现任系统在附近，政府会通知CBRS用户，从而促使CBRS网络断电或更改频率。 上面的讨论强调了CBRS系统仍在发展，需要持续改进，以防止现任、PAL和GAA用户之间的干扰。SAS提供商在其覆盖区域内管理活动设备的广泛数据库，并在新网络申请许可证时评估潜在干扰，决定是否授予或拒绝许可证。他们每天交换大量数据，并执行大量计算任务，以估计其操作区域的干扰。因此,对新网络的实时干扰评估目前是不切实际的,通常需要24小时。 Conclusion 两种方法都不理想。许可频谱的MNO方法实际上是一种静态干扰管理方法，而CBRS解决方案可以称为协调中断特别是对于GAA网络部署。例如，在工厂车间部署关键任务CBRS网络，连接机器人和无人机，如果在附近检测到另一个网络（现任或PAL），理论上可能会受到干扰。这是CBRS系统必须应对的主要挑战。此外，SAS提供商在一夜之间运行自己的干扰管理算法并比较结果的事实使该过程效率低下。在这种情况下,需要的是允许网络实时感测和减轻干扰的协调动态频谱共享方法。 为什么行业需要动态光谱共享 上面概述的过时和僵化的频谱管理流程已经存在多年，并且没有遵循最近的市场发展，包括动态5G推出，生成AI 和不断增长的频谱需求。这是美国的几个原因S.政府现在正在推动更好的动态频谱管理。但在讨论这将如何发生之前 ，重要的是概述为什么有必要这样做。 更高的频谱利用率 动态频谱共享将允许更好的频谱利用，使频率资源适应实时需求和交通模式。上面概述的用于频谱分配的传统方法通常导致严重的未充分利用和严厉的保护措施-以避免干扰降级-这转化为比可能的低得多的效率。有效的动态频谱共享系统将允许移动运营商部署包括更高容量的网络,从而能够迎合更多用户和新类型。用例。 也有一个案例改善频谱重配，这涉及腾出某些频率并将服务转移到其他频率，这是艰巨，耗时且肯定非常昂贵的。例如，为了关闭2G/3G网络，移动运营商必须将这些系统/频率的所有用户转移到4G或5G，甚至是远程或仅使用上一代功能的用户。动态频谱共享机制将允许多代同时操作而没有效率损失。 同时，动态频谱共享可以允许同时使用相同的频谱对于不同的技术，可能包括4G，5G，甚至Wi-Fi。这对于当前的频谱管理系统来说根本是不可行的,并且这样做将导致所有这些系统中的显著退化。该益处还可以转化为更具成本效益的部署,因为在相同频率下操作的系统可以潜在地由现有天线启用,从而降低小区站点或部署点处的成本。 同时，了解无线电信道和更有效地利用频谱将转化为不同层次的通信质量，这可以更好地支持关键任务应用程序和用例以及与服务质量（QoS）相关的服务。动态频谱共享将是实现这一目标所必需的，因为无线电信道是不可预测的，需要实时进行更改和优化。此外，业界正在进行讨论以实现所谓的集成传感和通信(ISAC)有效地允许蜂窝网络天线感知其环境并充当雷达的一种形式，使用与当前蜂窝网络相同的频谱。在部署感知功能时 ，必须更好地了解频谱和干扰，以保持蜂窝网络的性能。 关于如何分配频谱，有几种讨论和方法，从当前的“静态”移动运营商许可证到“使用或丢失”条款。但是，如果没有数据和见解来实现基于证据的决策，监管机构将无法继续实施更精细和有效的许可证。动态频谱可以允许监管机构授予更精细和自适应的许可证这也是美国政府文件中讨论的一大推动力。 近实时频谱管理 TheCBRSlicenseframeworkhastakenamonumentalefforttocoordinateusers,PALlicensees,andGAAusers,butitsimplementationandreal-lifeoperationishardlyefficient.Byimplementingadynamicspectrum sharingframework,regulatorswillbeableto使用自适应分配过程授予频谱这可能因地区、州甚至用例而异。在 CBRS的上下文中,动态频谱共享将允许同时操作多个网络,而不必担心干扰或对现任用户的任何暗示。当前的CBRS框架需要在检测和减轻干扰之前至少一天,特别是当CBRS设备(CBSD)连接到两个不同的SAS提供商时。SAS提供商使用的数据格式、干扰检测算法甚至传播模型都不同，这意味着SAS提供商对特定干扰环境的解释可能会有所不同。 如在上一节中,动态频谱共享可以允许不同等级的使用,而没有当前CBRS框架实施的严格限制。例如,与动态频谱共享框架一起操作的系统可以确保没有与现任用户发生干扰,并且将能够检测到和来自PAL被许可方的干扰,并且优化GAA部署的操作。这样的系统可以实现CBRS和任何共享频谱系统的整体更好的操作,而不需要关闭某些CBSD以最小化干扰。 结论：需要更好的干扰管理工具 有必要将提供更大频谱利用率的共享频谱机制与以更自动化的方式管理干扰的工具相结合。有效的干扰管理和减轻转化为对信道的更好的RF感知,这给系统提供了远远超出频谱管理领域的益处。如上一节所述，先进的自适应干扰管理系统可以带来差异化服务，包括超可靠低延迟通信（URLLC），以及服务的持续自我优化，从而为移动运营商带来新的收入来源。这听起来像是灵丹妙药，但今天市场上有一些机制可以做到这一点。 DGS如何实现动态频谱共享 Thepre部分已经确定，动态频谱共享将为整个价值链提供显著的技术、战略