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摘要：无线专网通信技术是中低压通信接入网络中的重要组成部分，但频谱资源的有限性是制约电力无线专网技术发展的重要因素。频谱感知、频谱共享等技术手段可以打破频谱的排他性占用，开放出更多的可用频谱资源，是极具潜力的提升频谱利用率的方案。基于感知无线电的共享频谱技术打破了传统无线电频谱固定分配的管理方式，为无线电频谱管理模式提供了新方向和新思路。
关键词：频谱资源；频谱感知；频谱共享
一、引言
随着经济和社会的发展，电网规模不断发展壮大，各种新业务对通信速率和质量的要求不尽相同，因此对传输带宽的需求也不尽相同。为了同时支持对速率、质量要求不同的各种业务，需要一种频谱效率更高，并且能灵活分配带宽的技术。
频谱资源是国际共用、国家支配的稀缺性战略资源，是引领整个通信信息产业持续创新发展的重要动力源泉。然而，随着无线通信新技术的不断涌现，以及移动互联网及物联网带来的数据流量的暴增，各业务对无线电频谱的需求急剧膨胀，无线电频谱资源日益稀缺。频谱资源的有限性与稀缺性已逐渐成为通信信息产业蓬勃发展的瓶颈之一，对无线电频谱的规划管理模式提出了新的挑战。
对于电力行业而言，通信骨干网络一般以光纤为主，无线通常作为末端的通信方式，以适应电力行业终端用户点多、面广且分布分散的特点。与公网类似，电力无线通信接入网目前同样存在包含公网、McWill、LTE1800及LTE230等在内的多种系统共存的情况；但与公网不同的是，对于电力无线通信来说，没有统一的、规范的互操作规程支持异频异构网络的互联互通，本研究针对不同感知系统对于频谱使用的需求不同，引入频谱感知、频谱共享等技术手段，动态分配频谱资源，提高频谱使用率。研发适应频谱感知基站原型设备及终端原型设备，以解决复杂配用电环境接入难题，通过建设实验网系统对其方法模型进行验证。
二、传统230MHz频谱资源管理分配的弊端
随着无线通信新技术的不断发展，以及移动互联网及物联网产业的蓬勃发展，各无线电业务对无线电频谱的需求急剧膨胀，频谱资源日益紧缺。特别是随着工业化和信息化的深度融合，各行业用户如电力、石油等对无线专网提出了宽带化需求，传统的专网频段已经无法满足行业用户需求。另一方面，由于行业用户的业务特征，导致频谱资源利用率不高，造成一定程度上的浪费。频谱资源的缺乏更多是由于现有的基于静态控制的频谱管理与分配策略所造成的。
基于感知无线电的共享频谱技术可以打破传统无线电频谱固定分配的管理方式，为无线电频谱管理模式提供了新方向和新思路。然而，目前对于频谱感知、频谱共享技术的研究，特别是蜂窝网络下的多系统频谱共享机制尚缺乏落地试验与实际部署经验。本研究将基于感知无线电的专网共享频谱技术，开展验证与标准化研究，进行基于频谱共享的感知系统落地验证与试验，为后续频谱共享技术的发展演进以及无线电频谱管理思路的转变打下坚实基础，对未来无线电频谱管理模式改革创新具有重要指导意义。
目前，223～235MHz频段规划给遥测、遥控、数据传输等业务，主要用于能源、气象、地震、建设、水利、地矿、轻工等重点行业。该频段采用固定分配方式进行频谱管理，频点带宽为25kHz，各行业频点处于离散分布状态。以能源行业为例，图1给出了能源行业授权频点的分布情况。
图 1 223-235MHz频段能源行业授权频点分布
随着工业化和信息化的深度融合，行业用户带宽需求日益增加，现有窄带专网系统已经无法满足行业用户需求。传统行业专网频段的窄带频点划分方式限制了先进宽带通信技术在行业专网频段的应用，制约了行业信息化的深入发展。另一方面，传统的固定分配专网频率的管理方式具有排他性，由于行业用户的业务特征，导致目前行业专网频谱资源利用率不高，存在一定程度的浪费。
三、230MHz频谱资源管理分配技术
1、规划技术特点
针对传统230MHz频谱资源管理分配存在的弊端，需要引入新的技术手段和频谱规划与管理方案，提高频谱利用率，保障专网日益增长的频谱资源需求和频谱资源有效利用。
为了实现频谱资源的科学管理，一方面要合理估计频谱需求，及时规划分配频谱资源，促进相关行业和产业的发展；另一方面，要考虑频谱规划管理模式的创新与转变，提高频谱利用率，避免频谱资源的浪费，解决未来无线通信频谱需求的瓶颈问题。
鉴于223～235MHz专网用户保障性业务和行业需求的变化，以及该频段的整体利用率并不高的特点，并结合蜂窝系统特点，将频谱资源划分为授权频谱资源和共享频谱资源。授权频谱资源固定分配给专网用户，满足其保障性业务的实时性和准确性需求，以及蜂窝网传输控制信令的资源需求。通过频谱共享实现资源为各专网用户共享使用，解决频率利用率不高问题。同时，鉴于授权窄带系统仍需要在此频段内工作，因此保留原有的25kHz频点划分方式。
为实现多系统同时工作，保证行业获得足够的资源，同时为了保证系统间授权资源的有效隔离，避免相互的干扰，需要将授权频点进行一定的频率隔离。方案将230MHz频段划分成多个资源组，多个系统以资源组为单位进行频谱感知，获得可用的资源组资源，实现资源共享。在每个资源组的限定范围内分配新的授权频点，以保障感知系统的正常工作和高实时、高可靠性业务传输。规划管理方案主要目标是提升230MHz频段的频谱效率，实现多个感知系统间的频谱共享，保证授权窄带系统正常工作，满足行业宽带化需求，从而促进行业信息化发展的深化，为后续无线电频谱管理模式的改革创新提供参考依据和指导意义。
2、230MHz频段总体规划原则
230MHz频段的频谱规划，将在兼容授权窄带系统的同时，引入频谱共享、频谱聚合以及频谱感知等技术手段提高该频段的频谱使用效率，满足行业宽带化需求。230MHz频段总体规划原则如下：
(1)提高频谱使用效率
具有良好覆盖能力的低频段频谱资源日益紧张，且固定频点分配方式并不利于230MHz频段的有效利用。因此采用频谱共享方式，由多个系统通过频谱感知技术获取空闲频谱资源，在满足业务需求的同时，提高230MHz频段的频谱资源利用效率。
(2)满足行业宽带化需求
为满足行业宽带化传输需求，在230MHz频段采用频谱聚合技术。传输宽带业务时，单个资源组中的可用资源不能满足业务传输需求，或者是单个资源组中的被占用的频点较多时，可以聚合多个资源组的频谱资源，但必须保证不少于3个不同行业的系统对频谱的共用。
(3)确保与授权窄带系统的兼容
宽带系统通过频谱感知技术以及射频技术指标等方面，进行干扰规避，实现授权窄带系统和宽带系统的共存。
(4)保证频谱感知和业务传输的可靠性
感知系统需要专用资源用于传输广播、控制信息和保障业务，并需要对这些资源采取一定的保护措施。
3、230MHz频段总体规划方案
223-235MHz频段频点带宽保持25kHz不变，12MHz带宽内划分成多个感知资源组，作为感知和使用单位。感知资源组带宽用BWr表示，资源组个数用Rnum表示。无线电管理机构对使用230MHz频段的站点信息进行备案，构建站点信息库，允许备案的感知系统访问。具体如下：
230MHz频段的频点带宽为保持原有的25kHz，以保障授权窄带系统的正常工作。
223-235MHz频段划分成Rnum个感知资源组，如图2所示。感知系统以资源组为单位进行感知，确定可用资源组，但同时需规避资源组中在用频点。
图2 230MHz频段资源组划分
限制每个系统最多聚合的感知资源组个数，以保证至少3个行业系统对频谱的共用。
国家或地方无线电管理机构负责对授权频点进行分配。在用的授权频点保持不变，新分配的授权频点在每个资源组的限定范围内进行分配，以提高频谱使用效率。图3给出了一种示例。
图 3 230MHz频段授权频点分配
感知系统可以通过向无线电管理机构申请获得授权频点，用于传输广播、控制信息和保障业务，其他频点可以通过感知使用。
结语
综上所述，频谱感知、频谱共享等技术手段可以打破频谱的排他性占用，开放出更多的可用频谱资源，是极具潜力的提升频谱利用率的方案。基于感知无线电的共享频谱技术打破了传统无线电频谱固定分配的管理方式，为无线电频谱管理模式提供了新方向和新思路。
参考文献
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作者简介
1.俞红生(1968.10-)男，汉族，浙江宁波，大学本科学历，国网浙江省电力公司宁波供电公司，高级工程师，主要从事电力通信管理、运维工作。
2. 吴笑(1980.5-)男，汉族，浙江宁波，大学本科学历，国网浙江省电力公司宁波供电公司，高级工程师，主要从事电力通信管理、运维工作。
3. 李建刚(1979.10-)男，汉族，山东安丘人，大学本科学历，国网浙江省电力公司宁波供电公司，高级工程师，主要从事电力通信建设、运维工作。
项目名称：基于230MLTE的无线频谱感知应用研究。
论文作者:俞红生,吴笑,李建刚
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/28
标签：频谱论文; 资源论文; 频段论文; 无线电论文; 系统论文; 分配论文; 需求论文; 《电力设备》2017年第21期论文;