非授权频带频谱共享技术综述及专利申请状况分析

频谱共享技术进步与行业应用前景随着信息技术的飞速发展和无线通信领域的日新月异，频谱资源作为信息传输的宝贵载体，其高效利用成为了全球关注的焦点。

频谱共享技术，作为一种创新的资源分配策略，旨在通过允许不同用户或服务在同一频段内共享频率资源，以缓解频谱资源日益紧张的现状，推动行业应用多元化发展。

本文将从六个维度探讨频谱共享技术的进步及其在各行业的应用前景。

一、频谱共享技术的最新进展近年来，频谱共享技术经历了从理论探索到实践验证的快速演进。

认知无线电（CR）技术的突破性发展是其中的亮点，该技术使设备能够智能感知周围环境，并根据频谱使用情况动态调整其工作频率，避免干扰合法用户。

此外，动态频谱接入（DSA）、数据库驱动的频谱共享、以及基于协议的频谱共享等机制也在不断优化，提高了频谱使用效率和灵活性。

5G及未来6G网络的部署更是加速了这些技术的应用步伐，推动频谱共享从窄带向宽带、从单一场景向复杂多变场景的跨越。

二、政策与监管的推动作用政策与监管框架的完善是频谱共享技术应用落地的关键。

各国政府和国际组织如国际电信联盟（ITU）正在积极推动频谱管理政策的，鼓励频谱资源共享。

例如，联邦通信会（FCC）开放了多个频段用于共享试验，包括 3.5GHz的公民宽带无线服务（CBRS），这为商业、工业和公共安全领域开辟了新的频谱使用途径。

政策的明确指导和灵活调整为频谱共享技术的商用化铺平了道路。

三、行业应用的广泛拓展频谱共享技术在众多行业中展现出巨大潜力。

在物联网领域，通过频谱共享，大量传感器和设备得以在有限的频谱资源下高效通信，促进了智慧城市、智慧农业、远程医疗等应用的普及。

在航空通信中，卫星与地面移动通信的频谱共享技术有助于提升空中互联网服务的质量和覆盖范围。

在应急通信场景下，临时频谱共享机制能够快速响应灾难救援时的通信需求，确保生命线的畅通无阻。

此外，广播电视、车联网等行业也正积极探索频谱共享，以应对数据流量的爆炸式增长。

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.02.012引用格式:朱振杰,崔琪楣,张雪菲,等.基于终端自主侦听的NR Sidelink 非授权接入机制[J].无线电通信技术,2023,49(2):292-299.[ZHU Zhenjie,CUI Qimei,ZHANG Xuefei,et al.Terminal Autonomous Sensing Based Access Mechanism for NR Sidelink onUnlicensed Spectrum [J].Radio Communications Technology,2023,49(2):292-299.]基于终端自主侦听的NR Sidelink 非授权接入机制朱振杰,崔琪楣∗,张雪菲,陶小峰(北京邮电大学信息与通信工程学院,北京100876)摘㊀要:5G 新空口(New Radio,NR)定义了侧行链路(Sidelink,SL)模式2资源分配机制,使用户能自主选择预留资源进行数据传输,以满足基站覆盖范围外终端间直接通信的需求;随着移动通信技术的快速发展,智能终端间直接通信对于速率的要求越来越高,有限的授权频谱成为限制速率的瓶颈,使用非授权频段可以缓解授权频谱资源短缺的问题,进一步提升网络的传输速率;非授权频谱中的NR (NR in the Unlicensed Spectrum,NR-U)采用先听后说(Listen Before Talk,LBT)接入非授权信道,LBT 不确定性会引起NR SL 用户接入预留资源失败,带来额外的传输时延㊂针对上述问题,提出一种基于终端自主侦听的非授权接入方法,通过配置候选预留子信道资源,提升了模式2资源分配机制下NR SL 用户采用LBT 机制接入非授权信道的成功率㊂仿真结果表明,所提机制能有效提升NR SL 系统在非授权频段的性能㊂关键词:新空口侧行链路;非授权频谱;资源分配机制;先听后说中图分类号:TN929.5㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)02-0292-08Terminal Autonomous Sensing Based Access Mechanism forNR Sidelink on Unlicensed SpectrumZHU Zhenjie,CUI Qimei ∗,ZHANG Xuefei,TAO Xiaofeng(School of Information and Telecommunication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)Abstract :5G NR defines Sidelink (SL)mode 2resource allocation mechanism,enabling users to autonomously select reserved resources for data transmission to meet the needs of direct communication between terminals outside the coverage of the base station.With the rapid development of mobile communication technology,direct communication between intelligent terminals requires higher and higher data rate,and the limited licensed spectrum becomes the bottleneck of data ing unlicensed spectrum can alleviate the shortage of licensed spectrum resources and further improve the transmission rate of the network.NR-U uses Listen Before Talk (LBT)to access unlicensed spectrum.The uncertainty of LBT will cause NR SL failing to access reserved resources,resulting in additional transmission delay.To solve above problems,an access method based on terminal autonomous sensing is proposed in this paper.By con-figuring candidate reserved sub-channel resources,the channel access rate for NR SL users on unlicensed spectrum under the Mode 2resource allocation mechanism is improved.Simulation results show that the proposed mechanism can effectively improve the perform-ance of NR SL system in the unlicensed frequency band.Keywords :NR SL;unlicensed spectrum;resource allocation mechanism;listen before talk (LBT)收稿日期:2022-12-12基金项目:国家重点研发计划(2020YFB1806804)Foundation Item :National Key Research and Development Program ofChina(2020YFB1806804)0　引言第三代合作伙伴项目(The Third Generation Partnership Project,3GPP)在Rel-12开始了终端设备到终端设备(Device-to-Device,D2D)通信技术的标准化工作,主要用于公共安全(Public Safety)的场景[1]㊂D2D 技术是基于侧行链路(Sidelink,SL)进行数据传输,实现终端到终端直接通信㊂与传统的蜂窝通信系统相比,终端在SL 上通信的数据不需要通过基站与核心网的转发,因此具有更高的频谱效率㊁更低的传输时延㊂Rel-14工作组将D2D 技术应用到基于长期演进(Long Term Evolution,LTE)技术的车联网(Vehicle to Everything,V2X),即LTE V2X,实现辅助驾驶功能㊂随着人们对自动驾驶需求的提高,LTE V2X不能满足自动驾驶的高通信性能的需求,Rel-16正式开展了基于新空口(New Ra-dio,NR)技术的车联网,即NR V2X项目的标准化工作[2]㊂NR V2X增加了许多LTE V2X不支持的特性,如物理侧行反馈信道(Phythical Sdielink Feed-back Channel,PSFCH)㊁单播和组播通信等,通信时延达到3~5ms,数据传输的可靠性达到99.999%,以满足自动驾驶的需求[3]㊂NR SL最初是为了支持NR V2X开发,主要应用于公共安全场景,标准规定了两种NR SL资源分配模式:一种是由网络侧集中为终端分配传输资源,称为模式1,仅适用于用户设备(User Equipment, UE)位于基站覆盖范围内的场景;另一种是UE自主选取传输资源,称为模式2,适用于基站覆盖范围内/外的场景[4]㊂现有NR SL受限于资源有限的授权频段,传输速率难以进一步提升㊂但随着移动通信技术的快速发展,智能终端间直接通信对传输速率的要求越来越高㊂为了进一步提升NR SL传输速率,用以满足商业化用例的需求,Rel-18相关工作组开始研究将NR SL部署在非授权频谱的多制式接入问题[5]㊂为了解决多制式无线接入技术(Radio Access Technology,RAT)之间公平友好共存问题,现有文献主要基于先听后说(Listen Before Talk,LBT)和占空比(Duty Cycle Mechanism,DCM)两种共存机制进行研究[6-9]㊂文献[10]分析了D2D和WiFi系统在LBT和DCM两种共存机制下的网络性能;文献[11]提出了一种基于体验质量(Quality of Experi-ence,QoE)感知的功率分配算法和基于速率的公平占空比算法(Fair Duty Cycle Algorithm,F-DCA),从而优化非授权频谱D2D通信(D2D Communication in Unlicensed Spectrum,D2D-U)和WiFi共存系统的整体吞吐量;文献[12]提出了一种非授权频段上的侧行链路通信(Sidelink Communication on the Unli-censed Bands,SCUBA)协议,提供灵活的SL传输和电池寿命权衡机制,以支持物联网(Internet of Things,IoT)网络中不同类型设备在非授权频谱上的接入;文献[13]提出了一种基于用户-子信道互换的迭代算法的D2D-U机制,以支持5G D2D用户在非授权频段上的通信㊂以上研究大多面向用户位于基站覆盖范围内的场景,即网络为用户统一分配侧行链路资源,用户需要在基站的控制和协助下接入非授权信道㊂对于某些情况下,如用户位于地下停车场㊁隧道等建筑物内部或处于基站覆盖范围外时,用户无法与基站建立有效通信,网络无法为用户统一分配侧行链路资源,上述机制难以解决LBT不确定性对NR SL接入信道的影响,无法实现与其他RATs在非授权信道中的公平竞争㊂针对上述问题,文中提出了一种基于终端自主侦听的NR SL非授权接入方法㊂主要思想是基于模式2资源选择和LBT共存机制,引入 候选预留子信道资源 为用户在非授权频段上提供更多潜在接入时机,能有效减小LBT不确定性对NR SL用户的影响,提升NR SL在非授权频段上的接入成功率㊂同时提出一种候选预留子信道的动态更新算法,通过动态更新候选预留与子信道的数目和配置方式,提高NR SL系统在非授权频段的频谱利用率㊂1　问题分析对处于基站覆盖范围外终端通过NR SL进行通信的场景,3GPP定义了NR SL模式2资源分配机制,其过程如图1所示㊂终端首先从网络或预配置信息中确定资源池(Resource Pool,RP)信息,RP 是在频域上连续的一个资源块,由多个时隙组成,包含多个子信道㊂在模式2资源分配机制下,用户不需要基站统一调度分配信道资源,而是基于侦听自主地在RP选择要接入的子信道[5]㊂假设用户#0的数据包在时隙n到达,触发资源选择㊂如果终端在侦听窗口[n-T0,n-T proc,0]内侦听到物理侧行控制信道(Physical Sidelink Control Channel,PSCCH),则测量该PSCCH的参考信号接收功率(Reference Signal Received Power,RSRP)或该PSCCH调度的物理侧行共享信道(Physical Sidelink Shared Channel,PSSCH)的RSRP,如果对应的RSRP大于预设的SL-RSRP阈值,并且根据该PSCCH上传输的侧行控制信息(Sidelink Control Information,SCI)中的资源预留信息确定其预留的资源位于资源选择窗口内,则将对应的资源从候选资源集中排除㊂直至n-T proc,0时刻,UE确定最终的候选资源集,并且从中随机选择自己的子信道用于接下来的传输[14]㊂图1㊀NR sidelink 模式2资源分配机制Fig.1㊀NR sidelink mode 2resource allocation mechanism㊀㊀在非授权频段上,WiFi 系统接入非授权信道采用基于感知和竞争的协议,即带有冲突避免的载波感知和多路访问(Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoid,CSMA /CA)[15]㊂在数据传输之前,WiFi 用户首先侦听特定的信道,如果侦听结果显示信道空闲,则WiFi 用户将开启随机回退过程以避免冲突,回退结束后才能接入信道传输数据;如果侦听结果显示信道繁忙,WiFi 用户将保持侦听,直到判断该信道空闲㊂为了与RATs 公平竞争非授权信道,实现在非授权频谱上友好共存,授权辅助接入(Licensed Assisted Access,LAA)和非授权频谱中的NR(NR inthe Unlicensed Spectrum,NR-U)采用了LBT 的信道接入方案,其基本原理和CSMA /CA 类似,在使用信道之前,首先经过空闲信道评估(Clear ChannelAssessment,CCA)检测信道是否空闲,CCA 成功后使用退避机制避免碰撞[16]㊂㊀㊀由于模式2的资源选择具有 预留 特性,即从终端确定预留的子信道资源,到真正开始传输之前,至少有(T proc,0+T 1)的时延㊂因此在时隙n -T proc,0~n +T 1,由于NR SL 用户的数据传输尚未开始,如果WiFi 用户有数据要进行传输,WiFi 用户可能通过CSMA /CA 机制竞争信道成功,从而提前接入NR SL用户预留的信道资源,导致NR SL 用户LBT 失败而无法接入信道传输,只能等到下一个RP 周期重新尝试传输,如图2所示㊂当网络中WiFi 用户数量较多时,这一问题将更加严重,WiFi 系统的传输将严重干扰NR SL 在非授权频段上的传输㊂因此针对NR SL 用户无法与基站建立有效通信,如用户位于地下停车场㊁隧道等建筑物内部或处于基站覆盖范围外时,如何在非授权频段上与WiFi 网络公平㊁和谐地共存问题,必须考虑如何兼容NR SL 模式2资源选择机制和LBT 机制㊂图2㊀NR sidelink 模式2非授权接入存在的问题Fig.2㊀Problems of NR sidelink channel access on unlicensed spectrum under mode 2resource allocation mechanism2㊀系统模型建模2.1㊀系统模型如图3所示,考虑NR SL 和WiFi 通信在非授权频谱共存的场景,并且它们共享相同的一组信道㊂假设网络中存在M 个WiFi 接入点(Access Point,AP),用 ={1,2, ,M }表示,存在N 条NR SL 链路,每个传输对用(S t n ,S r n )(n ɪᶃ={1, ,N })表示,其中S t m 和S r m 分别代表第m 个传输对的发送端和接收端㊂对于WiFi 系统,假设在接入点AP m (m ɪ )覆盖范围内,存在F m 个WiFi 用户,每个WiFi 用户表示为WU m f (f=1,2, ,F m )㊂除此以外,假设共有L 个非授权信道支持不同的AP,例如,根据IEEE 802.11n,5GHz 频带中共有23个非授权信道㊂由于在NR 系统中,非授权信道的带宽比授权子信道大得多,每个NR SL 用户只需要非授权信道的一部分㊂因此,为了更有效地利用非授权信道,将每个非授权信道划分成K u 个带宽为B u 的非授权子信道,标记为 u={K +1,K +2, ,K +K },S t m和S r m每次传输占用一个或多个子信道,WU m f 每次传输占用一个信道[17]㊂因此NR SL 传输允许多个S t m 和S r m在一个非授权信道上并发传输,而WiFi 传输一次只允许一个用户使用该信道㊂图3㊀系统模型Fig.3㊀System model假设共存网络中所有用户使用固定的功率进行传输,NR SL 用户在任意非授权子信道的传输功率固定为P S,AP 和WiFi 用户在整个非授权信道的传输功率固定为P W ㊂采用带有瑞利衰落的自由空间传播路径损耗模型对网络中任意两个用户之间的信道增益进行建模,即对于用户i ~j 的链路,接收功率可以表示为:p r i ,j =p t i ㊃|h i ,j |2ξi ,j =p t i ㊃G ㊃d -αi ,j ㊃|h 0|2ξi ,j ,(1)式中,p t i 为用户i 的发射功率,G 为放大器和天线引入的恒定功率增益因子,d i ,j 为用户i ~j 的距离,α为路径损耗衰减因子,h 0~CN (0,1)为复高斯变量,表示瑞利衰落,ξi ,j 服从对数正态分布,表示阴影衰落㊂假设每个用户处的热噪声服从独立高斯分布,且均值为0,方差σ2相同㊂2.2㊀系统吞吐量建模当NR SL 通信采用LBT 机制竞争非授权信道时,由于LBT 机制基本原理与WiFi 系统采用的CSMA /CA 机制类似,在上述NR SL 与WiFi 共存的混合网络中,网络的系统饱和吞吐量与WiFi 用户以及NR SL 用户的数量有关㊂设一个时隙内至少有一个信号传输的概率为P tr ,对应一个信道内无碰撞的概率为P i ,它们分别表示为:P tr =1-(1-μ)n (1-β)l ,(2)P i =nμ(1-μ)n -1(1-β)l +lβ(1-β)l -1(1-μ)nP tr,(3)式中,μ为网络中每个WiFi 用户的传输概率,β为每个NR SL 用户的传输概率,n 为竞争该信道的WiFi用户的的数量,l 为竞争该信道的NR SL 用户的数量㊂根据文献[18],整个WiFi 系统㊁NR SL 系统以及混合网络的系统饱和吞吐量R (n )㊁R (l )㊁R (n +l )分别可以表示为:R (n )=P tr P s E [S ]wP s T s P tr +(1-P s )T c P tr +T σ(1-P tr ),(4)R (l )=P tr P s E [P ]S P s T s P tr +(1-P s )T c P tr +T σ(1-P tr ),(5)R (n +l )=R (n )+R (l )㊂(6)式中,T s 为一次成功的传输导致信道被用户检测为繁忙的平均时间,T σ为每个时隙的持续时间,T c 为在每次冲突期间,信道被用户检测为繁忙的平均时间,E [P ]w 和E [P ]S 分别为WiFi 和NR SL 系统的数据包平均大小㊂此外,为了衡量在非授权频段上由于LBT 竞争的不确定性对NR SL 传输的影响,引入信道接入成功率η,表示为:η=min {n s ,n n }nˑ100%,(7)式中,n n 为NR SL 发送端某次数据传输所需的子信道数,n s 为该次传输实际LBT 竞争成功的子信道数㊂3㊀基于终端自主侦听的NR SL 非授权接入3.1㊀NR SL 非授权资源自主选择机制针对某些情况下,NR SL 用户无法与基站建立有效通信,如用户位于地下停车场㊁隧道等建筑物内部或处于基站覆盖范围外时,NR SL 与WiFi 系统在非授权频段上共存的问题,提出了基于终端自主侦听的NR SL 非授权接入机制㊂如图4所示,该机制在现有模式2资源分配机制的基础上,引入候选预留子信道 ,作为对实际需要预留的子信道资源的补充,从而为NR SL 用户在非授权频段上提供更多的潜在接入机会,缓解如前所述的在传统NR-U机制下WiFi 用户可能提前抢占NR SL 用户预留的子信道资源导致NR SL 用户接入非授权信道失败的问题㊂同时通过对候选预留子信道的动态激活与释放操作,允许用户将未使用的候选预留子信道资源提前释放,提高频谱利用率㊂图4㊀所提机制下NR SL 用户的非授权接入Fig.4㊀NR SL UE s channel access on unlicensed spectrum under proposed mechanism㊀㊀具体而言,所提NR SL 非授权资源自主选择算法如算法1所示,当NR SL 用户有消息需要在非授权信道上传输时,首先进入模式2资源选择的侦听阶段,通过解码其他NR SL 用户发送的侧行控制信息(Sidelink Control Information,SCI),获知并排除它们预留的资源,由此确定候选资源集合㊂然后该NR SL 用户从候选资源集合中随机选取N 个子信道,作为预留的子信道资源,包含q 个实际预留的子信道和x 个候选预留子信道㊂对于实际预留的每个子信道i (i ɪ ={0,1, ,q }),NR SL 终端动态为其配备x i 个候选预留子信道(x i ɪ ={0,1, ,x },ðqi =1x i =x ),候选预留子信道位于实际预留子信道之后的Δt 个时隙内(Δt >0),且只有当实际预留的子信道LBT 竞争失败时,NR SL 才会尝试接入对应的候选预留子信道资源㊂确定预留的子信道资源后,NR SL 用户基于信道能量检测(Energy Detection,ED)对所预留的资源进行LBT 竞争㊂对于实际预留的子信道,如果竞争成功,则立即接入信道进行传输,并发送SCI 信息对该实际预留的子信道对应的候选预留子信道资源进行动态释放,其他NR SL 用户解码SCI 后,重新将该部分资源纳入其候选资源集合中;否则,NR SL 将继续对候选预留子信道资源进行LBT 竞争,直到接入信道成功或完成对所有候选预留子信道资源的竞争㊂值得注意的是,当一个实际预留的子信道对应多个候选预留的子信道时,候选预留子信道LBT 成功后,NR SL 也会通过SCI 发送剩余候选预留子信道资源的释放信息㊂算法1㊀NR SL 非授权资源自主选择算法初始化:NR SL 用户获取预配置信息;begin㊀for t =(n -T 0):(n -T proc,0)do侦听PSCCH,并测量该PSCCH 的RSRP 或该PSCCH 调度的PSSCH 的RSRP;if RSRPȡSL_RSRP then解码PSCCH 中的SCI,获取其预留的子信道资源pre_subs;if pre_subs 位于资源池RP 中then㊀将sun_pre 从候选资源集合中排除,更新候选资源集合;end if else继续侦听其他PSCCH;end if end for确定传输实际需要的q 个子信道和x 个候选预留子信道;对q 个实际预留的子信道进行LBT 竞争;while i =1:q doif 实际预留的子信道i LBT 成功then 接入子信道i ;if 实际预留的子信道i 配备了候选预留子信道then㊀通过SCI 将对应的候选预留子信道资源进行释放;end ifelse if 实际预留的子信道i 配备了x i 个候选预留子信道thenwhile j =1:x i do㊀对候选预留子信道j 进行LBT 竞争;㊀if LBT 成功then㊀㊀接入候选预留子信道j ,并通过SCI 对剩余(x i -j )个候选预留子信道资源进行释放;㊀㊀break ;㊀end if end while end ifend3.2㊀候选预留子信道动态更新算法为了实现在满足当前传输需求的条件下,尽可能配置最少的候选预留子信道资源,从而提高频谱利用率,本节提出一种候选预留子信道动态更新算法,如算法2所示㊂其关键思想是利用上一传输周期的传输状况,动态更新候选预留预子信道的数目和配置方式㊂动态更新存在两种方式:周期性更新和触发式更新㊂触发式更新发生某个传输周期内,LBT成功的子信道数小于需要的子信道数,即有数据由于LBT失败需要缓存至下一传输周期传输时,且连续失败次数达到阈值N thr(N thr=1,2, , N thr_max),其中N thr_max取值由UE根据业务优先级以及自身能力决定,这时判断为网络较为拥挤,NR SL 在下一传输周期时,根据算法增加候选预留子信道的数目,以提供更多的接入机会;此外,一段时间内每个传输周期LBT成功的子信道资源都能满足传输需求时,认为此时信道状态较好,NR SL会周期地适当减少候选预留子信道资源的数目,将多余的资源提前释放,用于其他NR SL用户的资源选择㊂设某次传输的上一次传输预留的子信道总数为N n-1,实际预留的子信道数为n n-1,每个实际预留的子信道对应的候选预留子信道数为alt i(alt iɪ= {alt1,alt2, ,alt n n-1}),LBT成功的子信道数为n s㊂候选预留子信道更新的周期为T u,候选预留子信道上次更新时刻为t n-1,当前时刻为t,候选资源集合中子信道总数为C,每个子信道对应的候选预留子信道数最大取值为x max,单次允许的最大候选预留资源数为N max,本次传输所需的子信道数为n n,每个子信道记为n i(n iɪᶃn={n1,n2, ,n n n}),每个实际预留的子信道对应的候选预留子信道数为altᶄi(altᶄiɪᶄ={altᶄ1,altᶄ2, ,altᶄn n}),动态更新阈值为N thr㊂算法2㊀候选预留子信道动态更新算法输入:N n-1,n n-1,n s,x max,n n,T u,N thr,N max,集合和ᶄ;输出:本次传输的预留子信道总数N n,候选预留子信道配置集合ᶄ;Begin初始化接入失败次数fail_cnt=0;if ns<n n-1thenif㊀fail_cnt=N thr then㊀N n=min{n n+x max,⌊n n(N n-1nn-1+n n-1-n s nn-1)」};㊀fail_cnt=0;else㊀fail_cnt=fail_cnt+1; end if ㊀else if(t-t n-1)mod T u==0thenN n=min{n n+x max,⌊n n(N n-1n n-1+n n-1-n s n n-1)」};t n-1=t;elseN n=⌊n n㊃N n-1n n-1」;end if候选预留子信道数x n=N n-n n;for i=1:nndowhile子信道ni上传递的数据是上个传输周期LBT 失败而重新传输的数据&&alt i<x max do㊀子信道n i对应的候选预留子信道数altᶄi=alt i+1;㊀剩余候选预留子信道数x n=x n-1;end while从剩余尚未配置候选预留子信道的子信道中随机选出x n个子信道,为其配备一个候选预留子信道;生成候选预留子信道配置集合ᶄ;end forend4㊀仿真及结果分析为了验证本文所提的基于终端自主侦听的接入方法对NR SL在非授权频段通信的增益效果,本节设计如下仿真评估实验,并将所提机制的性能与传统NR-U非授权接入方法对比㊂仿真考虑一个AP 下2个WiFi用户与3对NR SL通信链路共存的场景,每个子信道在同一时刻只能被一个用户占用,在传输数据之前,所有用户基于能量检测判断信道是否空闲,判断空闲后经过随机回退接入信道㊂仿真参数如表1所示㊂表1㊀仿真参数设置Tab.1㊀Simulation parameter参数值终端发射功率P tr/dBm10载波频率fc/GHz 1.9噪声系数/dB5路径损耗衰减因子α 2.2恒定功率增益因子G/dB-33.58阴影衰落标准差/dB4数据包大小/bit8224信道带宽/MHz20NR SL子信道数4WiFi子信道数2WiFi最小回退窗口长度16㊀㊀假设在每个时隙WiFi 和NR SL 用户的数据到达服从泊松分布㊂当数据到达时,WiFi 用户在所有子信道进行CSMA /CA 检测竞争信道,NR SL 用户首先利用3.2节中的算法确定预留子信道集合,然后依据3.1节中的算法过程,对所预留的资源进行LBT 竞争㊂首先,评估引入候选预留子信道对WiFi 和NR SL 系统吞吐量的影响,从图5可知,相比传统的接入方法(x =0),在NR SL 的非授权接入机制中引入候选预留子信道,可以有效提升NR SL 的吞吐量与系统总吞吐量,且随着x 的增大,NR SL 的吞吐量逐渐增大,WiFi 的吞吐量略有减小,系统总吞吐量逐渐增大㊂因此,在NR SL 与WiFi 共存的系统中,引入候选预留子信道能进一步提升NR SL 吞吐量与系统总吞吐量,但是对x 取值的设置要考虑对WiFi 系统的影响㊂图5㊀候选预留子信道数对系统吞吐量的影响Fig.5㊀Effect of number of candidate reservedsub-channels on system throughput其次评估所提候选预留子信道动态更新算法对NR SL 系统在非授权频段上通信性能的影响㊂图6与图7所示的x 动态更新算法中,候选预留子信道数的最大值N max =3,候选预留子信道数的平均值x =2.46㊂从图6可知,在所提x 动态更新算法下,NR SL 系统的传输速率与x 取值固定为3时相当,由此可见,该算法能在传输增益一定的前提下,有效减少所需的候选预留子信道数㊂由图7可知,相比传统NR-U 机制,所提机制能有效提高NR SL 在非授权频段的接入成功率㊂图6㊀不同x 取值时NR SL 的传输数据量Fig.6㊀Transmission rate under different values ofx图7㊀传统接入机制与所提接入机制的接入成功率对比Fig.7㊀Access rate of traditional and proposed mechanism5　结束语本文提出了一种基于终端自主侦听的NR SL 非授权接入机制,可以有效减小非授权频段上LBT 不确定性对NR SL 用户的影响㊂该机制在现有模式2资源分配机制的基础上,引入 候选预留子信道 ,为NR SL 用户在非授权频段上提供更多潜在接入时机,从而提高接入成功率;同时提供了一种候选预留子信道的动态更新算法,通过利用上一传输周期的传输状况,更新候选预留预子信道的数目和配置方式,从而提高频谱利用率㊂下一步可以在该机制的基础上,考虑在NR SL 用户引入机器学习模块,学习信道的碰撞情况,预测候选资源集合中各个子信道的冲突概率,并给出当前时刻最优的候选预留子信道数x ᶄ,指导用户对子信道资源的选择,以进一步提升NR SL 通信在非授权频段的性能㊂参考文献[1]㊀3GPP.4G;Proximity-based Services (ProSe):TS 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[8]㊀ZHANG H,LIAO Y,SONG L.Device-to-Device Commu-nications Underlaying Cellular Networks in UnlicensedBands[C]ʊ2017IEEE International Conference on Com-munications(ICC).Paris:IEEE,2017:1-6. [9]㊀王宁.非授权频段V2V通信和WiFi的友好共存与资源管理[D].北京:北京交通大学,2018. [10]WANG G,WU C,YOSHINAGA T,et al.CoexistenceAnalysis of D2D-unlicensed and WiFi Communications[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2021:1-11.[11]JIN Y,XU S.QoE-aware Resource Allocation for D2DCommunications in Unlicensed Spectrum[C]ʊ2018IEEEInternational Conference on Communications Workshops(ICC Workshops).Aalborg:IEEE,2018:1-6. [12]RAJENDRAN V,PRASAD G,LAMPE L,et al.SCUBA:An In-device Multiplexed Protocol for Sidelink Scommuni-cation on Unlicensed Bands[J].IEEE Internet of ThingsJournal,2021,8(22):16637-16652.[13]李小帅.V2X通信无线资源管理关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.[14]沈嘉,杜忠达,张治,等.5G技术核心与增强:从R15到R16[M].北京:清华大学出版社,2021. [15]BIANCHI G,FRATTA L,OLIVERI M.Performance Eval-uation and Enhancement of the CSMA/CA MAC Protocolfor802.11Wireless LANs[C]ʊProceedings ofPIMRC 96-7th International Symposium on Personal,In-door,and Mobile Communications.Taipei:IEEE,1996,2:392-396.[16]MUSHUNURI V,PANIGRAHI B,RATH H K,et al.Fairand Efficient Listen Before Talk(LBT)Technique forLTE Licensed Assisted Access(LAA)Networks[C]ʊ2017IEEE31st International Conference on AdvancedInformation Networking and Applications(AINA).Tai-pei:IEEE,2017:39-45.[17]FU J,ZHANG X,CHENG L,et al.Utility-based FlexibleResource Allocation for Integrated LTE-U and LTE Wire-less Systems[C]ʊ2015IEEE81st Vehicular TechnologyConference(VTC Spring).Glasgow:IEEE,2015:1-5.[18]GAO Y,CHU X,ZHANG J.Performance Analysis of LAAand WiFi Coexistence in Unlicensed Spectrum Based onMarkov Chain[C]ʊ2016IEEE Global CommunicationsConference(GLOBECOM).Kuala Lumpur:IEEE,2016:1-6.作者简介:㊀㊀朱振杰㊀北京邮电大学硕士研究生㊂主要研究方向:面向新一代(5G及5G-A)宽带移动通信网络的新理论及技术㊁5G FR3频段规划与设计等㊂㊀㊀(∗通信作者)崔琪楣㊀北京邮电大学教授,博士生导师㊂主要研究方向:5G/6G移动通信网络与智能计算㊁移动通信内生安全等㊂㊀㊀张雪菲㊀北京邮电大学副教授㊂主要研究方向:移动边缘计算㊁数据分析㊁智能交通系统㊁区块链和动态规划等㊂㊀㊀陶小峰㊀北京邮电大学教授,博士生导师㊂主要研究方向:5G网络技术与移动网络技术等㊂。

观察Industry ObservationI G I T C W 产业26DIGITCW2021.050 引言地面通信网与卫星通信网分别在各自擅长的服务范围内发挥着巨大的作用。

尽管地面移动通信技术已经发展到5G ，但覆盖范围受限的短板仍不能解决，而另一面具有广覆盖特性的卫星通信却因成本过高等因素无法普及。

随着人们对通信需求向多空间、多方位的不断扩展，融合天、地通信技术优势，构建覆盖全球的天地一体化信息网络是未来通信发展的重要趋势，通过融合设计而构建的多维立体、全方位和全天候的信息网络，可为空、天、地、海等不同应用场景的用户提供全球泛在的通信服务[1]。

在天地一体化信息网络中，大部分通信节点依赖于有限的无线电频谱资源进行传输，信道开放、频率需求大、涉及无线电业务多是其主要特点。

以往，地基网络或天基网络对于无线电频谱资源的使用，均采用独占授权的静态规划方式，对于所授权频谱的使用，存在着部分时间过度浪费或过度拥挤的情况。

此外，对于那些尤为适用于天地一体化卫星宽带接入要求的Ka 和Q/V 等频段，天基网络或地基网络都出现了避无可避的状态[2]。

因此，设计天地一体化信息网络无线频谱动态共享方案，提高频谱资源利用效率，是网络建设中需要重点关注的问题之一[3]。

20年来，人们对于地基网络频谱共享的研究较为广泛，提出了大量的动态频谱共享技术。

但天地一体化信息网络与地基网络的存在诸多差异，不能直接使用地基网络的频谱共享技术，需根据其特点重新设计或适当改进。

但地基网络中的用于干扰规避的功率控制、波束赋形、跳波束及频谱数据库等技术，为天地一体化信息网络频谱共享提供重要的研究思路。

因此，近来学者从不同角度、针对多种场景提出了一些天地一体化信息网频谱共享的算法和方案。

从是否需要空口技术及核心网统一设计的角度可将现有研究分成两大类：一是基于干扰规避的星地频谱共存，研究对象是分立的天基和地基通信系统，通过设计天地一体化信息网络频谱共享技术的综述与展望（上）孙永林（海装重大专项装备项目管理中心，北京 100000）摘要：天地一体化信息网络是未来突破地面网络限制，实现空、天、地、海等多空间无缝覆盖和泛在连接的重要网络架构。

频谱动态共享技术在900M低频网建设中的应用
近年来，随着移动通信技术的飞速发展，人们对通信网络的需求也日益增长。

为了满足用户对通信网络的需求，通信运营商需要不断提升网络的容量和覆盖范围。

在900MHz低频网建设中，频谱资源有限，如何更好地利用这些频谱资源成为一个亟待解决的问题。

频谱动态共享技术便是一种解决方案。

频谱动态共享技术是指将已分配的频谱进行动态地共享和分配的一种技术。

它可以根据不同的网络需求和使用情况，灵活地调整频谱资源的分配。

这种技术的核心是通过智能的频谱管理和调度算法，让不同的网络共享同一片频谱资源的同时不会互相干扰。

频谱动态共享技术可以提高频谱利用率。

低频网通信具有较长的传输距离和较好的穿透能力，因此可以通过通过频谱动态共享技术将原本被浪费的频谱资源充分利用起来，提高频谱利用率，增加网络的容量和覆盖范围。

频谱动态共享技术可以提高网络的灵活性和适应性。

在现有的900MHz频段中，不同的通信系统和服务商之间往往存在频谱资源的冲突和浪费。

通过频谱动态共享技术，可以灵活地管理和调度频谱资源，使不同的通信系统和服务商能够共享同一片频谱资源，提高网络的适应性和灵活性。

频谱动态共享技术在900MHz低频网建设中具有重要的应用价值。

它可以提高频谱利用率、提高网络的灵活性和适应性、提高网络的安全性和可靠性，促进网络的协同发展，为900MHz低频网建设提供了一种创新的解决方案。

5G非授权频谱介绍授权许可频谱可能是无线移动服务的基石（我国的频谱是由国家分配，而在美欧日韩等国家，频谱资源早已拍卖出天价），以满足覆盖范围、频谱效率和可靠性的服务要求，但未授权频谱通过提高容量和在某些情况下改善数据连通性，在补充许可频谱方面发挥着重要作用。

在未授权频谱中基于3GPP的系统的操作在Release13中以许可证辅助访问（LAA）的形式首次引入。

NR未授权（NR-U：NR Unlicensed）研究和工作项将NR引入FR1 5GHz和6GHz频率范围内的未授权频段，见图3.10。

5 GHz频段被现有技术使用，如Wi-Fi和基于LTE的LAA。

在该频段内，NR-U对WiFi的影响不应超过同一运营商的同一代附加Wi-Fi网络的影响。

6GHz频段属于新建频段，但缺乏监管要求。

在美国，6GHz频段的扩展范围为5925-7125MHz，而在欧洲，则为5925-6425MHz。

在6GHz 频段，NR-U的信道接入机制将在法规允许的情况下，使用能量检测与共享同一频段的其他异系统共存。

Figure 3.10. Spectrum priorities for NR-U.NR-U可在以下两种模式之一下工作：●独立的无许可证接入（Standalone unlicensed access），NR在无许可证频段运行，无需许可频段内运营商的协助，●许可辅助接入（LAA：License assisted access），其中在未授权频带中NR的操作利用许可频带中的载波进行协助，例如用于控制信令。

NR-U工作项支持以下场景：➢方案A：许可频带（Pcell）和NR-U（Scell）之间NR中的载波聚合。

NR-U Scell可以同时具有DL和UL，或者只有DL。

NR Pcell连接到5GC。

该方案通过向NR添加更多频谱来提高NR容量。

➢方案B：许可频段LTE（Pcell）和NR-U（PSCell）之间的双连接。

这种方案提高了LTE部署的容量。

认知无线电频谱感知技术综述2.陆军机械化步兵学院石家庄校区青海西宁810000摘要：分析无线电技术的主要原因就是在已有的频谱环境下，更加高效地利用频谱机会，频谱感知技术主要是基于固定的频谱分配原则，然后通信系统会利用专业的通信设备以及协议在相应的频段上进行工作，由于当前无线技术正处于不断发展的阶段，用户日益增加，造成频谱资源处于严重拥挤的状态，频谱资源缺乏的问题逐渐显露出来。

因此，需要加强对频谱感知技术的研究工作，充分利用好频谱资源，尽可能降低对其他用户造成的干扰，进一步发挥频谱感知技术的作用。

关键词：认知无线电；频谱感知；技术综述引言频谱仪是认知无线电设备的核心技术，是频谱资源高效分配的前提。

频谱分析可实时监控和分析可用频带，而不会干扰授权用户。

这使您可以识别壮观的空洞。

频谱感知技术必须确保良好的检测性能，在低检测率下干扰授权用户的正常通信，而高误报概率导致认知用户不再能够访问自由频谱并减少频谱的使用。

经过几十年的研究，光谱分析取得了许多理论成果，但不难看出，与低噪声环境相比，光谱分析还需要进一步改进。

电磁环境越来越强，干扰越来越大，噪声越来越小，在给定条件下感觉性能提高。

总结以往低噪声研究的结果，在比较分析的基础上研究性能，最后指出趋势和挑战。

1认知无线电频谱感知技术的基本原理和作用频谱负载技术是一种检测时间、频率、空间等领域发送频谱的功能。

，以确定频谱是否被占用并动态调整。

在认知无线电设备中，频谱分析不仅查找频谱中的一个洞，而且实时查找频谱状态。

在某些情况下，频谱感知技术正确估计频率轮廓，使未经授权的用户能够尽早主动回避，避免对经授权的用户造成较大干扰。

频谱分析工作方式如下:(1)频谱均衡，频谱均衡技术协调频谱资源的分配，向所需用户分配更多空闲频谱均衡资源，从而解决频谱资源瓶颈问题。

(2)光谱排斥。

当检验员发现某一特定许可频带正在使用时，检验员不使用该频带，以避免同时使用该段并避免后续干扰；(3)频谱共享通过与主用户一起使用许可频谱，确保认知用户不会影响主用户的正常使用，从而最大限度地利用频谱资源。

基于认知无线电的LoRa网络架构设计张敏【摘要】应用于物联网的各种低功耗广域网技术中,LoRa技术具有成本低和电池寿命长的优势.但是,由于LoRa网络工作于非授权频段,所以LoRa技术的可靠性相对较低.针对这一问题,文章引入认知无线电技术,分析并且设计了认知LoRa网络的体系结构,从而提高LoRa网络的可靠性,缓解LoRa网络频谱资源紧张的局面.【期刊名称】《无线互联科技》【年(卷),期】2019(016)001【总页数】2页(P18-19)【关键词】低功耗广域网;LoRa;认知无线电技术【作者】张敏【作者单位】仲恺农业工程学院信息科学与技术学院,广东广州 510225【正文语种】中文为满足物联网中远距离和低功耗的通信需求，低功耗广域（Low Power Wide Area Network，LPWA）技术应运而生。

LoRa（Long Range）和NB-Iot （Narrow Band Internet of things）作为LPWA技术中最具发展前景的两大阵营，获得了工业界和研究界的广泛关注。

相比NB-Iot技术，LoRa技术具有成本更低和电池寿命更长的优势。

但是，NB-Iot网络工作于授权频段，由运营商统一部署并且收费运营，单一系统专享频谱资源，可靠性较高。

而LoRa网络工作于非授权频段，由企业或个人免费组网运营，不同系统共享频谱资源。

随着物联网应用不断增加，频谱需求日益紧张，LoRa技术的可靠性不能得到有效保证。

为提高LoRa的可靠性，本文引入认知无线电技术，在一定程度上缓解LoRa网络频谱资源紧张的问题。

1 LoRa网络体系结构LoRa技术由美国Semtech公司提出并推广，是目前最有发展前景的低功耗广域通信技术之一。

LoRa网络工作于1GHz以下的非授权频谱，采用长距离星型体系结构，主要由LoRa终端、基站、网络服务器和应用服务器4部分组成。

网络体系结构如图1所示。

图1 LoRa网络体系结构在LoRa网络中，终端设备通过单跳LoRa通信与对应的基站建立链接，实现点对点通信，终端通信协议结构包括物理层、MAC（Medium Access Control）层和应用层。