5G技術趨勢及對無線電管理的挑戰(zhàn)

　　第五代移動通信(5G)是指面向2020年移動通信發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)，具有超高的頻譜利用率和超低的功耗，在傳輸速率和資源利用率等方面比4G系統(tǒng)提高10倍，其無線覆蓋性能和用戶體驗也將得到顯著提高。5G將與其他無線移動通信技術密切結合，構成新一代無所不在的移動信息網絡，滿足未來10年移動互聯(lián)網流量增加1000倍的發(fā)展需求。

　　5G技術發(fā)展新趨向

　　■ 毫米波通信技術

　　隨著無線通信尤其是個人移動通信的高速發(fā)展，無線電頻譜的低端頻率已趨于飽和，即使是采用高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)調制或各種多址技術擴大通信系統(tǒng)的容量，提高頻譜的利用率，也無法滿足未來通信發(fā)展的需求，因此實現高速、寬帶的無線通信勢必向微波高端頻段開發(fā)新的頻譜資源。毫米波頻率范圍為30GHz～300GHz，由于其波長短、頻帶寬、波束窄、保密性好、傳輸質量高、全天候通信等特點，可以有效地解決高速寬帶無線接入面臨的許多問題，因而在短距離通信中有著廣泛的應用前景。

　　目前，毫米波通信技術主要應用于地面上的點對點通信和衛(wèi)星通信或廣播系統(tǒng)。其中，地面上的點對點毫米波通信一般用于對保密要求較高的接力通信。毫米波本身就具有很強的隱蔽性和抗干擾性，同時由于毫米波在大氣中的衰減和使用小口徑天線就可以獲得極窄的波束與很小的旁瓣，所以對毫米波通信的截獲和干擾變得非常困難。

　　■ 頻譜共享技術

　　頻譜共享技術主要是在不改變現有頻譜分配的架構下，為多種業(yè)務在有限的頻譜內提供頻譜動態(tài)接入的機制，包括基于業(yè)務的頻譜避讓機制、基于位置和電磁環(huán)境的智能頻譜選擇機制等，從而實現不同業(yè)務的共存，實現多個認知用戶協(xié)同工作，進而提供良好的用戶體驗和高效的頻譜利用率。

　　目前，發(fā)展最為迅速的頻譜共享技術就是認知無線電技術。認知無線電又被稱為智能無線電，它以靈活、智能、可重配置為顯著特征，通過感知外界環(huán)境并使用人工智能技術從環(huán)境中學習，有目的地實時改變某些操作參數(比如傳輸功率、載波頻率和調制技術等)，使其內部狀態(tài)適應接收到的無線信號的統(tǒng)計變化，從而實現任何時間、任何地點的高可靠通信以及對異構網絡環(huán)境有限的無線頻譜資源進行高效利用。認知無線電的核心思想就是通過頻譜感知(Spectrum Sensing)和系統(tǒng)的智能學習能力，實現動態(tài)頻譜分配(DSA：dynamic spectrum allocation)和頻譜共享(Spectrum Sharing)。

　　認知無線電中，次級用戶動態(tài)地搜索頻譜空穴進行通信，這種技術稱為動態(tài)頻譜接入。在主用戶占用某個授權頻段時，次級用戶必須從該頻段退出，去搜索其他空閑頻段完成自己的通信。

　　■ 大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)

　　5G的飛速發(fā)展要求網絡必須解決容量限制，以及一些現有通信系統(tǒng)中存在的挑戰(zhàn)，諸如網絡的可靠性、覆蓋率、能效性和延遲性等。大規(guī)模MIMO(多進多出)作為5G技術的一種實現方案，通過在基站收發(fā)信機(BTS)上使用大量的天線(超過64根)實現了更大的無線數據流量和連接可靠性。這種方式從根本上改變了現有標準的基站收發(fā)信機架構，現有標準只使用了最多8根天線組成的扇形拓撲。由于擁有數以百計的天線單元，大規(guī)模MIMO可以使用預編碼技術集將能量集中到目標移動終端上，從而降低輻射功率。通過把無限能量指向到特定用戶，降低輻射功率，同時降低對于其他用戶的干擾，進而提高了5G網絡的傳輸速度和抗干擾性能，使得網絡能夠容納更多的用戶且具有更高的可靠性和更高的能效。

　　由于大規(guī)模MIMO使用了較多的天線單元，因而面臨著一些現有網絡未遇到過的系統(tǒng)挑戰(zhàn)。比如說，當前基于LTE或LTE-A的數據網絡所需的導頻開銷是與天線的數量成比例的。而大規(guī)模MIMO管理了大量時分復用天線的開銷，在上下行之間具有信道互易性。信道互易性使得上行導頻獲取的通道狀態(tài)信息可以在下行鏈路的預編碼器中被使用。其他更多實現大規(guī)模MIMO的挑戰(zhàn)還包括：在一個或多個數量級下來確定數據總線和接口的規(guī)模以及在眾多獨立的射頻收發(fā)器之間進行分布式同步。

　　5G給無線電管理帶來挑戰(zhàn)

　　■ 精細化頻譜管理

　　隨著5G時代的到來，頻譜資源的供需矛盾日益突出，單純依靠增加公共通信頻譜資源來解決問題的粗放式管理方式已無法滿足5G發(fā)展的需要，如何更科學地規(guī)劃和配置頻譜資源、通過頻譜共用促進頻譜集約利用和精細化管理提升頻譜利用率，已成為無線電管理工作的重要課題。

　　眾所周知，無線電頻率具有時間、頻率、空間和能量的傳播特性，而精細化的頻譜管理就是采用頻譜需求預測分析等手段，在進行頻率規(guī)劃時基于歷史數據，綜合考慮頻段特性及用戶需求，從理論上計算頻率的干擾協(xié)調距離，從宏觀上確定同頻復用方案;在進行頻率指配時，根據用戶需要的傳輸容量及覆蓋范圍，從理論上計算出所需的頻率范圍、發(fā)射功率、占用帶寬等參數，并在頻率指配文件上進行規(guī)范和控制。同時，根據已設臺站的情況，開展電磁兼容性分析，計算干擾距離，確定具體頻率的復用情況，避免同頻干擾。這要求無線電管理機構在頻率規(guī)劃和指配的過程中既“精”且“細”，從而保證無線頻譜管理的準確性和最佳性。

　　■網格化頻譜監(jiān)測

　　未來，5G的發(fā)展將使城市區(qū)域電磁傳播環(huán)境變得極為復雜，電磁波的發(fā)射密集、遮擋嚴重、多徑反射、同頻干擾等現象非常嚴重，使得傳統(tǒng)的大距離固定站監(jiān)測手段難以快速完成各項精確的監(jiān)測任務。特別是對一些需要保護的重點區(qū)域難以覆蓋到，對各種弱功率信號、突發(fā)的干擾信號、短持續(xù)信號等更難截獲和跟蹤定位，這對于無線電頻譜監(jiān)測是一個很大的挑戰(zhàn)，而網格化頻譜監(jiān)測成為解決這一難題的重要手段。

　　網格化頻譜監(jiān)測系統(tǒng)通過合理的密集布站、全面進行監(jiān)測范圍的無縫覆蓋，貼近各種輻射源目標，可達到對短距離通信的低功率信號、超標電磁輻射信號等的監(jiān)測;基于完善靈活的組網體系架構，自動化的管理、控制和業(yè)務服務手段，形成智能化的無線電管控系統(tǒng)平臺;通過海量數據存儲，自動監(jiān)測數據分析、融合等處理技術，可在時域、頻域、空間域、能量域全面而詳細地掌握頻率資源和臺站信息的分布與使用情況，從而為重點行業(yè)、重點區(qū)域的無線電監(jiān)測與管制提供精細化、主動化的技術保障。

　　5G技術的發(fā)展對新時期的無線電管理提出了新的要求。我國無線電管理機構要積極研究5G技術發(fā)展趨勢，做好應對5G頻譜需求量劇增、電磁環(huán)境日趨復雜等挑戰(zhàn)的準備，維護良好的電波秩序，從源頭為5G技術的廣泛應用提供保障。