5G技術(shù)趨勢及對無(wú)線(xiàn)電管理的挑戰

　　第五代移動(dòng)通信(5G)是指面向2020年移動(dòng)通信發(fā)展的新一代移動(dòng)通信系統，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系統提高10倍，其無(wú)線(xiàn)覆蓋性能和用戶(hù)體驗也將得到顯著(zhù)提高。5G將與其他無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)密切結合，構成新一代無(wú)所不在的移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò )，滿(mǎn)足未來(lái)10年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。

　　5G技術(shù)發(fā)展新趨向

　　■ 毫米波通信技術(shù)

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信尤其是個(gè)人移動(dòng)通信的高速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)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(shù)擴大通信系統的容量，提高頻譜的利用率，也無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)通信發(fā)展的需求，因此實(shí)現高速、寬帶的無(wú)線(xiàn)通信勢必向微波高端頻段開(kāi)發(fā)新的頻譜資源。毫米波頻率范圍為30GHz～300GHz，由于其波長(cháng)短、頻帶寬、波束窄、保密性好、傳輸質(zhì)量高、全天候通信等特點(diǎn)，可以有效地解決高速寬帶無(wú)線(xiàn)接入面臨的許多問(wèn)題，因而在短距離通信中有著(zhù)廣泛的應用前景。

　　目前，毫米波通信技術(shù)主要應用于地面上的點(diǎn)對點(diǎn)通信和衛星通信或廣播系統。其中，地面上的點(diǎn)對點(diǎn)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(shí)由于毫米波在大氣中的衰減和使用小口徑天線(xiàn)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(shù)

　　頻譜共享技術(shù)主要是在不改變現有頻譜分配的架構下，為多種業(yè)務(wù)在有限的頻譜內提供頻譜動(dòng)態(tài)接入的機制，包括基于業(yè)務(wù)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(shí)現不同業(yè)務(wù)的共存，實(shí)現多個(gè)認知用戶(hù)協(xié)同工作，進(jìn)而提供良好的用戶(hù)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(shù)就是認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。認知無(wú)線(xiàn)電又被稱(chēng)為智能無(wú)線(xiàn)電，它以靈活、智能、可重配置為顯著(zhù)特征，通過(guò)感知外界環(huán)境并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習，有目的地實(shí)時(shí)改變某些操作參數(比如傳輸功率、載波頻率和調制技術(shù)等)，使其內部狀態(tài)適應接收到的無(wú)線(xiàn)信號的統計變化，從而實(shí)現任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高可靠通信以及對異構網(wǎng)絡(luò )環(huán)境有限的無(wú)線(xiàn)頻譜資源進(jìn)行高效利用。認知無(wú)線(xiàn)電的核心思想就是通過(guò)頻譜感知(Spectrum Sensing)和系統的智能學(xué)習能力，實(shí)現動(dòng)態(tài)頻譜分配(DSA：dynamic spectrum allocation)和頻譜共享(Spectrum Sharing)。

　　認知無(wú)線(xiàn)電中，次級用戶(hù)動(dòng)態(tài)地搜索頻譜空穴進(jìn)行通信，這種技術(shù)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)頻譜接入。在主用戶(hù)占用某個(gè)授權頻段時(shí)，次級用戶(hù)必須從該頻段退出，去搜索其他空閑頻段完成自己的通信。

　　■ 大規模MIMO(Massive MIMO)

　　5G的飛速發(fā)展要求網(wǎng)絡(luò )必須解決容量限制，以及一些現有通信系統中存在的挑戰，諸如網(wǎng)絡(luò )的可靠性、覆蓋率、能效性和延遲性等。大規模MIMO(多進(jìn)多出)作為5G技術(shù)的一種實(shí)現方案，通過(guò)在基站收發(fā)信機(BTS)上使用大量的天線(xiàn)(超過(guò)64根)實(shí)現了更大的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)組成的扇形拓撲。由于擁有數以百計的天線(xiàn)單元，大規模MIMO可以使用預編碼技術(shù)集將能量集中到目標移動(dòng)終端上，從而降低輻射功率。通過(guò)把無(wú)限能量指向到特定用戶(hù)，降低輻射功率，同時(shí)降低對于其他用戶(hù)的干擾，進(jìn)而提高了5G網(wǎng)絡(luò )的傳輸速度和抗干擾性能，使得網(wǎng)絡(luò )能夠容納更多的用戶(hù)且具有更高的可靠性和更高的能效。

　　由于大規模MIMO使用了較多的天線(xiàn)單元，因而面臨著(zhù)一些現有網(wǎng)絡(luò )未遇到過(guò)的系統挑戰。比如說(shuō)，當前基于LTE或LTE-A的數據網(wǎng)絡(luò )所需的導頻開(kāi)銷(xiāo)是與天線(xiàn)的數量成比例的。而大規模MIMO管理了大量時(shí)分復用天線(xiàn)的開(kāi)銷(xiāo)，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(shí)現大規模MIMO的挑戰還包括：在一個(gè)或多個(gè)數量級下來(lái)確定數據總線(xiàn)和接口的規模以及在眾多獨立的射頻收發(fā)器之間進(jìn)行分布式同步。

　　5G給無(wú)線(xiàn)電管理帶來(lái)挑戰

　　■ 精細化頻譜管理

　　隨著(zhù)5G時(shí)代的到來(lái)，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(lái)解決問(wèn)題的粗放式管理方式已無(wú)法滿(mǎn)足5G發(fā)展的需要，如何更科學(xué)地規劃和配置頻譜資源、通過(guò)頻譜共用促進(jìn)頻譜集約利用和精細化管理提升頻譜利用率，已成為無(wú)線(xiàn)電管理工作的重要課題。

　　眾所周知，無(wú)線(xiàn)電頻率具有時(shí)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(jìn)行頻率規劃時(shí)基于歷史數據，綜合考慮頻段特性及用戶(hù)需求，從理論上計算頻率的干擾協(xié)調距離，從宏觀(guān)上確定同頻復用方案;在進(jìn)行頻率指配時(shí)，根據用戶(hù)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(jìn)行規范和控制。同時(shí)，根據已設臺站的情況，開(kāi)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(wú)線(xiàn)電管理機構在頻率規劃和指配的過(guò)程中既“精”且“細”，從而保證無(wú)線(xiàn)頻譜管理的準確性和最佳性。

　　■網(wǎng)格化頻譜監測

　　未來(lái)，5G的發(fā)展將使城市區域電磁傳播環(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，使得傳統的大距離固定站監測手段難以快速完成各項精確的監測任務(wù)。特別是對一些需要保護的重點(diǎn)區域難以覆蓋到，對各種弱功率信號、突發(fā)的干擾信號、短持續信號等更難截獲和跟蹤定位，這對于無(wú)線(xiàn)電頻譜監測是一個(gè)很大的挑戰，而網(wǎng)格化頻譜監測成為解決這一難題的重要手段。

　　網(wǎng)格化頻譜監測系統通過(guò)合理的密集布站、全面進(jìn)行監測范圍的無(wú)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測;基于完善靈活的組網(wǎng)體系架構，自動(dòng)化的管理、控制和業(yè)務(wù)服務(wù)手段，形成智能化的無(wú)線(xiàn)電管控系統平臺;通過(guò)海量數據存儲，自動(dòng)監測數據分析、融合等處理技術(shù)，可在時(shí)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(diǎn)行業(yè)、重點(diǎn)區域的無(wú)線(xiàn)電監測與管制提供精細化、主動(dòng)化的技術(shù)保障。

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