5G技術(shù)趨勢(shì)及對(duì)無線電管理的挑戰(zhàn)

　　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(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(yàn)也將得到顯著提高。5G將與其他無線移動(dòng)通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無所不在的移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來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)

　　隨著無線通信尤其是個(gè)人移動(dòng)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(diào)制或各種多址技術(shù)擴(kuò)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(shí)現(xiàn)高速、寬帶的無線通信勢(shì)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(zhǎng)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(yīng)用前景。

　　目前，毫米波通信技術(shù)主要應(yīng)用于地面上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和衛(wèi)星通信或廣播系統(tǒng)。其中，地面上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)毫米波通信一般用于對(duì)保密要求較高的接力通信。毫米波本身就具有很強(qiáng)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就可以獲得極窄的波束與很小的旁瓣，所以對(duì)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(xiàn)有頻譜分配的架構(gòu)下，為多種業(yè)務(wù)在有限的頻譜內(nèi)提供頻譜動(dòng)態(tài)接入的機(jī)制，包括基于業(yè)務(wù)的頻譜避讓機(jī)制、基于位置和電磁環(huán)境的智能頻譜選擇機(jī)制等，從而實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的共存，實(shí)現(xiàn)多個(gè)認(rèn)知用戶協(xié)同工作，進(jìn)而提供良好的用戶體驗(yàn)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(rèn)知無線電技術(shù)。認(rèn)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(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，有目的地實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)變化，從而實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高可靠通信以及對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有限的無線頻譜資源進(jìn)行高效利用。認(rèn)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(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜分配(DSA：dynamic spectrum allocation)和頻譜共享(Spectrum Sharing)。

　　認(rèn)知無線電中，次級(jí)用戶動(dòng)態(tài)地搜索頻譜空穴進(jìn)行通信，這種技術(shù)稱為動(dòng)態(tài)頻譜接入。在主用戶占用某個(gè)授權(quán)頻段時(shí)，次級(jí)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(wǎng)絡(luò)必須解決容量限制，以及一些現(xiàn)有通信系統(tǒng)中存在的挑戰(zhàn)，諸如網(wǎng)絡(luò)的可靠性、覆蓋率、能效性和延遲性等。大規(guī)模MIMO(多進(jìn)多出)作為5G技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方案，通過在基站收發(fā)信機(jī)(BTS)上使用大量的天線(超過64根)實(shí)現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性。這種方式從根本上改變了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基站收發(fā)信機(jī)架構(gòu)，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)只使用了最多8根天線組成的扇形拓?fù)?。由于擁有?shù)以百計(jì)的天線單元，大規(guī)模MIMO可以使用預(yù)編碼技術(shù)集將能量集中到目標(biāo)移動(dòng)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(shí)降低對(duì)于其他用戶的干擾，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(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)未遇到過的系統(tǒng)挑戰(zhàn)。比如說，當(dāng)前基于LTE或LTE-A的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)所需的導(dǎo)頻開銷是與天線的數(shù)量成比例的。而大規(guī)模MIMO管理了大量時(shí)分復(fù)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(dǎo)頻獲取的通道狀態(tài)信息可以在下行鏈路的預(yù)編碼器中被使用。其他更多實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO的挑戰(zhàn)還包括：在一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)下來確定數(shù)據(jù)總線和接口的規(guī)模以及在眾多獨(dú)立的射頻收發(fā)器之間進(jìn)行分布式同步。

　　5G給無線電管理帶來挑戰(zhàn)

　　■ 精細(xì)化頻譜管理

　　隨著5G時(shí)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(xué)地規(guī)劃和配置頻譜資源、通過頻譜共用促進(jìn)頻譜集約利用和精細(xì)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(shí)間、頻率、空間和能量的傳播特性，而精細(xì)化的頻譜管理就是采用頻譜需求預(yù)測(cè)分析等手段，在進(jìn)行頻率規(guī)劃時(shí)基于歷史數(shù)據(jù)，綜合考慮頻段特性及用戶需求，從理論上計(jì)算頻率的干擾協(xié)調(diào)距離，從宏觀上確定同頻復(fù)用方案;在進(jìn)行頻率指配時(shí)，根據(jù)用戶需要的傳輸容量及覆蓋范圍，從理論上計(jì)算出所需的頻率范圍、發(fā)射功率、占用帶寬等參數(shù)，并在頻率指配文件上進(jìn)行規(guī)范和控制。同時(shí)，根據(jù)已設(shè)臺(tái)站的情況，開展電磁兼容性分析，計(jì)算干擾距離，確定具體頻率的復(fù)用情況，避免同頻干擾。這要求無線電管理機(jī)構(gòu)在頻率規(guī)劃和指配的過程中既“精”且“細(xì)”，從而保證無線頻譜管理的準(zhǔn)確性和最佳性。

　　■網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)

　　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(fù)雜，電磁波的發(fā)射密集、遮擋嚴(yán)重、多徑反射、同頻干擾等現(xiàn)象非常嚴(yán)重，使得傳統(tǒng)的大距離固定站監(jiān)測(cè)手段難以快速完成各項(xiàng)精確的監(jiān)測(cè)任務(wù)。特別是對(duì)一些需要保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域難以覆蓋到，對(duì)各種弱功率信號(hào)、突發(fā)的干擾信號(hào)、短持續(xù)信號(hào)等更難截獲和跟蹤定位，這對(duì)于無線電頻譜監(jiān)測(cè)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，而網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)成為解決這一難題的重要手段。

　　網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過合理的密集布站、全面進(jìn)行監(jiān)測(cè)范圍的無縫覆蓋，貼近各種輻射源目標(biāo)，可達(dá)到對(duì)短距離通信的低功率信號(hào)、超標(biāo)電磁輻射信號(hào)等的監(jiān)測(cè);基于完善靈活的組網(wǎng)體系架構(gòu)，自動(dòng)化的管理、控制和業(yè)務(wù)服務(wù)手段，形成智能化的無線電管控系統(tǒng)平臺(tái);通過海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(xì)地掌握頻率資源和臺(tái)站信息的分布與使用情況，從而為重點(diǎn)行業(yè)、重點(diǎn)區(qū)域的無線電監(jiān)測(cè)與管制提供精細(xì)化、主動(dòng)化的技術(shù)保障。

　　5G技術(shù)的發(fā)展對(duì)新時(shí)期的無線電管理提出了新的要求。我國(guó)無線電管理機(jī)構(gòu)要積極研究5G技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，做好應(yīng)對(duì)5G頻譜需求量劇增、電磁環(huán)境日趨復(fù)雜等挑戰(zhàn)的準(zhǔn)備，維護(hù)良好的電波秩序，從源頭為5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供保障。