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5G技术趋势及对无线电管理的挑战

时间:2015-03-26  

  第五代移动通信(5G)是指面向2020年移动通信发展的新一代移动通信系统,具有超高的频谱利用率和超低的功耗,在传输速率和资源利用率等方面比4G系统提高10倍,其无线覆盖性能和用户体验也将得到显著提高。5G将与其他无线移动通信技术密切结合,构成新一代无所不在的移动信息网络,满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。

  5G技术发展新趋向

  毫米波通信技术

  随着无线通信尤其是个人移动通信的高速发展,无线电频谱的低端频率已趋于饱和,即使是采用高斯滤波最小频移键控(GMSK)调制或各种多址技术扩大通信系统的容量,提高频谱的利用率,也无法满足未来通信发展的需求,因此实现高速、宽带的无线通信势必向微波高端频段开发新的频谱资源。毫米波频率范围为30GHz-300GHz,由于其波长短、频带宽、波束窄、保密性好、传输质量高、全天候通信等特点,可以有效地解决高速宽带无线接入面临的许多问题,因而在短距离通信中有着广泛的应用前景。

  目前,毫米波通信技术主要应用于地面上的点对点通信和卫星通信或广播系统。其中,地面上的点对点毫米波通信一般用于对保密要求较高的接力通信。毫米波本身就具有很强的隐蔽性和抗干扰性,同时由于毫米波在大气中的衰减和使用小口径天线就可以获得极窄的波束与很小的旁瓣,所以对毫米波通信的截获和干扰变得非常困难。

  频谱共享技术

  频谱共享技术主要是在不改变现有频谱分配的架构下,为多种业务在有限的频谱内提供频谱动态接入的机制,包括基于业务的频谱避让机制、基于位置和电磁环境的智能频谱选择机制等,从而实现不同业务的共存,实现多个认知用户协同工作,进而提供良好的用户体验和高效的频谱利用率。

  目前,发展最为迅速的频谱共享技术就是认知无线电技术。认知无线电又被称为智能无线电,它以灵活、智能、可重配置为显著特征,通过感知外界环境并使用人工智能技术从环境中学习,有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等),使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化,从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知(Spectrum Sensing)和系统的智能学习能力,实现动态频谱分配(DSA:dynamic spectrum allocation)和频谱共享(Spectrum Sharing)。

  认知无线电中,次级用户动态地搜索频谱空穴进行通信,这种技术称为动态频谱接入。在主用户占用某个授权频段时,次级用户必须从该频段退出,去搜索其他空闲频段完成自己的通信。

  大规模MIMO(Massive MIMO)

  5G的飞速发展要求网络必须解决容量限制,以及一些现有通信系统中存在的挑战,诸如网络的可靠性、覆盖率、能效性和延迟性等。大规模MIMO(多进多出)作为5G技术的一种实现方案,通过在基站收发信机(BTS)上使用大量的天线(超过64根)实现了更大的无线数据流量和连接可靠性。这种方式从根本上改变了现有标准的基站收发信机架构,现有标准只使用了最多8根天线组成的扇形拓扑。由于拥有数以百计的天线单元,大规模MIMO可以使用预编码技术集将能量集中到目标移动终端上,从而降低辐射功率。通过把无限能量指向到特定用户,降低辐射功率,同时降低对于其他用户的干扰,进而提高了5G网络的传输速度和抗干扰性能,使得网络能够容纳更多的用户且具有更高的可靠性和更高的能效。

  由于大规模MIMO使用了较多的天线单元,因而面临着一些现有网络未遇到过的系统挑战。比如说,当前基于LTE或LTE-A的数据网络所需的导频开销是与天线的数量成比例的。而大规模MIMO管理了大量时分复用天线的开销,在上下行之间具有信道互易性。信道互易性使得上行导频获取的通道状态信息可以在下行链路的预编码器中被使用。其他更多实现大规模MIMO的挑战还包括:在一个或多个数量级下来确定数据总线和接口的规模以及在众多独立的射频收发器之间进行分布式同步。

  5G给无线电管理带来挑战

  精细化频谱管理

  随着5G时代的到来,频谱资源的供需矛盾日益突出,单纯依靠增加公共通信频谱资源来解决问题的粗放式管理方式已无法满足5G发展的需要,如何更科学地规划和配置频谱资源、通过频谱共用促进频谱集约利用和精细化管理提升频谱利用率,已成为无线电管理工作的重要课题。

  众所周知,无线电频率具有时间、频率、空间和能量的传播特性,而精细化的频谱管理就是采用频谱需求预测分析等手段,在进行频率规划时基于历史数据,综合考虑频段特性及用户需求,从理论上计算频率的干扰协调距离,从宏观上确定同频复用方案;在进行频率指配时,根据用户需要的传输容量及覆盖范围,从理论上计算出所需的频率范围、发射功率、占用带宽等参数,并在频率指配文件上进行规范和控制。同时,根据已设台站的情况,开展电磁兼容性分析,计算干扰距离,确定具体频率的复用情况,避免同频干扰。这要求无线电管理机构在频率规划和指配的过程中既“精”且“细”,从而保证无线频谱管理的准确性和最佳性。

  网格化频谱监测

  未来,5G的发展将使城市区域电磁传播环境变得极为复杂,电磁波的发射密集、遮挡严重、多径反射、同频干扰等现象非常严重,使得传统的大距离固定站监测手段难以快速完成各项精确的监测任务。特别是对一些需要保护的重点区域难以覆盖到,对各种弱功率信号、突发的干扰信号、短持续信号等更难截获和跟踪定位,这对于无线电频谱监测是一个很大的挑战,而网格化频谱监测成为解决这一难题的重要手段。

  网格化频谱监测系统通过合理的密集布站、全面进行监测范围的无缝覆盖,贴近各种辐射源目标,可达到对短距离通信的低功率信号、超标电磁辐射信号等的监测;基于完善灵活的组网体系架构,自动化的管理、控制和业务服务手段,形成智能化的无线电管控系统平台;通过海量数据存储,自动监测数据分析、融合等处理技术,可在时域、频域、空间域、能量域全面而详细地掌握频率资源和台站信息的分布与使用情况,从而为重点行业、重点区域的无线电监测与管制提供精细化、主动化的技术保障。

  5G技术的发展对新时期的无线电管理提出了新的要求。我国无线电管理机构要积极研究5G技术发展趋势,做好应对5G频谱需求量剧增、电磁环境日趋复杂等挑战的准备,维护良好的电波秩序,从源头为5G技术的广泛应用提供保障。

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