淺析5G場景下無線電監測面臨的挑戰及解決方案

【摘要】" " 本文首先梳理了5G通信的5個關鍵技術，然后分析了其對無線電管理監測機構帶來的2大主要挑戰，最后結合5G的技術特點及在5G干擾信號實際排查工作中遇到的問題提出了一種分布式的5G信號監測解決方案。

【關鍵詞】" " 5G" " 無線電監測" " 分布式

引言：

隨著5G技術的出現和發展，將推動大規模創新的爆發，開啟一個全新的數字時代。作為支撐我國經濟社會數字化轉型的“新基建”重要內容，5G將與我國經濟社會各領域高度融合。習總書記多次提出要加快5G發展，對5G寄予厚望。工業和信息化部專門下發《關于推動5G加快發展的通知》，推出18項舉措，其中對構建5G安全保障體系提出明確要求。

但由于中國在全球率先啟動5G大規模建設，面臨探路風險，產品成熟性和穩定性面臨考驗。同時，隨著5G商用終端越來越多涌現，5G頻譜監測管理方面還有許多意想不到的技術問題需要解決。利用無線電監測新技術，建設靈活、高效的5G信號智能監測、分析系統，是搶抓5G未來發展機遇、占領國際競爭制高點的重要一環，對于助力我國贏得數字化轉型競爭優勢具有重要意義。

一、關于5G的5個關鍵技術

從消費者的角度來說，最能夠體現5G優勢的就是比4G快得多的速度，例如下載一部高清電影不會超過1秒鐘（峰值達數十個Gb每秒），甚至比眨眼還要快。正是因為有如此獨特的優勢，業內都普遍認為未來5G將在諸多領域發揮相當重要的作用，常見的應用場景諸如遠程醫療、汽車無人駕駛、虛擬現實以及物聯網等。和現有的4G通信比較，5G通信性能上的提升絕非只有速度一點，而是立體全面的，具體而言，5G應具備3個方面的顯著特性，即：超低的延遲、超高的容量、超高的性能。這些優點之所以能充分發揮則完全依賴于如下5個關鍵技術：1毫米波、小基站、Massive MIMO、全雙工、波束成形。

1.1 毫米波技術

眾所周知，頻譜資源是有限的，而隨著無線網絡上聯接的設備不斷激增，使得這個問題越發凸顯。目前的頻譜不僅有限而且狹窄，若仍在其上對有限帶寬加以共享的話，后果就是極差的用戶體驗。那么問題來了，前述5G通信的超高速度是如何實現的呢？

通過提高頻譜利用率或提高頻譜帶寬的方法可以達到提高無線通信傳輸速率的目的。使用毫米波頻段的5G技術就是通過提高頻譜帶寬的方法來提升傳輸速率的。毫米波是指頻率在26.5 GHz和300GHz之間的電磁波，用在5G通信時，28GHz頻段的可用頻譜為1GHz，而60GHz頻段各信道可用信號帶寬能達到2GHz。

在5G技術之前，毫米波只應用于衛星和雷達系統，而目前已經有電信運營商開始用其在各基站之間做相關測試試驗。目前，我國的5G應用還是主要集中在Sub 6G頻段，但毫米波將是未來5G應用的重要頻段，2019年工信部就已經明確指出了要做好這頻段的頻率使用規劃。應該講，毫米波在5G通信的應用開啟了移動通信歷史上新的頻帶資源。毫米波的頻率雖然高，但其缺點也是顯而易見的，由于其高頻率、短波長，導致繞射能力弱，穿透力差，傳輸過程中衰減也大，因此要讓5G通信在毫米波頻段下輕易穿透城市林立的高樓大廈絕不是一件輕而易舉的事，要解決這個問題就必須依賴于另一項關鍵技術——小基站。

1.2 小基站技術

毫米波的頻率很高、波長很短會使其在空氣中傳輸時的穿透力很差，衰減也大，但也正因為如此，可以把天線的尺寸做得非常小，這也正是小基站部署的基本條件?；?G技術的移動通信將不再依賴于大型基站的布設構架，取而代之的是密布的為數眾多的小型基站，由它們組成的網絡將把原來大型基站所不能企及的通信末梢無死角覆蓋。

在城市當中，電信運營商通過密集布設小基站進行通信，這些小基站會組成一個網絡，每個基站可以從其它基站接收信號然后轉發，這樣數據就可以到達任何位置的終端。一般情況下，每個基站的布設間隔不會超過三百米。與傳統的大基站相比，無論是在體積還是在功耗上小基站都會大幅縮小。

5G基站不僅可以通過毫米波進行通信，它的天線數量也比現在的基站多很多，這就要牽涉到另一項關鍵技術——Massive MIMO（大規模多輸入多輸出）。

1.3 大規模多輸入多輸出技術

通常，一個4G基站的天線數量不超過20根，而5G基站的天線數則成數量級地增加，可以支持上百根。通過Massive MIMO技術將這些天線組成一個大規模的天線陣列，基站得以在同一時刻向更多用戶發送和接收信號，如此移動網絡的容量就得到大幅度提高（數十倍或更高）。

Massive MIMO的意思是：大規模多輸入多輸出，它的出現可以說是引領無線通信的新方向。不同于傳統通信系統要么復用時域，要么復用頻域來共享資源，大規模多輸入多輸出引入空間域的概念，基站可以用大量的天線進行數據收發，同時還要保證它們之間的同步，由此不僅是在頻譜效益還是能源效率都能取得巨大的增益。

毫無疑問，大規模多輸入多輸出是5G商用化的一項關鍵性技術，但是眾多天線帶來的不利影響也是顯而易見的，這就是天線之間更多的相互干擾，如何解決這一問題呢？這就要提到另一項關鍵技術——波束成形。

1.4 波束成形技術

如何有效減少天線之間的干擾是大規模多輸入多輸出技術面臨的主要挑戰。Massive MIMO將眾多的天線構成了陣列，若通過某些方法或手段控制好陣列中的每根天線，能夠讓它們發射的電磁波得到相互抵消或者增強，從而形成一條比較窄的波束，電磁波在傳播時會沿著波束的方向而不360度發射，這樣能量就會沿波束方向集中，這樣不僅大大增加了傳輸距離，還能有效地避免信號之間的相互干擾。這種技術就叫波束成形（beam forming）技術：讓電磁波按照某種特定方向傳播的技術。

波束成型技術可以讓基站同時通過多條天線發送更多的信息，從而進一步提高了頻譜資源利用率。信號在到達終端之前須經大規模天線基站的轉發，這就需要設計出一套復雜的信號處理算法來計算最優傳輸路徑。波束成型技術有效解決了毫米波傳輸信號被阻擋和遠距離衰減的難題。

1.5 全雙工

5G實現其所需的高吞吐量和低延遲的關鍵技術就是全雙工。所謂全雙工，就是指通信雙方在同一時間能夠在兩個方向上傳輸數據。這種通信模式固然大大提高了數據傳輸容量與頻譜效率，但仍然面臨下面三個方面的技術挑戰：

1.電路板設計問題。既要滿足低成本、小尺寸、低功耗的要求，還要保證兩個較為苛刻的條件，一是自干擾消除電路要保證＞100MHz的寬頻；二是多輸入多輸出的天線數量至少不低于32根。

2.物理層和介質訪問控制層的優化設計問題。優化的內容不僅包含編碼、調制、同步、檢測、偵聽、沖突避免、響應等，還要針對多輸入多輸出做物理層的特別優化。

3.全雙工（Full Duplex）模式與半雙工（Half Duplex）模式動態切換問題。主要涉及兩種不同模式切換時的控制面優化，和對現有幀結構以及控制信令的優化問題。

二、5G對無線電監測的挑戰

通過上述分析不難看出，5G無線通信所采用的新技術、產生的新場景，以及由此帶來的新特點無疑會給無線電監測管理機構帶來巨大挑戰，既有的一些管理監測手段將不再適用。特別是今年以來，隨著我國以5G為代表的“新基建”建設提速，各地無線電監測管理機構接到了大量關于5G用頻干擾的投訴，在具體處置過程中，也充分暴露出當前無線電監測管理機構針對5G用頻監管方法不多、設備缺乏的普遍問題。具體來講，5G給無線電管理監測帶來的挑戰主要集中在精細化頻譜管理和網格化頻譜監測兩個方面。

2.1 基于精細化的頻譜管理

頻譜資源日益凸顯的供需矛盾會隨著5G時代的到來越發顯著，必須對有限的頻譜資源進行精細化的管理才能有效解決問題。要做到精細化頻譜管理就必須做好以下三個方面的具體工作：

1.科學用頻規劃。做頻率規劃時，要有前瞻性，能夠對頻譜需求做出預測分析。應運用大數據、人工智能等前沿技術構建用頻預測模型，不僅要善于應用歷史數據，還要綜合考慮用戶的特殊用頻需求，以便從宏觀上確定頻率復用方案。

2.規范頻率指配。在進行頻率指配時應遵循從虛到實、由理論到實踐的過程，即應用相關的專業軟件進行仿真，仿真時充分考慮各方面的因素，包括用戶需求（傳輸容量、覆蓋范圍）和相關參數（發射功率、頻率范圍、占用帶寬等），最后還要在頻率指配文件中加以規范與控制。

3.避免同頻干擾。新建臺站時要根據現有臺站的具體情況，做出合理規劃，特別要注意電磁兼容性的問題，要切實做到有效避免同頻干擾。這就要求無線電管理機構在整個工作環節中不僅要做到“精”，還要突出“細”，以確保無線電頻譜管理的精準、可靠、最優。

2.2 基于網格化的頻譜監測

當前，我們的城市正處在一個極為復雜的電磁環境中，難以計數的電子設備在同時使用，電磁波在城市中的傳播會遇到不同類型障礙物的阻礙，反射、多徑、干擾、衰減等情況異常嚴重，而5G的蓬勃興起會加劇這種復雜情況。傳統的固定監測站由于布設距離較遠，加之城市中復雜的地形地貌，不可避免地會出現監測盲區。如果盲區正好是重點區域的話，則有安全隱患之虞。對于小功率信號、瞬時信號、突發信號來說，同樣也是大型固定監測站的短板。網絡化頻譜監測可以有效彌補固定監測站的缺陷，也是未來無線電監測領域須要著力的方向，我們認為應把握好3個具體環節：

1.站點布設無死角。要科學合理布設各監測站點，做到對被監測區域的全覆蓋，特別是重要場所和重點區域切實不留盲區、死角；能夠盡可能抵近發射源，對低功率信號、突發信號、瞬態信號實施有效監測。

2.架構靈活易維護。網格化監測系統應是基于分布式網絡架構的無線電監測管理平臺，這樣不僅可以保證系統的靈活性，可伸縮性好，也便于架設與維護，成本也相對低廉。

3.技術先進智能化。系統應充分利用大數據、人工智能等前沿技術，能夠對海量監測數據進行存儲及智能分析，在時、頻、空、能量域提供主動式的監測服務；能夠為無線電管理機構摸清頻譜資源底數，搞好頻譜資源規劃，做好監測管制工作提供精細、準確、全面的技術保障。

三、分布式5G無線電監測解決方案

根據目前我們在實際5G干擾排查工作及對前述5G技術特點分析的基礎上，提出一種分布式5G無線電監測解決方案設想。

3.1 系統目標

充分利用新一代信息技術，構建起自動化、綜合化、立體化無線電信號監測體系，對5G信號干擾源、受擾終端開展常規監測或針對性監測，及時捕捉和識別小概率無線電干擾、疑難無線電干擾，從而整體提升無線電頻譜資源監管能力。具體目標如下：

1.系統具備“全時”感知能力，能夠滿足7×24小時工作要求。

2.系統具備專項感知能力，能夠全方位覆蓋5G譜段，對布設區域內低發射概率無線電干擾信號進行精確監測。

3.系統具備“全網”管理能力，能夠實現多點聯網、數據共享。

4.相關設備操作簡便、機動、靈活，符合無線電專業人員開展逼近式查找需要。

3.2 系統架構

系統為分布式設計，由數據處理中心和各監測分中心組成，通過有線或無線方式連接，如圖1所示。

從圖中可以看到，數據處理中心連接了4個監測分中心；每個監測分中心獨立組網（通過有線或無線方式連接），包含了布設于各干擾源的傳感器、布設于受擾系統的可搬移式（便攜式）5G頻譜分析設備，分中心可獨立工作；數據處理中心對各監測中心數據進行匯總、分析、處理，并協同各分中心工作。

3.3 系統功能

1.自動觸發采集。當有突發信號時，分中心監測設備自動觸發信號采集機制，并向分布于各監測點的傳感器發出數據采集命令，經同步后，各傳感器采集信號并回傳分中心分析設備，分中心分析設備再將數據傳至數據處理中心，當收到終止采集命令后傳感器進行入休眠狀態。

2.實時頻譜分析。監測分中心的頻譜分析設備能夠對采集到的信號進行實時頻譜分析，其分析帶寬應不小于5G信號傳輸所要求的帶寬；數據處理中心能對各監測分中心的信號進行多維度的綜合分析。

3.信號快速發現。數據處理中心通過在時域、頻域、空間域、概率域的綜合研判實現對可疑信號的快速發現；監測分中心頻譜分析設備也具備對本中心可疑信號快速發現及上報功能。

4.目標精準定位。通過5G載波分析和波束分析實現解碼，對目標進行精準定位。

5.深度自主學習。系統具備AI功能，能夠進行深度自主學習，可自動完善知識庫，不斷提高分析決策能力。

3.4 系統特點

1.部署便捷化。系統部署應方便快捷，原則上各信號采集點的平均部署時間應不超過10分鐘。

2.管理精細化。通過不間斷的頻譜采集分析可對5G各應用場景的用頻特點和規律精準掌握，從而為精細化頻譜資源管理提供決策依據。

3.監測網格化。通過密集的監測采集傳感器布設可實現網格化監測。

4.決策智能化。通過人工智能技術和大數據分析技術可實現系統管理、監測的自動化和智能化。

5.處置快速化。通過多維度的分析，并配合便攜式的小型化設備可實現干擾排查的快速處置。

6.成本低廉化。系統以聯網方式構成，多監測分中心共享一個數據處理中心，以傳感器為主，可大幅降低建設成本。

四、結束語

5G是經濟社會和無線通信技術發展的必然產物，如何使5G產生其應有的價值是無線電管理機構需要研究的問題。我們必須更加積極主動，更加科學規劃，綜合施策，才能更好地做好適應5G快速發展的頻譜監測及管理服務工作，為我國的經濟社會發展做出應有的貢獻。