一部10GB蓝光画质级别的电影,不到20秒就可下载完成。这就是未来的5G时代。

作为第五代移动通信技术,5G以其超高的网络传输速率和极低的网络延迟时间为正在使用2G、3G、4G网络的用户勾勒出一幅高速蓝图。

为了尽早实现这幅蓝图,我国正在紧锣密鼓地开展相关准备工作。中国信息通信研究院副院长王志勤于近日表示,我国5G频谱资源的最终许可方案计划将在今年9月正式发布。对此业内人士表示,5G频率划分一经确定,对于运营商的重要意义在于可基本估算出组网的成本,这意味着我们离5G又近了一步。

那么,频谱是什么?为何发布频谱方案如此重要?随着5G时代的到来,移动数据将呈现爆炸式增长,频谱资源又将面临哪些问题?

频谱是5G建设基础 当前处于稀缺状态

在解释频谱前,让我们先回想下,平时用手机打电话的场景。我们几乎每天都会打电话,但你有没有想过,为何两个相隔千里的人也能用手机听到对方的声音?

在过去很长一段时间,书信曾是传递信息的主力,邮递员承担着信件的收发工作。实际上,手机通信与信件传递一样,是实现信息交流的手段,而帮助手机传递信息的“邮递员”是电磁波。这种看不见、摸不着的载体将一个人的声音信号传递给另一个人。

手机之外,电磁波还是广播、Wi-Fi等无线设备传递信息的“邮递员”。不同形式的信息传递方式会使用不同频率的电磁波,如1880MHz—1900MHz频段用于中国移动用户的4G通信业务,2.4GHz频段用于家用Wi-Fi业务。

不论是手机还是Wi-Fi,它们都属于无线电业务。这些无线电业务所使用的频率范围在3Hz—300GHz之内,这一范围内的无线电磁波频率被统称为无线电频谱。

专业人员将上述频谱资源划分成很多频段,这些频段只能用于特定业务,相当于为不同的通信业务指派专门的“邮递员”。例如,美国联邦通讯委员会规定将28GHz频段的频谱资源用于开发5G无线网络,那么28GHz这个“邮递员”便只能服务于5G网络信息传递。可想而知,如果没有“邮递员”,无论5G多么出彩,都是空有一身武艺,没有施展的“舞台”。

然而,在一定程度上,现阶段频谱资源是稀缺的。由于低频段的电磁波传播损耗小、覆盖距离远、开发难度较小,因此这类频谱资源主要应用于很早起步的广播、电视、寻呼等系统。而高频段频谱资源则恰恰相反,它的频率越高,开发技术难度越大、服务成本越高,目前人们能用且用得起的高频段资源较少。

因此,目前高、低频段的优质资源的剩余量十分有限。

频段被分配给运营商 实行专属开发

“目前,全球共享用于地面移动通信网络的频谱资源。各国分别设立监管机构管理频谱资源,如美国联邦通讯委员会和我国的无线电管理委员会。”南京世域天基通信技术有限公司总裁郭正标在接受科技日报记者采访时表示。

各国监管机构往往将频谱资源分配给无线网络运营商,有的国家采用无偿配发的方式,有的国家则采用竞拍形式将部分频谱资源的使用权卖给运营商。

长期以来,我国一直采用政府行政审批并收取无线电频率占用费的方式,由主管行政单位将频谱资源分配给中国电信、中国移动、中国联通三大运营商。

那么分配之后,频谱资源又是如何被使用的呢?

“可将频谱看成是一片尚待开发的‘土地’,2G、3G、4G等移动通信技术可分别占用其中一部分‘土地’,也就是一部分频段进行开发、利用。而且,每块‘土地’都实施专属开发原则,即一块‘土地’只能供1种移动通信技术使用。”深圳金航标电子有限公司技术总监康飞向科技日报记者解释,比如中国移动从政府部门获得4G频段的牌照后,只能利用该频段开展4G业务。当然还有一些频段没有被分配,就像城市总会预留出一些土地暂不规划、以备后用。

国际上早在十几年前就对5G频谱分配作了规划。

据报道,现已有40多个国家和地区的监管机构正在开展供5G网络使用的相关频谱规划。欧盟委员会于2012年11月推出了“构建2020年信息社会的无线通信关键技术”项目(METIS项目),致力于研究5G无线通信系统。随后美国、韩国等国纷纷跟进,在5G关键技术、系统框架以及用户推广等方面开展多线研究。2015年10月,国际电信联盟正式确定了5G发展计划,并将其命名为“IMT—2020”。按照这一计划,2020年该联盟将完成5G技术规范。

2017年6月,我国工信部先后面向社会广泛征集3300MHz—3600MHz、4800MHz—5000MHz、24.75GHz—27.5GHz、37GHz—42.5GHz或其他毫米波频段(频域为30GHz—300GHz)5G系统频率规划的意见。2017年11月,工信部发布了关于3300MHz—3600MHz和4800MHz—5000MHz频段用于5G系统的通知。“除上述频段外,73GHz频段也可能会被用于5G开发。”康飞预测。

供求矛盾愈发凸显 管理模式亟待变革

“可以预见,在5G时代移动数据流量将呈现爆炸式增长,所需频谱数量也将远超前几代移动通信技术的总和。”康飞指出,频谱供需矛盾将在5G时代愈发凸显。

那么在目前供给有限的情况下,如何使频谱资源发挥出其最大效力,这是目前众多学者研究的课题。频谱资源通常掌握在运营商手中,运营商一旦获得某个频段的使用权,那么该频段将为此运营商的用户专用,这通常被称为静态频谱分配方式。因此即便运营商不使用或很少使用该频段,其他运营商也无法使用。长期以来,这种频谱分配策略导致部分频谱利用率较低,出现闲置现象。

能否将这些利用率低的频谱从原运营商手中收回,经整合、规划后再次投入到市场中?激励拍卖分配方式就在这样的思路下产生了。

早在2012年,美国联邦通讯委员会便开始针对频谱资源的再利用问题进行了深入研究。2017年3月,美国600MHz广播电视频段的激励拍卖顺利完成,这是全球首次对频谱资源进行激励拍卖。本着自愿原则,美国联邦通讯委员会首先向原持有600MHz频段的广播电视运营商回收总计84MHz的频率资源,随后对其进行规划,并将频谱资源进行拍卖。

此外,针对缺乏灵活性的静态频谱分配方式,一些学者提出动态频谱分配建议。他们提议,能否根据网络中业务量分布情况,动态地分配有限的频谱资源,以提升频谱资源利用率。但受限于当前的频谱资源管理模式和具体分配技术,动态分配方案距离落地还有很长的路要走。

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卫星通讯领域频谱资源更匮乏

在陆地上,由于各国基站相隔较远,因此不同国家在使用相同频段的频谱时,也不易产生干扰问题。但到了天上,问题就开始变得复杂起来。

郭正标表示,基于卫星的空间通讯技术往往涉及跨国服务,如果不同国家对同一频段均可使用,就很容易产生干扰问题。因此国际电信联盟规定,各国运营商必须对某一频段频谱的使用进行申请,方能得到授权;一旦通过授权,其他运营商不得再使用此频段。

“就像圈地盖房子,由于欧美等国的卫星运营商起步早,他们早早就把地盘占上、将房子盖好。”郭正标比喻道,“能盖房子的土地就那么多。我国起步较晚,再想盖房子,土地审批难度大不说,好的地段早早就被盖上了其他国家的房子,只能争夺剩下较差的地段了。而且随着科技发展,会有越来越多的卫星运营商争夺剩下的资源。因此,空间通讯技术所依赖的频谱资源十分紧缺。”