关键词：5G时代；频谱管理模式
为满足5G场景需求，需要统筹考虑涵盖低、中、高频段在内的全频段。低、中频段一般指6GHz以下的频段，以中、低频互补的方式来解决网络连续覆盖的问题，而高频段则指6GHz甚至24GHz以上的频段，因其覆盖能力有限，但具备大带宽能力，可满足热点区域极高的用户速率和系统容量需求。
1 5G时代频谱资源的战略价值
国际电信联盟（ITU）正式公布5G命名为IMT-2020以及2020年完成5G标准的固化。同时也明确了5G的主要性能指标，包括5G网络将至少有20Gbps的速率，在1km 2的范围内为超过100万台物联网设备提供超过100Mbps的平均数据传输速度。尤其是定义了5G的主要应用场景，包括增强版的移动宽带、大规模机器通信和高可靠、低时延通信3个关键方
向。5G不仅要将端到端时延缩短到1ms，还要保障通信网络99.999%的可靠性。移动通信发展的历史证明，每一次历史性的演进在为人类经济社会发展带来巨大动力的同时，也必然面对频谱利用技术和频谱资源开发的严峻挑战。因此，世界无线电通信大会（WRC-15）的首要议题（1.1议题）确定为“审议为作为主要业务的移动业务做出附加频谱划分，并确定国际移动通信（IMT）的附加频段及相关规则条款，以促进地面移动宽带应用的发展”。总之，5G时代需要充足的频谱资源作为保障，而将移动宽带频谱划分及相关规则条款列为WRC-15的首位议题，并且先于5G标准的固化的安排，足显5G时代频谱资源的战略价值。
2 5G频谱分析
低频段主要用于满足广覆盖、高移动性场景下的用户体验和海量设备的连接需求。但目前这部分频段资源十分有限，特别是3GHz以下可用频谱资源已经分配殆尽，很难找到大块频率来满足5G系统的需求。。根据W RC-1 5的会议成果，我国无线电主管部门主要针对6GHz以下的3 0 0 0~5 0 0 0 M H z频段，确定将3300~3400MHz、3400~3600MHz、4800~5000MHz共500MHz率先规划用于5G系统。三大运营商获得全国范围5G中低频段试验频率使用许可。其中，中国电信获得3400~3500MHz频段的5G试验频率资源；中国移动获得2515~2675MHz、4800~4900MHz频段的5G试验频率资源；中国联通获得3500~3600MHz频段的5G试验频率资源。从长远来看，为了满足5G系统广覆盖、大规模机器通信对低频段的需求，无线电主管部门未来可适时将已经规划给2G、3G和4G系统的频谱资源，通过优化、重耕、共享等多种方式用于5G系统。5G频谱横跨高、中、低频段，主要为中频段，其衰减特性仿真结果如图1所示。从不同频段的衰减来看，高频段损耗明显增加，稍有遮挡即可能形成筛形覆盖，且NLOS比LOS损耗增加更多，造成覆盖缺陷。
.png)
图1中频率衰减仿真结果
3 全球5G频谱研究动态
全球5G频率规划工作主要在ITU等国际标准化组织的框架下开展。对于5G高频段而言，为满足移动通信(Interna．tional Mobile Telecommunication，IMT)系统在高频段的频率需求，2019年世界无线电通信大会(WRC一19)研究周期内新设立了1．13议题，在6 GHz以上频段为IMT系统寻找可用的频率，研究的频率范围为24．25。86 GHz。其中，既包括24．25～27．5 GHz、37～40．5 GHz、42．5～43．5 GHz、45．5～47 GHz、47．2～50．2 GHz、50．4～52．6 GHz、66～76 GHz和81～86 GHz上述8个已有移动业务为主要划分的频段，还涵盖31．8—33．4 GHz、40．5～42．5 GHz和47～47．2 GHz这3个尚未划分给移动业务使用的频段。对于世界上的主要国家和地区，其重点关注和规划的频段与ITU的标准频段基本相符。此外，各国也可根据自身频率划分和使用现状，将部分ITU尚未考虑的频段纳入5G用频范畴。近期，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)通过了将24 GHz以上频谱规划用于无线宽带业务的法令，包括27．5—28．35 GHz、37～38．6 GHz和38．6～40 GHz频段共计3．85 GHz带宽的授权频率．以及64—71 GHz共计7 GHz带宽的免授权频率。欧盟委员会正式发布了5G行动计划“5G for Europe：An Action Plan”表示将为5GN试提供临时频率，测试频率将由1 GHz以下、1～6 GHz和6 GHz以上频段共同组成：并确定6 GHz以下的5G频率规划和毫米波的频率划分。以支持高低频融合的5G网络部署。欧盟将为5G重点考虑700 MHz、3．4～3．8 GHz、24．25～27．5 GHz、31．8～33．4 GHz、40．5～43．5 GHz等频段：在征求意见基础上．经过3个月的研究和协商，欧盟委员会无线电频谱政策组(RSPG)正式发布5G频谱战略，明确24．25～27．5 GHz、3．4～3．8 GHz、700 MHz频段作为欧N5G初期部署的高中低优先频段。
4 新的频谱管理技术
4.1 上下行解耦。上下行解耦（Downlink and UplinkDecoupled Access）是指上行和下行分开传输。无线网络覆盖由上行链路和下行共同决定，需要达到上下行链路平衡。正常情况下基站发射天线增益大、功放功率大，而终端由于体积受限不能做大天线增益和功放功率，因此多数情况下上行覆盖受限。到了5G时代，随着基站侧MassiveMIMO射频硬件性能增强等各种先进技术的运用，基站下行覆盖能力越来越强，而上行受制于终端的限制，覆盖能力的增强远不及下行，这就使得5G时代上下行覆盖不均衡的问题进一步加剧。上下行解耦解决方案将很好地解决5G时代上下行覆盖不均衡的问题。上下行解耦将蜂窝网络的覆盖区域划分为“平衡区域”和“非平衡区域”。对于上下行功率平衡的区域，传统基于RSRP或RSRQ的服务基站接入策略仍然适用，UE的上下行方向接入同一基站。对于上下行功率不平衡的区域，UE的上行连接和下行连接不再耦合，下行方向沿用传统策略，参考下行导频信号的强度选择最优的基站作为下行服务小区，而上行方向则依据信号经过上行链路后的性能进行接入判定。在3.5GHz上行覆盖较好的地方，上下行均使用3.5GHz频段进行传输，而在边缘区域和5G下行覆盖充分而上行覆盖不足的地方，UE借用LTE（Sub-3GHz）频段进行上行传输，以减少高频衰减，增强上行覆盖能力。通过研究发现，终端在近点时，基站采用3.5GHz作为下行覆盖，终端上行也采用3.5GHz；终端在远点时，基站采用3.5GHz作为下行覆盖，终端上行采用1.8GHz，以此增加覆盖范围，参考某机构的数据，后者比前者可增加45%的覆盖能力。
4.2 频谱重耕。频谱重耕是指电信网络运营商对既有频谱资源按技术演进的不同系统制式需求进行重构或者重组，以达到提升与更有效利用频谱资源的目的，即有效降低构建网络与系统的建设成本（CAPEX）、运维成本（OPEX）以及总拥有成本（TCO）。当前部分设备商可提供LTE-NRSDR（Software Defined Radio）设备，该AAU设备支持D频段160MHz宽频。LTE-NR SDR设备可满足不同制式在不同时期的容量需求，能够调整不同制式的带宽分配或根据容量需求动态自适应调整。比如，在5G建网初期阶段，5G使用100MHz带宽，LTE使用60MHz带宽，随着5G发展，4G流量在2021年左右到达顶峰后开始下降，后续可以将更多的频谱逐渐释放给NR使用，最终160MHz全部是NR（4G业务用其他频段承载）。除了频谱自适应分配，AAU设备的总功率也可以根据需求分配给NR和LTE。
4.3 频谱共享。频谱共享是指由两个或两个以上用户共同使用一个指定频段的电磁频谱。参与频谱共享的用户主要分为主用户和次用户两类。其中，主用户是指最初被授予频段且愿意与其他接入者共享资源的用户，次用户是指其余被允许按照共享规则使用频谱的用户。在5G NR上下行解耦场景下，与LTE共享1.8GHz频谱可以为5G NR提供上行低频频谱，提升NR上行覆盖能力，如图2所示。
.png)
图2 5G NR与LTE共享频谱应用
频谱共享已被认为是解决频谱供需矛盾、提高频谱使用效率的方案之一。推行频谱共享已经成为国际主流趋势，为当前频谱紧张局面提供了一种极为有效的解决途径。
4.4 载波聚合。载波聚合是将多个连续或离散载波聚合在一起，形成一个更宽频谱。载波聚合可分为连续载波聚合和非连续载波聚合，最大聚合带宽为100MHz。3GPP在LTE-Advanced Release 10（TR 36.913）阶段已引入了载波聚合，通过同频带、异频带不同的成员载波聚合成为更大带宽，成倍地增加用户峰值速率，可以聚合40～100MHz（2~5个载波）带宽，提供300～750Mbit/s甚至大于1Gbit/s（4×4MIMO）的峰值速率，以满足3GPP的要求。5G时代最高峰值数据传输速率将达到20Gbit/s，载波聚合必定成为实现这个目标的核心技术，而5G增加的多个频段又可以提供更多载波资源，为更多载波的聚合提供条件。另一方面，5G时代，6GHz以下的频谱资源将更加拥挤和碎片化，载波聚合技术可以将多个分散频率合成在一起，在提高通信带宽的特性方面将大有用武之地。
为了落实国家5G发展目标，运营商将根据国家战略、各地政府和行业需求、产业进展，以5G为契机，实践产业合作驱动创新应用，同步开展5G技术与行业应用结合的研究、试验和部署，锻造5G核心研发能力，推动5G产业链成熟，打造合作、创新、共赢的5G生态圈。
参考文献：
[1]李瑞.我国5G研发国际领先产业发展需提前布局.中国电子报[N],2017-01-29.
[2]李建.发展低频段5G的策略探讨[J].移动通信,2017(19):18-21.
论文作者:李飞举
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第4期
论文发表时间:2020/4/22
标签：频段论文; 频谱论文; 载波论文; 频率论文; 基站论文; 需求论文; 资源论文; 《工程管理前沿》2020年第4期论文;