5G網(wǎng)絡(luò)中無線頻譜資源分配的進(jìn)展分析

陳 亮,楊 奇

(武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,武漢 430074)

5G網(wǎng)絡(luò)中無線頻譜資源分配的進(jìn)展分析

陳 亮,楊 奇

(武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,武漢 430074)

現(xiàn)有LTE(長期演進(jìn))網(wǎng)絡(luò)所使用的6 GHz以下頻段難以滿足日益增長的網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求,而5G網(wǎng)絡(luò)能夠提供大量連續(xù)的頻譜資源,是未來無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。針對多種無線接入應(yīng)用場景,提出影響頻譜資源分配的各種因素和高低頻段的一些分配方式。結(jié)果表明,復(fù)用低頻段和增加新的高頻段空口能夠滿足5G網(wǎng)絡(luò)的需求。

第五代移動通信網(wǎng)絡(luò);頻譜資源;6 GHz以上頻段;24 GHz頻段

0 引 言

5G(第五代移動通信)是IMT(國際移動通信)的下一階段,ITU(國際電信聯(lián)盟)將其正式命名為IMT-2020。隨著萬物互聯(lián)時代的到來,越來越多的事物、人、數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來,很多因素將會導(dǎo)致其對于更多授權(quán)型無線頻譜或共享型頻譜資源接入的需求。

5G網(wǎng)絡(luò)是萬物互聯(lián)的第一步,無線頻譜資源的分配和利用又是5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的第一步,因此頻譜資源是決定其成敗的關(guān)鍵。由于有良好的傳輸特性,6 GHz以下頻段已成為業(yè)界研究的核心頻段,5G將通過工作在該低頻段的新空口來滿足大覆蓋、高移動性場景下的用戶體驗和海量設(shè)備連接[1]。然而針對大流量、高密度的需求,5G網(wǎng)絡(luò)必須要有300 MHz以上的連續(xù)頻譜作為支持,因此在6 GHz以下已很難找到滿足如此大帶寬的頻譜資源,而6 GHz以上頻譜資源更為豐富,業(yè)務(wù)劃分與使用相對簡單,能夠提供連續(xù)大帶寬頻帶。因此目前是在4～6 GHz頻段內(nèi)尋找合適的頻譜,利用現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)建設(shè)平滑演進(jìn)到5G網(wǎng)絡(luò),同時在6～100 GHz的高頻段上開展頻譜規(guī)劃和高頻新空口的研究工作。

1 影響頻譜資源分配的各種因素

1.1 不同應(yīng)用場景對頻譜資源分配的影響

全球移動通信行業(yè)針對5G移動通信系統(tǒng)提出了多種應(yīng)用和業(yè)務(wù)形式。其中既包括對于現(xiàn)有一些4G移動通信系統(tǒng)應(yīng)用場景的增強(qiáng),還更多地包括了一些新興的應(yīng)用,比如:4K/8K超高清晰度視頻、VR(虛擬現(xiàn)實(shí))、AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備應(yīng)用、面向垂直行業(yè)與商業(yè)領(lǐng)域的緊急任務(wù)應(yīng)用等。ITU-R確定了5G的3大主要應(yīng)用場景:增強(qiáng)型移動寬帶、超高可靠與低延遲的通信和大規(guī)模機(jī)器類通信。這些應(yīng)用類型均具有其獨(dú)特的技術(shù)需求(比如:超過10 Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率、100 Mbit/s的小區(qū)邊緣數(shù)據(jù)傳輸速率、1 ms的端到端延遲/時延等[2]),從而需要設(shè)計具有足夠能力的5G移動通信空口來予以滿足,同時必須為其分配足夠使用的無線頻譜資源。這些應(yīng)用的需求可以由現(xiàn)有4G移動通信系統(tǒng)的后續(xù)演進(jìn)及已有的無線頻譜資源來滿足,而5G移動通信系統(tǒng)則可提供額外的能力使這些應(yīng)用具備更好的用戶體驗,所以就需要提前考慮這些應(yīng)用對于無線頻譜資源需求的影響。

上述各種重要的應(yīng)用類型,不僅將對5G無線接入的空口設(shè)計產(chǎn)生重大影響,同時也將對其實(shí)現(xiàn)

最優(yōu)化運(yùn)營所需的無線頻譜資源的物理頻寬及類型產(chǎn)生重大影響。在物理頻寬影響方面,數(shù)Gbit/s級別的超高無線鏈路傳輸速率可以通過采取UWB (超寬帶)載波來實(shí)現(xiàn),移動通信無線接入網(wǎng)絡(luò)需要具備UWB物理頻段的無線信道(比如300～500 MHz),而移動前傳和回傳網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)具備數(shù)Gbit/s級別的傳輸速率[3]。在無線頻譜資源類型影響方面,主要在于面對各類緊急任務(wù)應(yīng)用(比如公共安全)的超高可靠無線通信,此類應(yīng)用場景往往需要無線電波能夠很好地穿透地面及其他障礙物并實(shí)現(xiàn)泛在的網(wǎng)絡(luò)覆蓋,因此需要選用無線傳輸特性優(yōu)良的低段物理頻段,比如位于UHF(超高頻段)的低段頻段來完成;未來5G場景中的應(yīng)用類型復(fù)雜多樣,與之對應(yīng)的無線頻譜資源的影響也有很大的不同,如表1所示[3]。

表1 不同應(yīng)用場景給頻譜資源分配帶來的影響

1.2 實(shí)際部署環(huán)境對頻譜資源分配的影響

除了不同的應(yīng)用場景之外,在實(shí)際部署環(huán)境中出現(xiàn)的一些問題同樣會對無線頻譜資源的分配產(chǎn)生較大的影響。比如,運(yùn)行于相鄰頻段的無線系統(tǒng)與業(yè)務(wù)可能會影響蜂窩移動通信系統(tǒng)的性能,由于來自鄰近信道的各種干擾因素,會影響到某些無線應(yīng)用和業(yè)務(wù)所需要達(dá)到一定程度的無線頻譜資源物理帶寬總量。除了鄰近信道的干擾,多個移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商也會帶來諸多的影響,尤其是在非同步TDD (時分雙工)網(wǎng)絡(luò)中,運(yùn)營商之間可能會產(chǎn)生系統(tǒng)間無線干擾,從而影響到各自無線接入網(wǎng)絡(luò)的性能。因此,需要為每個移動通信運(yùn)營商提供足夠的無線頻譜資源,同時,在各運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)之間、在移動通信無線接入網(wǎng)絡(luò)與其他無線電系統(tǒng)之間設(shè)置一定的隔離頻帶,這樣在無線頻譜資源總量的預(yù)估上需要考慮相鄰無線電系統(tǒng)提供適當(dāng)隔離頻帶的需求。

當(dāng)然,影響無線頻譜資源的因素有很多,無線頻譜復(fù)用和無線空口的能力都會導(dǎo)致無線頻譜資源預(yù)估的誤差。在無線頻譜復(fù)用方面,出于對系統(tǒng)內(nèi)無線干擾及系統(tǒng)間無線干擾的考慮,有時就有必要在相鄰的無線接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用額外的物理頻段,即重復(fù)使用更多的無線頻譜資源,來為用戶提供更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、質(zhì)量與容量。在無線空口設(shè)計方面,采用多天線技術(shù)(比如大規(guī)模天線陣列技術(shù)、多維波束賦形技術(shù)等)是提高無線頻譜資源利用效率的方式之一,很有可能被應(yīng)用于5G移動通信無線接入網(wǎng)絡(luò),因此,頻譜資源利用效率也應(yīng)被考慮進(jìn)5G的無線頻譜資源需求之中,并且新增額外的物理頻段來對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行優(yōu)化。

2 對頻譜資源的分配方式的考慮

2.1 低頻段頻譜資源分配方式

5G移動通信可支持很大范圍內(nèi)的應(yīng)用場景,由于對于性能及底層頻譜的需求存在較大的差異,因此根據(jù)具體的應(yīng)用和業(yè)務(wù)類型來選擇相對應(yīng)的物理工作頻段就顯得非常重要。比如,低頻空口將利用6 GHz以下低頻段良好的信道傳播特性來滿足某些類型的應(yīng)用對于長距離傳輸?shù)母叻€(wěn)定性能的需求。

由于移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商會將其LTE(長期演進(jìn))及后續(xù)演進(jìn)系統(tǒng)遷移至5G網(wǎng)絡(luò),低于6 GHz頻段的可用物理頻段資源就顯得非常重要。在LTE不斷發(fā)展演進(jìn)的過程中,可采用諸如高階射頻調(diào)制與三載波聚合等新技術(shù)來擴(kuò)展LTE傳輸帶寬的能力,這些新興的LTE特性可在無需對無線頻譜資源分配規(guī)則進(jìn)行大幅修改的情況下,在低于6 GHz的物理頻段中實(shí)現(xiàn)。因此,業(yè)界可以在低頻段內(nèi)繼續(xù)部署4G網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)演進(jìn)系統(tǒng)并逐步部署5G移動通信系統(tǒng),由于原有的無線頻譜資源是專門指定和分配的,而且位于授權(quán)型頻段之內(nèi),就可以充分地利用已有的技術(shù)與特性。但是,為了使移動通信無線接入網(wǎng)絡(luò)的各類新技術(shù)與現(xiàn)有已分配的授權(quán)型頻段以相互兼容的方式實(shí)現(xiàn)商用部署,需要為其指配足夠的、新的無線頻譜資源,以滿足移動寬帶網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量與視頻流量持續(xù)增長的需求。簡而言之,在短

期之內(nèi),位于6 GHz以下的物理頻段內(nèi)的無線頻譜資源可被用于擴(kuò)展現(xiàn)有移動寬帶網(wǎng)絡(luò)的可用性及系統(tǒng)容量。需要提到的是,ITU-R M.2290在研究成果中報告,預(yù)計到2020年,全球國際移動通信所需的無線頻譜資源總量在1 340 MHz(對于用戶低密度分布的區(qū)域)到1 960 MHz(對于用戶高密度分布的區(qū)域)之間[4],而僅對于全美洲區(qū)域,移動通信的頻譜缺口就在389～1 009 MHz之間。因此,為了解決移動寬帶接入網(wǎng)絡(luò)短期需求不足的問題,對新增頻譜資源的授權(quán)分配將勢在必行。

2.2 高頻段頻譜資源分配方式

由于6 GHz以上的高頻段信號指向性強(qiáng)且有極高的流量密度,能夠滿足另外一些類型的應(yīng)用對短距離傳輸?shù)某邤?shù)據(jù)吞吐量的需求。為了獲得更多額外的物理帶寬資源,將移動寬帶接入服務(wù)的頻譜資源擴(kuò)展到6 GHz以上的物理頻段是很有必要的,并且需要為每個移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商分配數(shù)百M(fèi)Hz的可用物理帶寬,允許每個物理頻段的共享與接入使用。對于高于6 GHz的物理頻段,由于波長更小,在其上的移動寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑就會減小,發(fā)射天線與接收天線之間的路徑傳播損耗就會與頻率數(shù)值的平方成正比關(guān)系。此外,隨著頻率數(shù)值的增大,無線電波的穿透損耗與散射損耗等也會相應(yīng)地增大,而這些損耗必須通過增大天線在發(fā)射端和接收端的增益來得以補(bǔ)償,所以在6～30 GHz之間的頻段需予以重點(diǎn)考慮。在非視距傳輸環(huán)境中,相比于高頻段,低頻段可以提供更為一致的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力,從而對某些類型的應(yīng)用(比如實(shí)時視頻傳輸)而言具有重要的現(xiàn)實(shí)意義;而在同樣的非視距傳輸環(huán)境中,高頻段移動寬帶接入系統(tǒng)必須依賴于電波反射效應(yīng)。但是,根據(jù)最近60 GHz段技術(shù)的研發(fā),ITU-R已經(jīng)制定了有效成本的解決方案用來克服目前高物理頻段所帶來的諸多問題[5]。由于具有潛在的連續(xù)、高帶寬可用物理頻段,30 GHz以上的物理頻段也會用于對移動數(shù)據(jù)流量需求相當(dāng)高的特定應(yīng)用場景,比如,4K/8K高清晰度視頻通信所需的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)中心之間大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸,并可用于人們之間進(jìn)行高帶寬的虛擬現(xiàn)實(shí)交互式通信。綜上所述,根據(jù)不同物理頻段的特性,必須要考慮如何有效地利用6～100 GHz頻段來支持5G移動通信中的各類應(yīng)用場景。

3 我國和其他國家對5G授權(quán)頻段分配的進(jìn)展

越來越多國家政府的通信監(jiān)管部門已經(jīng)啟動了對于面向5G移動通信無線接入網(wǎng)絡(luò)潛在新興物理頻段的確認(rèn)和研究工作,同時還組織力量來研究相關(guān)物理頻段的無線射頻傳播特性,并研發(fā)面向下一代移動寬帶蜂窩接入網(wǎng)絡(luò)的各個技術(shù)解決方案,這些研究工作均聚焦于6～100 GHz的物理頻段。在全球范圍內(nèi),不同國家和地區(qū)所采用的授權(quán)型物理頻段專有使用權(quán)支配機(jī)制有所不同,一些國家對相關(guān)的業(yè)務(wù)類型建立無線頻譜資源使用規(guī)則,并對頻帶內(nèi)/外干擾進(jìn)行了技術(shù)規(guī)范;而另一些國家則對用于提供移動通信及寬帶數(shù)據(jù)接入服務(wù)的一組特定技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)制規(guī)定,并相應(yīng)地分配專用的物理頻段作為頻譜資源。

我國已經(jīng)開展了5G頻譜需求預(yù)測、候選頻段選取、部分頻段傳播特性測量以及電磁兼容分析等一系列研究工作。完成了5G面向2030年的頻譜需求總量估算、6～100 GHz高頻段候選頻段優(yōu)先級研究等工作。2016年5月31日召開的第一屆全球5G大會上,工信部苗圩部長提出了“強(qiáng)化頻率統(tǒng)籌,依托國際電信聯(lián)盟,加強(qiáng)溝通協(xié)調(diào),力爭形成更多5G統(tǒng)一頻段”的倡議,這也是我國5G頻譜戰(zhàn)略的指導(dǎo)方針。正是在此戰(zhàn)略指導(dǎo)下,我國在WRC-15大會上與各國溝通協(xié)商一致后,最終確定了1 427～1 518 MHz的低頻段作為5G新增的全球統(tǒng)一頻率。而在高頻段方面,我國還沒有公布相關(guān)的提案,只是在前期研究工作中劃分了部分候選頻段作為今后研究的重點(diǎn),包括25～30 GHz、40～50 GHz、71～76 GHz和81～86 GHz等。

FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)正式發(fā)布了將24 GHz以上頻段用于5G移動寬帶運(yùn)營的新規(guī)范,美國成為世界上第一個為5G網(wǎng)絡(luò)分配可用頻譜的國家。該規(guī)范劃分了5G網(wǎng)絡(luò)的4個新的毫米波頻段(如圖1所示),包括28、37和39 GHz共3個授權(quán)頻段、64～71 GHz的1個未授權(quán)頻段以及授權(quán)頻段中包含的一個37～37.6 GHz的共享頻段[6],共有11 GHz的高頻段頻譜可供移動和固定無線寬帶靈活使用,其中授權(quán)頻譜帶寬為3.85 GHz,未授權(quán)頻譜帶寬為7 GHz。FCC對新一代無線寬帶服務(wù)、衛(wèi)星和政府的頻譜使用進(jìn)行了平衡,也考慮了不同頻譜接入方式的平衡,包括獨(dú)家使用許可、共享接入和未授權(quán)接入,以滿足各種不同的需求和使用案例。此外,規(guī)范還對超微波柔性應(yīng)用[7](Upper Microwave Flexible Use)在28、37和39 GHz頻段的新應(yīng)用做出了指導(dǎo),對64～71 GHz等未授權(quán)頻段的使用也給予了說明。還定義了5G高頻段基站設(shè)備

的一些技術(shù)規(guī)范,比如基站收發(fā)功率、手機(jī)和傳輸功率等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

圖1 FCC定義的高于24 GHz頻段資源的劃分規(guī)則

4 結(jié)束語

國際電信聯(lián)盟預(yù)測,到2020年,移動連接數(shù)總量將有望達(dá)到92億,使得下一代移動寬帶系統(tǒng)有著新的、額外的、可重新調(diào)整的無線頻譜資源需求。隨著4G移動通信系統(tǒng)不斷地平滑演進(jìn)到5G移動通信系統(tǒng),低于6 GHz頻段的頻譜資源將顯得非常有價值,同時,雖然存在很大的挑戰(zhàn)(來自技術(shù)和國際的合作),業(yè)界都有能力將移動通信與無線寬帶數(shù)據(jù)接入服務(wù)提高到高于6 GHz的物理頻段,因此,無論高低頻段均需要分配各種新的物理頻段來滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題以及系統(tǒng)容量的迫切需求。低頻段既可用于宏基站部署、也可用于小基站部署;高頻段有大量且連續(xù)的無線頻譜資源,在毫米波頻段可用的物理帶寬更大,從而在特定區(qū)域,尤其是對于移動數(shù)據(jù)流量需求越來越大的熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)提供超高的數(shù)據(jù)傳輸速率。最后,為了推動高頻段頻譜資源的高效利用,需要全球各國達(dá)成共識,共同采取相關(guān)的實(shí)際行動來確認(rèn)已經(jīng)提出的新4G無線頻譜需求,同時及時地遞交5G新頻譜資源劃分的提案,以便ITU-R進(jìn)行深入的研究,進(jìn)一步推動5G頻譜資源的統(tǒng)一規(guī)劃,促進(jìn)全球移動通信在學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)上的發(fā)展。

[1]IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G無線技術(shù)架構(gòu)白皮書[EB/ OL].(2015-05-29)[2016-08-17],http://www.imt-2020.org.cn/zh/documents/download/61.

[2]ITU-R M.2083-2015,Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S].

[3]4 G Americas-2 0 1 5,5 GSpectrum Recommendations White Paper[S].

[4]ITU-R M.2290-0-2013,Future spectrum requirements estimate for terrestrial IMT[S].

[5]ITU-R M.2376-0-2015,Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHz[S].

[6]FCC 15-340310A1-2016,Rules to Facilitate Next Generation Wireless Technologies[S].

[7]FCC 15-138A1-2016,Use of Spectrum Bands Above 24 GHz For Mobile Radio Services[S].

Analysis of Spectrum Occupation and Perspectives of 5G Network

CHEN Liang,YANG Qi
(State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks,Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications,Wuhan 430074,China)

Currently,LTE network below 6 GHz spectrum is difficultto meet the growing demand for ultra-wideband.5G can provide a large number of continuous spectrum bands,which is the foundation of the future wireless network.For a variety of application scenarios,the factors that affect the spectrum occupation and the ways of occupation for high and low frequency bands are proposed.The results show that re-using lower band and new higher band could meet requirements of 5G in future.

5G networks;spectrum band;above 6 GHz bands;24 GHz bands

TN929.1

A

1005-8788(2016)06-0068-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.19

2016-08-17

陳亮(1977―),男,湖北武漢人。工程師,碩士研究生,主要從事無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的研究。