高頻段頻譜特性及利用方法探討

為了探討高頻段頻譜的特性及其利用方法，首先初步給出高頻頻譜的概念，從頻譜資源可利用的標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，給出了國內(nèi)可分配的高頻頻譜，并探索了高頻頻譜的獨(dú)有特性，論述了高頻對組網(wǎng)產(chǎn)生的影響，在此基礎(chǔ)上提出了幾種可能的利用方式，為今后的5G建網(wǎng)提供建議。

高頻頻譜 衰落 物聯(lián)網(wǎng) 頻譜重耕

1 高頻段頻譜概述

截至目前，并沒有一個完全準(zhǔn)確的對高頻段頻譜的定義，只是因?yàn)楫?dāng)前國際上大部分的通信系統(tǒng)都部署在6 GHz以下，因此將6 GHz以上的頻譜稱之為高頻段頻譜，而將6 GHz以下的頻段則稱之為中低頻段[1]。WRC-15（2015 World Radio-communication Conference，2015年世界無線電通信大會）審議也確定將在6 GHz以上的頻段為IMT（International Mobile Telecom，國際移動通信）尋求的新頻率，以供今后的5G系統(tǒng)使用。由于5G正成為整個通信行業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)，而頻譜作為移動通信的基礎(chǔ)資源，其規(guī)劃很大程度上將左右5G的發(fā)展方向，因此本文所指高頻段也更多地針對5G系統(tǒng)。

關(guān)于5G的高頻頻譜研究，ITU早在2012年便啟動了相關(guān)工作，包括成立標(biāo)準(zhǔn)化組織、實(shí)施企業(yè)推動，并在2016年初啟動5G技術(shù)性能需求和評估工作[2]。而在頻譜方面，業(yè)界對5G的認(rèn)知基本趨同，即6 GHz以下頻段難以完全滿足5G需求，各國一致支持在WRC-19為IMT尋找位于6 GHz—100 GHz的新頻率資源[3]，新頻率資源必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）平滑性：滿足前向兼容，即兼容現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)及業(yè)務(wù)，盡量避免系統(tǒng)間的干擾；

（2）連續(xù)性：至少滿足上百M(fèi)Hz的連續(xù)頻譜；

（3）實(shí)現(xiàn)性：考慮工業(yè)化生產(chǎn)精度的要求，確保可生產(chǎn)。

在中國，由國家無線電監(jiān)測中心承擔(dān)了無線電監(jiān)測和無線電頻譜的管理工作，對于6 GHz—100 GHz的頻譜資源分配如圖1所示：

美國在2016年7月14日由FCC（Federal Communications Commission，美國聯(lián)邦通信委員會）以5票贊同、0票反對的結(jié)果正式公布將24 GHz以上頻段用于5G，這使得美國成為世界上首個將高頻頻譜用于下一代移動通信的國家，力圖搶占國標(biāo)頻譜話語權(quán)[4]。FCC規(guī)定了用于5G的4個高頻段，包括28 GHz、37 GHz、39 GHz等3個授權(quán)頻段，以及64 GHz—71 GHz的未授權(quán)頻段。

對高頻頻譜的需求預(yù)測一般基于歷史用戶規(guī)模數(shù)據(jù)，并充分考慮業(yè)務(wù)特性及增長測量[5]。為此，ITU估計(jì)到2020年將需要1360 MHz—1940 MHz的高頻頻率，而中國將至少需要1490 MHz—1810 MHz頻率，至今仍然存在約800 MHz—1100 MHz的高頻缺口[6]。因此，對高頻段頻譜的特性分析以及如何利用是一個值得探討的話題，本文接下來將對此進(jìn)行探討。

2 高頻段頻譜特性及影響

對高頻段頻譜的研究離不開傳播模型，而影響傳播模型的也是大小尺度兩類參數(shù)[7]。其中，大尺度衰落包括路徑損耗、陰影衰落和穿透損耗等慢速變化特性；而小尺度衰落則包括多普勒頻移、多徑效應(yīng)等快速變化特性。

路徑損耗與載波頻率、距離都存在一定關(guān)系，把路徑損耗與距離的關(guān)系定義為距離因子，從而尋求不同高頻段的距離因子關(guān)系。從ITU與CJK（中日韓）的研究結(jié)果可看出[8-9]，高頻與中低頻的距離因子其實(shí)相差不大，其產(chǎn)生的路徑損耗基本可以克服，但在陰影衰落上面，由于高頻頻譜的散射與衍射能力大為降低，導(dǎo)致陰影衰耗會更高。高頻頻譜的大尺度衰耗具體如表1所示：

同時，根據(jù)目前對高頻頻譜穿透損耗的測定，高頻頻譜的建筑物穿透損耗在30 dB～40 dB左右，而人體損耗在20 dB～30 dB左右，相比傳統(tǒng)中低耗設(shè)定的20 dB穿透損耗，也高出許多。

小尺度方面，高頻粒子性更強(qiáng)，會導(dǎo)致頻率偏移更多、多普勒頻移更大。但由于多徑取決于反射，高頻反射能力差，所以高頻頻譜的多徑效應(yīng)差，用戶間的相關(guān)性降低，更有利于多用戶的復(fù)用，這也是5G采用NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access，非正交多址）的原因之一。

鑒于高頻頻譜的這些傳播特性，在發(fā)展規(guī)劃5G高頻通信時應(yīng)該充分注意到：

（1）混合組網(wǎng)

混合組網(wǎng)包括密集、超密集、扁平異構(gòu)等組網(wǎng)方式。高頻頻譜大尺度損耗綜合較大，帶來的直接后果便是覆蓋距離小、網(wǎng)絡(luò)密集或超密集，因此無法單獨(dú)組網(wǎng)。高頻網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)照顧室內(nèi)外的熱點(diǎn)區(qū)域，吸收話務(wù)，網(wǎng)絡(luò)主體覆蓋主要由低頻完成，同時借助飛蜂窩、皮基站等技術(shù)完成回傳或輔助覆蓋，形成一個結(jié)構(gòu)差異化、層次不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

（2）無線傳輸

正如上文所述，高頻頻譜粒子性強(qiáng)、用戶相關(guān)性低，非常適合MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）技術(shù)的使用。高頻段首先帶來設(shè)備尺寸的小型化，在相同規(guī)格的前提下可實(shí)現(xiàn)更多的增益，相關(guān)性低使得用戶干擾小，大規(guī)模陣列成為可能。同時，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生的5G，由于高頻的短距離傳輸，也使得D2D（Device to Device，設(shè)備到設(shè)備）短距離通信能夠?qū)崿F(xiàn)低時延、高吞吐率。

（3）產(chǎn)業(yè)化困難

現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)更多集中在2 GHz—5 GHz，這意味著大多數(shù)的硬件，如雙工器、功放、高性能濾波器等，甚至是電磁兼容技術(shù)都是中低頻段的。在高頻通信普及之前，必須保證高頻器件應(yīng)用的理想性，包括能耗與穩(wěn)定。

3 高頻段頻譜利用方式

研究高頻譜只是針對現(xiàn)有中低頻譜資源日益稀缺且現(xiàn)有頻譜未能及時釋放的情況。拓展高頻的利用包括兩個方向：發(fā)展適用高頻段頻譜的5G技術(shù)以及提高高頻的頻譜效率。前者包括高級物理層（多址、調(diào)制、編碼等）、MIMO、雙工通信、干擾控制技術(shù)等，后者則包括多制式接入、自適應(yīng)感知，載波聚合等技術(shù)。

高頻5G技術(shù)可以參考之前對5G技術(shù)的介紹[11]，這里不再多述，只重點(diǎn)闡述如何提升高頻頻譜的頻譜效率。

（1）多制式接入

多制式接入指用戶可隨意接入任意制式的通信網(wǎng)絡(luò)，尤其在高頻網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)或熱點(diǎn)忙區(qū)，通過接入其它制式網(wǎng)絡(luò)的方式來達(dá)到提高資源利用率的目的。多制式接入需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)面與控制面的分離，畢竟統(tǒng)一接入多網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)核心控制網(wǎng)絡(luò)的透明化。

（2）自適應(yīng)感知

高頻網(wǎng)絡(luò)除了5G外，也有可能應(yīng)用在諸如藍(lán)牙、衛(wèi)星通信等場景。為了提同高頻頻譜的利用效率，需要讓高頻通信具備自適應(yīng)感知能力，即通過監(jiān)聽當(dāng)前高頻頻譜的使用狀態(tài)，自動發(fā)現(xiàn)處于空閑狀態(tài)的頻譜資源，加快數(shù)據(jù)傳輸。

（3）載波聚合

載波聚合通過將兩個及兩個以上的載波單元進(jìn)行捆綁，形成新的頻帶資源。這種捆綁可以是連續(xù)的，也可以是非連續(xù)的；既可以是系統(tǒng)內(nèi)的，也可以是跨系統(tǒng)的；可以是授權(quán)頻段間的聚合，也可以是非授權(quán)頻段間的聚合，甚至是授權(quán)與非授權(quán)頻段間的聚合。載波聚合可以理想地實(shí)現(xiàn)提高吞吐量的目的，但必須考慮系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)間的負(fù)載均衡。

（4）物聯(lián)網(wǎng)

高頻頻譜的應(yīng)用會極大促成物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。區(qū)別于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)的通信方式將直接通過設(shè)備間進(jìn)行交互，而不是經(jīng)過基站設(shè)備經(jīng)由核心網(wǎng)交換。畢竟物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)是海量的，傳統(tǒng)的通信方式將直接導(dǎo)致設(shè)備壓力過大。高頻通信距離短、信道條件好、連接限制少使得將高頻通信應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)更能進(jìn)一步提升頻譜效率。

當(dāng)然，發(fā)展高頻頻譜與充分利用中低頻譜并不矛盾，這里有一個頻譜精細(xì)化管理的問題。一方面，在高頻演進(jìn)的前期，充分利用頻譜重耕等技術(shù)盡可能讓5G翻頻到6 GHz以下頻段，充分利用產(chǎn)業(yè)鏈的成熟性；另一方面，在中遠(yuǎn)期，在高頻頻譜劃分落地后，積極謀求與國際上統(tǒng)一的高頻規(guī)劃頻譜，保證真正全程全網(wǎng)的實(shí)施。

4 結(jié)束語

高頻頻譜目前是一個熱點(diǎn)話題，尤其在目前4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面部署，以及智能終端日漸普及的前提下，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的嶄露頭角，需要提前對5G適用的高頻頻譜進(jìn)行全新規(guī)劃，對如何提升高頻頻譜的效率展開研究。本文只是簡單地討論了目前高頻頻譜的分布空間以及幾種可能的利用方式，后續(xù)更詳細(xì)的探索還需要更細(xì)密地挖掘。

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