5G新無線接入技術頻帶與信道關鍵參數(shù)設計

楊樂

【摘 要】5G的頻譜分配比以往各代移動通信系統(tǒng)都更為復雜，由此導致的頻帶定義及基礎性的信道關鍵參數(shù)定義比以往的系統(tǒng)也更為復雜，因此針對全球主要國家和地區(qū)的5G頻譜分配方案，介紹了5G新無線接入技術中3.5 GHz、4.5 GHz等幾個關鍵頻段上的頻帶劃分方案和5G信道帶寬設計中的關鍵參數(shù)方案，并給出了合理的建議。

【關鍵詞】5G無線接入 頻帶 信道帶寬

【關鍵詞】中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）19-0071-05

Design of Key Parameters of Frequency Band and Channel for 5G New Radio Access Technology

YANG Le

[Abstract] The 5G spectrum allocation is more complex than previous generations of mobile communication systems. This leads to that the definition of frequency band and the definition of fundamentally key channel parameters are more complex than previous systems. Therefore， 5G spectrum allocation schemes in main countries and regions all over the world were introduced. The frequency band division scheme for several key bands at 3.5 GHz and 4.5 GHz in new 5G radio access technology and the key parameter scheme in the 5G channel bandwidth design were addressed with the feasible proposal.

[Key words]5G radio access frequency band channel bandwidth

1 引言

國際通信標準化組織3GPP已經明確，第五代無線通信系統(tǒng)將采取在原有4G技術持續(xù)演進和引入新的無線接入技術相結合的策略，以實現(xiàn)既可以兼容現(xiàn)有系統(tǒng)平滑過渡，又可以以全新技術滿足新應用場景、新需求的目標。在這種背景下，3GPP決定開展新的無線接入技術的研究工作，其中定義合適的頻帶是該新無線接入研究課題的重要議題之一，也是整個研究的工作基礎。

NR（New Radio Access Technology，新無線接入技術）是第五代移動通信技術的核心組成部分。對各個國家分配的5G頻段進行劃分，定義形成工作頻帶是新無線接入技術研究的核心問題之一。頻帶劃分將直接影響RF器件設計、基帶處理等核心方案，必須在進行空口技術研究之前先行研究。全球各個國家地區(qū)的5G頻譜分配方案各不相同，3GPP NR基于各個國家地區(qū)的頻譜分配結果，研究能夠有效支撐各國頻譜的優(yōu)化方案。本文將介紹工作頻帶定義及信道帶寬等幾個關鍵參數(shù)設計方案，并給出合理的建議。

2 5G中頻段的頻譜分配

5G分為eMBB、URLLC和mMTC三大應用場景，與前幾代無線通信系統(tǒng)不同，其應用與部署場景更加廣泛，對無線頻段的需求也不盡相同。

總而言之，5G頻譜可粗略的分為三大范圍：低頻段低于3 GHz；中頻段為3 GHz到6 GHz；高頻段大于6 GHz。

其中，低頻段具備良好的無線傳播特性，用于廣覆蓋，但帶寬有限；中頻段通常部署于城區(qū)，以提升網絡容量；高頻段覆蓋范圍較小，但帶寬富余。不同頻段范圍具有不同的特性，任何一個頻段范圍都不能滿足5G的全部需求。上述低、中、高三個頻段，低頻段是前幾代無線通信系統(tǒng)中廣泛使用的頻段，頻帶劃分及設計已經非常成熟，基本繼承下來即可；高頻段的應用場景較為局限；中頻段兼顧覆蓋和容量，是廣域覆蓋的核心頻段，也是本文討論的重點。

一直以來，全球范圍的無線資源的頻譜分配都是一個非常復雜的問題，本質上都是在技術基礎上各國政治和產業(yè)政策的博弈。全球不同國家、地區(qū)對5G中頻段的頻譜分配，主要包括3.5 GHz頻段和4.5 GHz頻段，雖然范圍大致相同，但在具體的起止頻率方面，仍在存在很多細節(jié)性差異，以下進行簡單的介紹。

2.1 3.5 GHz頻段

全球主要國家和地區(qū)為3.5 GHz頻段分配的頻譜方案如表1所示：

由表1可以看出：在全球范圍，整個3.5 GHz頻段的頻率范圍基本為3.3 GHz—4.2 GHz。各個國家相差不大，其中日本為5G分配的頻譜資源是最豐富的，達到了800 MHz，美國最少，只有200 MHz。3.3 GHz—3.8 GHz可以覆蓋除日本以外其他所有地區(qū)。

2.2 4.5 GHz頻段

除了3.5 GHz以外，中國和日本還在4.5 GHz附近為5G分配了頻段，如表2所示。其中，日本分配連續(xù)頻譜，中國分配兩段不連續(xù)頻譜。

3 頻帶設計方案

頻帶設計需要兼顧主要國家、地區(qū)的頻譜分配，同時還要考慮實際射頻器件、基帶處理的技術復雜度，以下結合中頻段3.5 GHz、4.5 GHz的頻譜分配方案，討論如何合理設計3GPP NR的頻帶。

首先分析3.5 GHz頻段。由于3.3 GHz—4.2 GHz頻譜較寬，將整個頻率范圍定義為一個頻帶，將可能會對終端功率放大器和濾波器的設計帶來較大困難。一般情況下，功率放大器匹配網絡BWR（Bandwidth Ratio，帶寬比）的設計可以通過下面的經驗公式近似衡量：endprint

當BWR>15%時，會對終端功率放大器、匹配網絡的設計會帶來比較大的困難。如果以一個功率放大器覆蓋3.3 GHz—4.2 GHz整個頻段的話，BWR達到24.2%。因此實現(xiàn)的技術難度比較大，即使可以實現(xiàn)，也必然會增加器件成本，同時可能帶來性能穩(wěn)定性、可靠性等不確定問題。考慮到大多數(shù)地區(qū)的頻譜范圍為3.3 GHz—3.8 GHz，因此可以形成了以下兩個頻帶定義方案：

（1）定義兩個不同的頻帶，頻率范圍分別為：Band X：3.3 GHz—3.8 GHz；Band Y：3.6 GHz—4.2 GHz。并且要求支持Band X也必須支持Band Y。

（2）定義一個單獨的Band Z：3.3 GHz—4.2 GHz，如圖1所示。

上面兩個方案的優(yōu)缺點如表3所示。

由于方案1限制了3.6 GHz—3.8 GHz范圍內可以使用的頻譜只有200 MHz，如果要支持>200 MHz，載波中心頻點必須有所限制以保證整個載波帶寬在Band X或者Band Y內。因此，為了解決這個問題，可以改進設計，形成方案3：即定義兩個頻帶，一個是Band X，一個是Band Z。至此有以下3個選項：

（1）選項1：Band X+Band Y；

（2）選項2：Band Z；

（3）選項3：Band X+Band Z。

在這種方案下，兼顧考慮UE的架構，終端等級、共存和干擾協(xié)調等因素，可以靈活地定義終端能力規(guī)范。

4.5 GHz整個頻率范圍為4.4 GHz—4.99 GHz，頻譜的寬度為：0.59 GHz。按照BWR的經驗公式，可知該頻率范圍對應的BWR=12.6%，小于15%，因此可采用單個功放或者濾波器覆蓋整個頻段。因此，該頻段定義一個頻帶是一個簡單明了的選擇。

4 NR信道、帶寬關鍵參數(shù)設計

在5G NR的信道帶寬設計討論中，期望5G相對于LTE有更多的靈活性，所以設定的需求包括：

（1）子載波定義：能夠支持不同的探測參考信號要求；

（2）最大帶寬：能夠支持更大的信道帶寬；

（3）最小帶寬：能夠支持的最小的信道帶寬；

（4）靈活的信道帶寬配置：能夠適應運營商的頻譜塊大小，考慮引入信道帶寬的可行性。粒度可以RB（Radio Bearer）為單位；

（5）上下行支持信道帶寬不對稱。

4.1 子載波間隔

在LTE規(guī)范中，子載波間隔是固定的15 kHz。但是在5G新無線接入技術中，由于支持更多的頻帶、更多的信道帶寬配置，因此希望定義多個子載波間隔方案來滿足需求。在定義子載波帶寬時候，需要考慮以下因素：

（1）相位噪聲影響

相位噪聲的存在，將會在子載波之間引入干擾。由于本征信號存在相位噪聲，其信號為非單頻信號，OFDM信號與該信號混頻后的信號如圖2所示：

子載波之間由于相位噪聲造成拖尾現(xiàn)象，相鄰載波的信號互相造成干擾，相位噪聲越大，該拖尾現(xiàn)象越嚴重，從而形成子載波間的干擾。在低頻段（<6 GHz），相位噪聲可以做到比較小，因此15 kHz的信道間隔也不會造成嚴重的載波間干擾，但在毫米波頻段，有研究成果表明：

1）當f0增加一倍時，相位噪聲增加6 dB；

2）相位噪聲與信號強度成反比；

3）相位噪聲與振蕩器品質因子Q成反比。

從上可以看出，隨著工作頻率的升高，相位噪聲也會升高，因此對于較高頻率如毫米波頻段，其子載波間隔不能太小。

（2）多普勒頻率擴展的影響

多普勒效應與頻率以及移動速度相關。在TR38.913中，UE的最高移動速度為500 km/h（high speed scenario），由于6 GHz以下的頻譜主要集中5 GHz以下頻段，有公式（2）：

因此15 kHz也能滿足要求，但比30 kHz和60 kHz性能上差一些，如圖3所示。

對于毫米波頻段，多普勒擴展會增加很多。基于上述考慮，以及運營商的頻譜和基站和終端的的實現(xiàn)能力，一種合理的方案是分段進行子載波間距的設定，在6 GHz以下，最大支持60 kHz子載波間隔、4 096 FFT（Fast Fourier Transform）size，支持的帶寬如表4所示：

同時，考慮到采樣率太大對于ADC和DAC的設計帶來很大的困難，雖然現(xiàn)有候選的5G頻譜資源，例如3.3 GHz—4.2 GHz、4.4 GHz—4.99 GHz比較寬，但單個運營商實際的頻譜應該不會太寬。因此建議對于6 GHz以下，在R15階段最大信道帶寬為100 MHz。在毫米波頻段（>24 GHz），最大支持120 kHz，4 096 FFT長度最大支持的帶寬為400 MHz。因此建議R15階段最大信道帶寬為400 MHz。

4.2 靈活帶寬配置方案

靈活帶寬的概念提出起初是為了提高運營商頻譜的使用效率。例如：某個運營商有7 MHz帶寬的頻譜，在LTE里面只能使用單載波的5 MHz，或者通過5 MHz+1.4 MHz的載波聚合方式，但都會造成2 MHz或者0.6 MHz頻譜空間的浪費。為了解決這個問題，在5G新無線接入技術里面進行靈活帶寬配置的研究和嘗試，其基本方案是在BS側，信道可以以RB為粒度靈活變化。如圖4所示，7 MHz的頻譜能夠得到很好的利用。

由于運營商的頻譜也是比較碎片化，尤其是在6 GHz以下，因此在NR階段引入靈活帶寬配置的概念，剛開始UE側和BS側都進行了討論。引入靈活帶寬的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點

1）提高頻譜利用效率；

2）根據(jù)業(yè)務量大小調整帶寬，有利于節(jié)電；endprint

3）UE側可以降低最大峰均比。

（2）缺點

1）可能會增加規(guī)范制定的工作量；

2）可能增加實現(xiàn)難度挑戰(zhàn)，比如混頻器、數(shù)模/模數(shù)轉換、濾波器等。

由于標準中很多指標與信道帶寬直接相關，因此需要研究靈活帶寬下相關指標如何定義。雖然大部分指標能夠根據(jù)帶寬進行按比例進行縮放，但是還有指標需要進一步分析和設計。在這種情況下，靈活帶寬配置的整體方案是確定的，但是具體帶寬靈活調整及相應的指標如何定義，還需要進一步深入的分析，并輔助以實驗結果的驗證，才能給出定義。

5 結論

5G無線通信系統(tǒng)的目標就是以新的頻段、新的無線接入技術，支持多種不同的應用場景，如更高速率、更低時延，更大系統(tǒng)容量的高速無線系統(tǒng)和以萬物互聯(lián)為代表的物聯(lián)網應用。在這種背景下，5G的頻譜分配比以往各代移動通信系統(tǒng)都更為復雜，由此導致的頻帶定義及基礎性的信道關鍵參數(shù)定義比以往的系統(tǒng)也更為復雜。

本文針對全球主要國家、區(qū)域對5G頻譜分配的方案，從最基本的頻帶定義開始討論了頻帶和信道定義的幾個關鍵參數(shù)。當前3GPP正在全力投入標準設計和開發(fā)過程，標準化的進展較快，本文給出了頻帶定義和信道關鍵參數(shù)設計的幾個可行的方案，但是3GPP關于5G無線新接入標準定義還存在較多詳細分析驗證的問題，有待進一步研究。

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