5G授權(quán)頻譜分配及非授權(quán)頻譜利用技術(shù)的研究

周宇，陳健，高月紅

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

1 引言

5G作為下一代移動通信系統(tǒng)，其主要針對3種應(yīng)用場景：增強移動寬帶（eMBB），大規(guī)模機器類通信（mMTC）和超可靠低時延通信（URLLC）。其中，增強移動寬帶的主要目的是對目前移動用戶的體驗做進一步提升；大規(guī)模機器類通信則是對目前的連接終端數(shù)大的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供更好的支持；而超可靠低時延通信的目標(biāo)是為智能駕駛，無人機控制等對精度和時延要求較高的業(yè)務(wù)提供良好的支持。

國際電信聯(lián)盟（ITU）曾對2020年中國頻譜需求總量做過一個預(yù)測，當(dāng)時認為中國到2020年時，城區(qū)國際移動通信的頻譜需求量為1 864 MHz，當(dāng)時就有1 177 MHz的頻譜缺口[1]。隨著5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用場景的提出和發(fā)展，5G通信系統(tǒng)對峰值速率、用戶體驗速率、時延等關(guān)鍵指標(biāo)提出了更高的要求。因此，5G通信系統(tǒng)對可用頻譜有著更加迫切的需求。在2017年IMT-2020（5G）峰會上，IMT-2020工作組根據(jù)研究結(jié)果，對5G的頻譜需求進行了更加詳細的說明：在6 GHz以下的中低頻段，頻譜的需求總量在808-1 078 MHz之間；在大于6 GHz的高頻段，頻譜的需求總量在14-19 GHz之間?？梢钥闯?，5G對頻譜資源的需求量十分巨大，為了滿足5G系統(tǒng)對頻譜資源的需求，5G系統(tǒng)被設(shè)計成一個不僅可以利用授權(quán)頻譜，也可以利用非授權(quán)頻譜和共享頻譜進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)[2]。但是，目前低頻段的可用頻譜已經(jīng)十分緊張，所以，如何分配5G系統(tǒng)的頻譜就成為了一個十分重要的問題。目前，隨著5G系統(tǒng)商用期限的臨近和5G標(biāo)準(zhǔn)化進程的不斷推進，5G系統(tǒng)的頻譜分配方案也逐步明確，不同國家和地區(qū)的分配方案之間既有相似之處，又有不同之處。

目前，5G的頻譜分配方案可以分成三大陣營：美國、歐盟和中國。3個陣營在高、中、低3個頻段上為5G通信系統(tǒng)分配了一定的帶寬，不同的是，3個陣營給5G分配的帶寬的側(cè)重有所不同，美國和歐盟陣營通過頻譜的拍賣和再分配等一系列政策，為5G通信系統(tǒng)在低頻段上分配了一定的頻譜，與歐盟陣營不太相同的是，美國陣營的頻譜分配方案中，共享頻譜和非授權(quán)頻譜占據(jù)了更大的比例，而歐盟陣營則更傾向于使用傳統(tǒng)意義上的獨占授權(quán)頻譜。我們國家同歐盟陣營在頻譜分配上比較相似，主要也是使用專用授權(quán)方式進行5G頻譜的分配，不過我們國家的關(guān)注點更多的位于中高頻段，在低頻段的頻譜的使用還處于研究討論階段，也許在接下來的幾年里，我們國家也會為5G通信系統(tǒng)在低頻段分配一定的專用授權(quán)頻譜。

非授權(quán)共享頻譜接入方案上的討論也非常熱烈，目前主要分成3個方向，一個方向是由LTE和LTE-A中的授權(quán)頻譜輔助接入（LAA）繼續(xù)進行演進，發(fā)展成5G-NR下的feLAA；一個方向是由高通公司和諾基亞公司提出的MulteFire方案，這套方案和feLAA相比，主要的不同在于MulteFire方案可以不使用授

權(quán)頻譜而在非授權(quán)共享頻譜上單獨存在；還有一個方向是5G NR系統(tǒng)下的多連接技術(shù)（Multi-connectivity），這種技術(shù)不僅可以實現(xiàn)5G通信系統(tǒng)使用非授權(quán)共享頻譜，還可以讓5G通信系統(tǒng)使用現(xiàn)行的4G LTE系統(tǒng)的頻譜進行數(shù)據(jù)的傳輸。

本文主要是對目前5G通信系統(tǒng)的頻譜分配方案進行一定的介紹，主要內(nèi)容包括授權(quán)頻譜分配和非授權(quán)共享頻譜接入兩部分。授權(quán)頻譜分配部分主要是對授權(quán)頻譜的劃分和三大陣營的授權(quán)頻譜分配方案做具體詳細的介紹，非授權(quán)共享頻譜部分主要是對目前討論比較熱烈的幾種非授權(quán)共享頻譜接入技術(shù)做簡要的介紹。

2 授權(quán)頻譜分配

在無線通信過程中，電磁干擾會對通信質(zhì)量產(chǎn)生十分重大的影響，因此，頻譜在無線通信行業(yè)中是十分重要的資源。世界上的主要國家都設(shè)立有對頻譜進行管理的國家機構(gòu)。在我國，這一部分的工作由工業(yè)和信息化部下轄的無線電管理局完成。在美國，這一工作由聯(lián)邦通信委員會（FCC）完成。如果不進行適當(dāng)?shù)念l譜分配，不同的系統(tǒng)之間會產(chǎn)生無線頻譜混疊，從而造成雙方的數(shù)據(jù)都無法進行正確傳輸。為了避免這種現(xiàn)象，各國的組織機構(gòu)都會為不同系統(tǒng)分配不同頻段，不同帶寬的頻譜資源， 對于5G通信系統(tǒng)也是一樣。

5G通信系統(tǒng)的授權(quán)頻段大概可以分成3個頻段：低頻段、中頻段、和高頻段。

文獻[2]中對3個頻段在整體頻段范圍中的位置和它們所表征的具體頻率范圍進行了圖形化的總結(jié)，如圖1所示。

圖1 各個頻段的位置及其頻率范圍

從圖1中我們可以看出：低頻段所代表的頻率范圍為0-1 GHz，中頻段所代表的頻率范圍為1-6 GHz，高頻段所代表的頻率范圍為6-100 GHz。其中，高頻段中包含毫米波頻段。

2.1 低頻段

目前最廣泛的對于低頻段的定義是小于1 GHz的頻段。根據(jù)電磁波的基本傳輸公式可知，頻率越低，電磁波在傳輸過程中的衰減越小。所以，低頻段的電磁波可以提供更好的覆蓋。但是，低頻段也有其對應(yīng)的缺陷，低頻段的可用頻譜資源少，對高速業(yè)務(wù)的支持有限。低頻段的這些特點使得這部分頻譜在對移動寬帶和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)這兩個業(yè)務(wù)的支持上有著得天獨厚的優(yōu)勢，兩者都是對覆蓋有著比較高的要求而對速率的要求則相對寬松。到目前為止，美國聯(lián)邦通信委員會計劃把600 MHz的頻譜劃分給5G系統(tǒng)使用[3]。歐盟也已經(jīng)批準(zhǔn)把700 MHz的頻譜進行釋放，以促進5G通信系統(tǒng)的發(fā)展。我國與其他國家相比，情況要復(fù)雜一些，我們國家700 MHz以下的民用頻譜主要是被廣電掌握著，800-900 MHz的頻譜主要被各家運營商用于部署GSM系統(tǒng)，所以，如果我們國家想要使用低頻段頻譜進行5G系統(tǒng)的部署，一種可能是廣電能將700 MHz的頻譜讓給各家運營商，另外一種可能是各家運營商對自己的2G GSM系統(tǒng)進行清退，把清退出來的頻譜用于5G系統(tǒng)的部署。不管哪種方案，都需要長時間的協(xié)商和討論，我國在低頻段上進行5G系統(tǒng)的部署依舊任重而道遠。

2.2 中頻段

中頻段主要指的是電磁波頻率在1-6 GHz之間的頻段。這一部分的頻譜和低頻段頻譜相比，可用頻譜資源明顯增多，但同時，其在傳輸過程中的衰減和路徑損耗也有所增大。這一部分頻譜資源的各項指標(biāo)在整個頻譜范圍內(nèi)屬于比較均衡的范疇，因此，這一部分頻譜主要用于給5G的增強移動寬帶（eMBB）和關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供大帶寬支持。這兩種業(yè)務(wù)對覆蓋和速率都有一定的要求，使用這一部分頻譜資源來支持這兩種業(yè)務(wù)是比較適宜的。目前，美國在該頻段范圍內(nèi)，將3.5 GHz周圍，寬度為150 MHz的頻譜資源分配給5G系統(tǒng)使用。歐盟將3.4-3.8 GHz，寬度一共為400 MHz的頻譜資源交給5G系統(tǒng)使用，這一部分頻段也被作為是歐盟的5G系統(tǒng)重點部署頻段。通信作為一個國家基礎(chǔ)支柱行業(yè)，我們國家也對5G的發(fā)展給予了很大的重視，我國工業(yè)和信息化部在2017年6月發(fā)布文件，對將3.3-3.6 GHz和4.8-5.0 GHz，寬度一共為500 MHz的頻譜資源分配給5G通信系統(tǒng)的方案向大眾征求意見[4]。中頻段與之前的低頻段相比，可以進行分配的帶寬有了明顯的增長，同時，又不像之后的高頻段那樣，覆蓋范圍過小，基站部署需求量大，因此，中頻段目前一般是作為5G通信系統(tǒng)的重點部署頻段。

2.3 高頻段

在定義中，高頻段主要指的是電磁波頻率大于6 GHz，小于100GHz的頻段，不過在實際使用和討論中，高頻段一般指的是大于24 GHz，小于100 GHz的毫米波頻段。這一部分頻段大多開發(fā)利用的較少，可用頻譜資源充足，能夠有效的支持大帶寬，高速率的業(yè)務(wù)。但是這一部分頻譜的傳輸損耗太大，容易受到墻壁、建筑、甚至雨滴的阻擋，覆蓋范圍小，如果想覆蓋一定范圍的區(qū)域，需要大量的基站部署，因此，目前最廣泛的對毫米波的使用場景的討論主要集中于室內(nèi)高速率下。不過，因為毫米波的波長小，在單位空間內(nèi)可以放置更多的天線，因此，如果合理的使用MIMO技術(shù)，再加上對毫米波信道的精確測量，把毫米波引入更多的使用場景也并非不可實現(xiàn)。到目前為止，世界各個國家和地區(qū)都給5G系統(tǒng)分配了一定的毫米波頻譜資源。美國將 27.5-28.35 GHz、37.6-40 GHz， 寬度一共為3.25 GHz的頻譜分配給5G系統(tǒng)作為專用資源[5]。歐盟將24.5-27.5 GHz，寬度為3GHz的頻譜資源規(guī)劃給5G系統(tǒng)使用。我們國家也在今年8月就5G系統(tǒng)使用24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz，寬度一共為 8.25 GHz的頻譜資源的方案向公眾征求意見[6]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進步和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，高頻段頻譜資源的使用會成為5G通信系統(tǒng)在一些場景和應(yīng)用下不可或缺的一部分。

文獻[2]中對上文所講的三大陣營的頻譜分配進行了圖形化的總結(jié)，如圖2所示。

其中，深藍色線段為各個陣營為5G系統(tǒng)分配的授權(quán)頻譜頻段，而淺藍色線段表示的是接下來要介紹的非授權(quán)和共享頻譜頻段。

3 非授權(quán)頻譜接入

圖2 三大陣營的頻譜分配

使用專用的授權(quán)頻譜比起使用非授權(quán)的頻譜有著得天獨厚的優(yōu)勢，如：不存在爭搶，可以避免潛在的感染，而且性能更加穩(wěn)定。但是，專用的授權(quán)頻譜也面臨著一個十分嚴(yán)峻的問題：頻譜資源稀缺。5G通信系統(tǒng)對系統(tǒng)的容量、速率和時延的要求比起上一代通信系統(tǒng)來說有了很大的提高，其隱含要求了更多的頻譜資源，但是，低頻段、中頻段頻譜資源的稀缺和高頻段乃至毫米波頻段的利用技術(shù)的不成熟等問題對其產(chǎn)生了一定的限制。為了使5G通信系統(tǒng)可以對不同的業(yè)務(wù)和使用場景提供更好的支持，5G通信系統(tǒng)的頻譜資源設(shè)計中也加入了對共享頻譜和非授權(quán)頻譜的使用。在目前的討論中，Wi-Fi使用的2.4 GHz和5 GHz的非授權(quán)頻段成為了重點關(guān)注的對象，這也引出了蜂窩通信系統(tǒng)如何和Wi-Fi等使用非授權(quán)頻譜的技術(shù)和平共存的問題。很多LTE-A中的非授權(quán)頻譜接入技術(shù)在5G系統(tǒng)中得到了進一步的發(fā)展，同時，也有一些新的非授權(quán)頻譜接入技術(shù)被提出和討論。

3.1 5G NR下的授權(quán)頻譜輔助接入

授權(quán)頻譜輔助接入（LAA）是4G LTE系統(tǒng)使用非授權(quán)頻段的一種技術(shù)手段，其具體細節(jié)已經(jīng)寫入3GPP的Realase-13標(biāo)準(zhǔn)中。其主要的方式是把授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段進行載波聚合（CA），在授權(quán)頻段上設(shè)置錨點，也就是在授權(quán)頻段上對關(guān)鍵信息和一些對非授權(quán)頻段的控制信息進行傳輸，來保證通信質(zhì)量。在非授權(quán)頻段上傳輸輔助信息，提升傳輸信息的速率。蜂窩通信系統(tǒng)對信道的使用是獨占方式的，而Wi-Fi需要通過競爭機制對信道進行競爭，在這樣的情況下，如果把蜂窩通信系統(tǒng)和Wi-Fi部署在同一非授權(quán)頻段上，蜂窩通信系統(tǒng)會使得Wi-Fi系統(tǒng)很難獲得接入信道的機會，從而對Wi-Fi系統(tǒng)的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[7]，為了避免上述情況，LAA在信道選擇方面也采用了和Wi-Fi相同的先偵聽后傳輸（LBT）的機制，保證它和Wi-Fi在對非授權(quán)頻譜的使用上的競爭是公平的。LBT具體的實現(xiàn)方式為通信系統(tǒng)在使用信道之前先采用空閑信道檢測技術(shù)（CAA）對信道上的能量進行檢測，并同標(biāo)準(zhǔn)中的能量門限值進行對比，如果檢測到的能量低于門限值，則認為該信道目前沒有被占用。此時系統(tǒng)才可以在這個信道上進行信息的傳輸，并且，系統(tǒng)占用信道的時長不能超過10 ms，之后，信道將被釋放，系統(tǒng)需要重新進行LBT機制來進行信道的選擇和占用[8，9]。在3GPP的Relase-13中，只對LAA的下行的標(biāo)準(zhǔn)進行了規(guī)定，在Relase-14中，eLAA加入了對上行的支持。目前，3GPP正在對Relase-15中的feLAA進行討論，以使其能夠更好的同5G-NR系統(tǒng)的使用場景和關(guān)鍵指標(biāo)相結(jié)合。

3.2 5G NR下的MulteFire[10]

Multefire是由通信廠商提出的一種對非授權(quán)頻譜的使用方案，目前由MulteFire聯(lián)盟進行推進。和LAA以及LWA不同，Multefire對非授權(quán)頻譜的使用不需要先在授權(quán)頻譜中設(shè)置錨點，換句話說，MulteFire是一種獨立的方案，其可以在沒有授權(quán)頻譜輔助的情況下獨立使用。在這一情況下，這種技術(shù)方案可以使授權(quán)頻譜上接入更多的用戶。并且，這種技術(shù)方案不僅適用于對5G NR的授權(quán)頻譜進行拓展，它在5G的mMTC應(yīng)用場景下也可以有廣泛的應(yīng)用，它也可以建立一個私有的網(wǎng)絡(luò)，用于連接大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。Multefire的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展自3GPP的Relase-13和Relase-14標(biāo)準(zhǔn)，它同樣采用了LBT的信道選擇機制，可以保證它和Wi-Fi信號之間不會產(chǎn)生干擾，并且當(dāng)空閑信道足夠的時候，這種技術(shù)還可以進行多個信道的聚合，如圖3所示。在高通發(fā)布的一系列對Multefire的仿真測試報告中，這種技術(shù)方案甚至可以在某種程度上提升該非授權(quán)頻段的吞吐率。

圖3 MulteFire技術(shù)對空閑信道進行聚合

3.3 5G NR下的多連接技術(shù)

多連接技術(shù)(Multi-connectivity)發(fā)展自3GPP在Relase-12標(biāo)準(zhǔn)中提到的Dual-connectivity[11]。通過3GPP的TR 36.842文檔可知，Dual-connectivity技術(shù)主要是使用戶和網(wǎng)絡(luò)中兩個網(wǎng)元進行連接來進行更好的資源聚合。在3GPP的Relase-13標(biāo)準(zhǔn)中，這個概念被引入了使用WLAN所在的非授權(quán)頻譜進行LTE信息傳輸?shù)腖WA技術(shù)中。在5G NR系統(tǒng)的設(shè)計中，這個概念進一步發(fā)展，成為了5G NR系統(tǒng)中的Multiconnectivity技術(shù)，在Multi-connectivity技術(shù)中，5G系統(tǒng)的終端不僅可以通過和WLAN的設(shè)備進行連接從而在WLAN的非授權(quán)頻段上進行5G信息的傳輸，而且可以通過和4G LTE的eNode B進行連接從而在4G的頻段上進行5G信息的傳輸[12]。多連接技術(shù)不僅可以使5G系統(tǒng)的可用頻段大大拓寬，并且因為目前4G系統(tǒng)和Wi-Fi系統(tǒng)有著比較廣泛的部署，所以5G系統(tǒng)在部署的初期需要的資金量能夠在很大程度上減少。對于各個運營商來說，快速部署5G NR系統(tǒng)的壓力也會減輕。

4 到目前為止的標(biāo)準(zhǔn)化進程

4.1 ITU

ITU-R WP5D的會議主席在2014年2月的會議上提出了IMT-2020工作計劃的討論稿，并在2014年10月成為最終方案。其內(nèi)容主要為：在2015年之前先對5G技術(shù)進行展望和研究；2015年中開始對5G的國際標(biāo)準(zhǔn)進行制定，首先對關(guān)鍵指標(biāo)和評估方法進行研究；2017年底開始對5G的候選技術(shù)進行征集；2018年底對候選技術(shù)進行評估和標(biāo)準(zhǔn)化；希望在2020年底之前，5G技術(shù)具備商業(yè)能力。

2017年3月，ITU公布了一份關(guān)于5G系統(tǒng)的最低標(biāo)準(zhǔn)草案。2017年4月，ITU發(fā)布了第一份和5G系統(tǒng)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。2017年12月，ITU正式確定5G系統(tǒng)最低標(biāo)準(zhǔn)的正式方案。

4.2 3GPP

3GPP組織把Release-15作為5G系統(tǒng)的第一個標(biāo)準(zhǔn)，并且，3GPP把5G標(biāo)準(zhǔn)分成了兩部分，一部分是非獨立標(biāo)準(zhǔn)，即利用4G的核心網(wǎng)（EPC）來實現(xiàn)5G的空口，這一部分的核心標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在2017年12月2日凍結(jié)；另外一部分是獨立標(biāo)準(zhǔn)，即用5G的核心網(wǎng)來實現(xiàn)5G的空口，這一部分3GPP計劃于2018年6月完成。上面的兩部分都是3GPP組織對5G進行標(biāo)準(zhǔn)化的第一階段，之后3GPP組織會在Release-16版本的標(biāo)準(zhǔn)中繼續(xù)對5G進行研究和標(biāo)準(zhǔn)化。

5 總結(jié)

目前，全球的通信業(yè)界對5G頻譜使用達成了一定的共識：應(yīng)該以6GHz以下的頻段，也就是中低頻段為5G系統(tǒng)的主要部署頻段，而高頻段作為輔助頻段為中低頻段提供帶寬和速率的支持。這樣看來，雖然5G系統(tǒng)的授權(quán)頻段相比于4G系統(tǒng)有了一定的提升，但考慮到主力部署頻段和關(guān)鍵指標(biāo)要求之后，分配給5G的頻段就稍顯不足了，因此，為了使5G通信系統(tǒng)可以提供滿足要求的服務(wù)，各家公司、組織提出了各種各樣的非授權(quán)頻譜利用技術(shù)，充分利用未授權(quán)的頻段，結(jié)合分配給自己的專用頻段，來滿足5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)要求。就目前來看，各個國家和陣營對5G通信系統(tǒng)的授權(quán)專用頻譜的分配已基本完成，之后的變動不會太大。非授權(quán)頻譜接入方面，各個標(biāo)準(zhǔn)化組織目前都在積極討論，制定一套能被廣泛認同的標(biāo)準(zhǔn)，這一部分距離成熟還有一定的距離。近期，5G的非獨立組網(wǎng)的核心標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成并凍結(jié)，隨著各項技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的不斷推進和成熟，5G通信系統(tǒng)會離我們越來越近。

[1] 焦巖, 高月紅, 楊鴻文，等. D2D技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2014,(6):83-87.

[2] Qualcomm Technologies. Spectrum for 4G and 5G[Z/OL]. (2017/12)[2018/1/24]. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/spectrum-for-4g-and-5g.pdf

[3] FCC. Order on reconsideration and further notice of proposed rulemaking[EB/OL]. (2017/7/14) [2017/12/6]. https://apps.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/FCC-17-95A1.pdf

[4] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. 公開征求對第五代國際移動通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段的意見[EB/OL]. (2017/6/5) [2017/11/18]. http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057735/n3057748/c5672371/content.html

[5] FCC. FCC takes steps to facilitate mobile broadband and next generation wireless technologies in spectrum above 24GHz[EB/OL].(2016/7/14) [2017/12/6]. https://apps.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/DOC-340301A1.pdf

[6] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. 公開征集在毫米波頻段規(guī)劃第五代國際移動通信系統(tǒng)（5G）使用頻率的意見[EB/OL].(2017/8/7) [2017/11/18]. http://zmhd.miit.gov.cn:8080/opinion/noticedetail.do?method=notice_detail_show¬iceid=1781

[7] 王爽, 張萌, 董宏峰, 等. 基于Licensed Assisted Access技術(shù)的退避算法設(shè)計與優(yōu)化[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2015,(12):83-87.

[8] 龔碧夢, 許九旭, 高月紅, 等. 基于非授權(quán)頻段的LTE技術(shù)綜述[J]. 現(xiàn)代電信科技, 2015,45(05):60-63.

[9] 顧向鋒, 馬濤. 非授權(quán)頻譜LTE技術(shù)特點及應(yīng)用場景研究[J].移動通信, 2015,39(22):50-53+58.

[10] Qualcomm Technologies. MulteFire Technology Progress and Benefits,and How It Enables A New Breed of Neutral Hosts[Z/OL]. (2016/5)[2017/11/18]. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/multefire-technology.pdf

[11] 3GPP TR 36.842. Study on Small Cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN; Higher layer aspects V12.0.0[S]. 2013.

[12] Qualcomm Technologies. Making 5G NR a reality[Z/OL]. (2016/9)[2017/12/6]. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/making-5g-nr-a-reality.pdf