24.25GHz-28.35GHz部分頻段美國(guó)5G頻率規(guī)劃解析

謝 剛，王 坦，錢肇均

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037）

1 引言

截止10月，全球共有42個(gè)國(guó)家正在著手5G適用頻譜的相關(guān)工作，計(jì)劃為5G保留頻譜甚至即將拍賣該頻譜[1]。目前，世界各地的5G監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在拍賣或考慮在18個(gè)不同頻段拍賣頻譜，用于未來(lái)的5G業(yè)務(wù)，范圍從600MHz到64GHz-86GHz。首要頻段是中頻段，也即3-6GHz頻段范圍，其中最主要的是3400MHz-3600MHz頻段，如今有32個(gè)國(guó)家宣布該頻段的拍賣或正在進(jìn)行協(xié)商。此外是3600-3800MHz頻段，有20個(gè)國(guó)家考慮拍賣或征求意見(jiàn)。在毫米波方面，也即24-86GHz頻段范圍，全球關(guān)注的焦點(diǎn)在24.25GHz-29.5GHz頻段，有17個(gè)國(guó)家考慮拍賣或征求意見(jiàn)。在我國(guó)，為促進(jìn)5G系統(tǒng)的發(fā)展，無(wú)線電主管部門結(jié)合國(guó)際國(guó)內(nèi)各方面因素，統(tǒng)籌兼顧各行業(yè)的不同需求，于2017年11月發(fā)布了330 0MHz-3400MHz，3400MHz-3600MHz和4800MHz-5000MHz頻段的頻率使用規(guī)劃[2]，我國(guó)因此成為了國(guó)際上首發(fā)5G中頻段頻率規(guī)劃的國(guó)家。而在5G毫米波方面，美國(guó)于2016年7月率先發(fā)布了《用于移動(dòng)業(yè)務(wù)的24GHz以上頻段》的執(zhí)行公告[3]。接下來(lái)于2017年11月、2018年6月先后發(fā)布了第二次[4]以及第三次執(zhí)行公告[5]，通過(guò)這些工作步驟，美國(guó)逐漸完善了5G毫米波頻段頻率規(guī)劃，促進(jìn)了全球5G該頻段規(guī)劃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球很多國(guó)家對(duì)這些頻段有著很大的興趣，圖1中藍(lán)色區(qū)域即為考慮、拍賣或授予5G系統(tǒng)24.25GHz-29.5GHz頻段的國(guó)家。

圖1 考慮、拍賣或授予5G系統(tǒng)24.25GHz-29.5GHz的國(guó)家

目前，我國(guó)的5G毫米波頻段頻率規(guī)劃研究工作仍在進(jìn)行中。本文意在通過(guò)分析美國(guó)5G頻率規(guī)劃報(bào)告中28GHz（27.5-28.35GHz）和26GHz（24.25-27.5GHz）頻段頻率規(guī)劃，為我國(guó)5G毫米波頻段規(guī)劃工作提供參考。其中，美國(guó)頻率規(guī)劃工作分為三個(gè)階段：向運(yùn)營(yíng)商征求意見(jiàn)、提出規(guī)劃以及補(bǔ)充修改，圖2為28GHz與26GHz頻段規(guī)劃工作進(jìn)度圖。

2 28GHz頻段（27.5GHz-28.35GHz）

28GHz頻段（27.5GHz-28.35GHz）是美國(guó)第一次執(zhí)行公告的重點(diǎn)內(nèi)容。它公布了該頻段的授權(quán)機(jī)制、衛(wèi)星地面業(yè)務(wù)共存分析以及頻段安排。第二次公告則根據(jù)反饋意見(jiàn)進(jìn)行了補(bǔ)充。

圖2 28GHz與26GHz頻段規(guī)劃工作進(jìn)度圖

2.1 背景

1997年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communi-cation Commission，F(xiàn)CC）決定將所有的基礎(chǔ)商業(yè)區(qū)（BTA）劃分1300MHz帶寬用于本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)（Local Multipoint Distribution Service，LMDS）。LMDS頻段有著兩個(gè)分區(qū)，A段與B段。其中，A段包含 了27.50-28.35GHz（A1頻 段 ）、29.10-29.25GHz（A2頻 段 ） 和31.075-31.225GHz（A3頻段），總共1150MHz的頻譜資源；而B(niǎo)段包含31.00-31.075GHz（B1頻段）和31.225-31.30GHz（B2頻段），總共150MHz頻譜資源[6]。FCC認(rèn)為，相對(duì)于其他LMDS頻段，28GHz頻段是移動(dòng)服務(wù)技術(shù)研究和原型機(jī)研制工作的重點(diǎn)。因?yàn)樗哂?50MHz的連續(xù)帶寬來(lái)滿足各種高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，并且頻譜的現(xiàn)成可用性也有助于大規(guī)模5G系統(tǒng)的發(fā)展。

2.2 授權(quán)機(jī)制

FCC在28GHz頻段上使用地理區(qū)域許可來(lái)授權(quán)，原因在于頒發(fā)單一執(zhí)照有利于被許可人協(xié)調(diào)其區(qū)域內(nèi)的固定和移動(dòng)業(yè)務(wù)。這種方法使得每個(gè)執(zhí)照都可以靈活地提供固定或移動(dòng)業(yè)務(wù)，加快移動(dòng)或其他高級(jí)服務(wù)的部署。

現(xiàn)今美國(guó)頻率規(guī)劃共有4種基礎(chǔ)地理區(qū)域單位，如表1所示：

表1 基礎(chǔ)地理區(qū)域單位

美國(guó)5G頻率規(guī)劃將“縣”作為28GHz頻段許可證的基礎(chǔ)地理區(qū)域單位，有以下三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）這些頻段信號(hào)不能長(zhǎng)距離傳播，使用時(shí)預(yù)計(jì)將提供以米為單位的區(qū)域覆蓋范圍。這種情況下，“縣”級(jí)執(zhí)照最符合5G業(yè)務(wù)的需求。

（2）執(zhí)照持有者能靈活購(gòu)買目標(biāo)容量區(qū)域。相對(duì)于以BTA或EA作為區(qū)域單位來(lái)授權(quán)，建立較小的許可區(qū)域有利于執(zhí)照持有者根據(jù)市場(chǎng)力量和客戶需求制定部署決策。

（3）不同規(guī)模運(yùn)營(yíng)商具有平等的發(fā)展機(jī)會(huì)。小型運(yùn)營(yíng)商更容易定制最需要的區(qū)域。大型運(yùn)營(yíng)商既可以針對(duì)需要減小區(qū)域，也可以將多個(gè)縣級(jí)區(qū)域組合成更大的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

基于這些優(yōu)勢(shì)，新制定的UMFUS（Upper Microwave Flexible Use Service）執(zhí)照確定以“縣” 為基礎(chǔ)地理區(qū)域單位，但也帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題：更多的“縣”單元帶來(lái)了更多的協(xié)調(diào)問(wèn)題；更多數(shù)量的許可證將增加執(zhí)照持有者和委員會(huì)的行政負(fù)擔(dān)。針對(duì)協(xié)調(diào)問(wèn)題，F(xiàn)CC在邊界要求限制功率流密度?，F(xiàn)有的BTA 通過(guò)這種方式協(xié)調(diào)邊界處的運(yùn)營(yíng)，并沒(méi)有出現(xiàn)服務(wù)問(wèn)題。因此，F(xiàn)CC認(rèn)為邊界協(xié)調(diào)問(wèn)題可以得到很好的解決。針對(duì)行政負(fù)擔(dān)問(wèn)題，由于執(zhí)照持有者直接獲得移動(dòng)業(yè)務(wù)許可權(quán)，F(xiàn)CC認(rèn)為這種好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了持有者和委員會(huì)的任何行政負(fù)擔(dān)。為了加快移動(dòng)部署以及降低協(xié)調(diào)難度，F(xiàn)CC認(rèn)為這項(xiàng)舉措是值得的。

2.3 衛(wèi)星地面業(yè)務(wù)共存

在不干擾LMDS系統(tǒng)鏈路的前提下，地球同步衛(wèi)星（GSO）或地球非同步衛(wèi)星（NGSO）業(yè)務(wù)系統(tǒng)可提供有限的地對(duì)空網(wǎng)關(guān)類型業(yè)務(wù)。FCC確定了同頻段衛(wèi)星業(yè)務(wù)是地面業(yè)務(wù)的次級(jí)業(yè)務(wù)。美國(guó)衛(wèi)星電視運(yùn)營(yíng)商認(rèn)為FSS地球站可以部署在距離地面業(yè)務(wù)170米附近。但地面業(yè)務(wù)與衛(wèi)星業(yè)務(wù)之間仍然會(huì)存在兩個(gè)干擾問(wèn)題：一是FSS地球站對(duì)地面接收端的干擾區(qū)；二是地面業(yè)務(wù)對(duì)衛(wèi)星接收端的空中集總干擾。

2.3.1 FSS地球站選址規(guī)定

FCC明確FSS地球站可以在不干擾地面系統(tǒng)的前提下以先到先得的方式獲得授權(quán)，但地球站必須通過(guò)以下四條部署準(zhǔn)則：

（1）在每個(gè)縣能部署地球站的“位置”不超過(guò)三個(gè)。其中，“位置”指的是，發(fā)射地球站在地平面以上10米處產(chǎn)生的功率流密度（PFD）不超過(guò)-77.6dBm/m2/MHz的區(qū)域，或者接收地球站周圍沒(méi)有地面業(yè)務(wù)的自定義保護(hù)區(qū)。（2）申請(qǐng)人需要證明其地球站周圍的干擾區(qū)域并沒(méi)有覆蓋所在區(qū)域的一定范圍人口。其中，不同人口密度的區(qū)域采取不同的人口范圍限制。詳細(xì)劃分見(jiàn)表2。

表2 人口最大范圍限制表

（3）申請(qǐng)人需要證明其干擾區(qū)域不會(huì)影響任何重大事件場(chǎng)所，例如洲際公路、高速公路等。FCC要求衛(wèi)星地面業(yè)務(wù)雙方合作避免影響重大事件場(chǎng)所。（4）如果地球站需要部署在UMFUS執(zhí)照持有者的縣內(nèi)，申請(qǐng)人必須與其按照程序協(xié)調(diào)運(yùn)作。

2.3.2 衛(wèi)星接收端的集總干擾分析

第二個(gè)必須考慮的問(wèn)題是衛(wèi)星接收端的集總干擾。大量地面基站會(huì)對(duì)衛(wèi)星造成集總干擾，從而降低衛(wèi)星的性能。FCC認(rèn)為28GHz頻段的集總干擾上升到有害干擾水平的可能性不大，因此拒絕對(duì)地面基站集總功率建立任何限制門限。其原因如下：（1）衛(wèi)星業(yè)務(wù)是28GHz頻段內(nèi)次級(jí)業(yè)務(wù)。如果發(fā)現(xiàn)將要確立的衛(wèi)星業(yè)務(wù)會(huì)受到地面業(yè)務(wù)的嚴(yán)重干擾，應(yīng)立即取消該業(yè)務(wù)的指配。（2）并無(wú)證據(jù)表明衛(wèi)星接收到的集總干擾產(chǎn)生了嚴(yán)重的有害影響。LMDS執(zhí)照最大授權(quán)功率為85dBm，而UMFUS執(zhí)照最大授權(quán)功率為75dBm。由于過(guò)去并沒(méi)有發(fā)生集總干擾影響衛(wèi)星運(yùn)行的情況，F(xiàn)CC認(rèn)為更低的功率更不會(huì)帶來(lái)不利影響。（3）大多數(shù)毫米波傳輸可能不會(huì)出現(xiàn)在有衛(wèi)星視線的環(huán)境中。據(jù)估計(jì)，多達(dá)80%的智能手機(jī)使用在室內(nèi)，其余大部分用于車內(nèi)。

2.4 頻段安排

美國(guó)FCC在最新頻率劃分表上公布了28GHz頻段的使用詳情，聯(lián)邦并沒(méi)有使用該頻段，非聯(lián)邦在該頻段有著固定、衛(wèi)星以及移動(dòng)授權(quán)，如表3所示：

表3 28GHz美國(guó)頻率劃分表

FCC提議將28GHz頻段授權(quán)為兩個(gè)425MHz帶寬的分區(qū)，其認(rèn)為425MHz的帶寬足以提供高傳輸速率服務(wù)以及此頻段預(yù)期的創(chuàng)新應(yīng)用。FCC強(qiáng)調(diào)現(xiàn)有的LMDS執(zhí)照持有者將保留其兩個(gè)頻段分區(qū)的使用權(quán)。

3 26GHz頻段（24.25GHz-27.5GHz）

26GHz 頻段分為兩個(gè)部分，24GHz 頻段和25.25GHz-27.5GHz頻段。其中，24GHz頻段指的是24.25GHz-25.25GHz頻段。24GHz頻段是第二次執(zhí)行公告的重點(diǎn)內(nèi)容。它公布了授權(quán)機(jī)制、衛(wèi)星業(yè)務(wù)、性能指標(biāo)、頻段安排以及頻譜拍賣規(guī)定。第三次公告則進(jìn)行了補(bǔ)充，同時(shí)向運(yùn)營(yíng)商征求25.25GHz-27.5GHz頻段規(guī)劃意見(jiàn)。

3.1 背景綜述

在美國(guó)2 4GHz 頻段分為兩個(gè)部分——“下段”24.25GHz-24.45GHz 和“上段”24.75GHz-25.25GHz。目前，非聯(lián)邦固定業(yè)務(wù)應(yīng)用于“下段”，而非聯(lián)邦固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用于“上段”。經(jīng)分析，F(xiàn)CC發(fā)現(xiàn)24GHz頻段適合移動(dòng)業(yè)務(wù)，因此決定批準(zhǔn)移動(dòng)業(yè)務(wù)。但全球至少有八個(gè)國(guó)家準(zhǔn)備批準(zhǔn)地面移動(dòng)業(yè)務(wù)于26GHz頻段。因此，國(guó)際上要求美國(guó)考慮25.25GHz-27.5GHz頻段是否適合地面業(yè)務(wù)。

設(shè)備制造商表示能夠?qū)崿F(xiàn)25.25GHz-27.5GHz 頻段的整合，使得新授權(quán)頻段與先前頻段共享設(shè)備。此外，該頻段有著更好的覆蓋特性。因此，F(xiàn)CC決定積極響應(yīng)國(guó)際號(hào)召，將26GHz頻段應(yīng)用于固定和移動(dòng)業(yè)務(wù)。不久前FCC新文件《The FCC’s 5G Fast Plan》，進(jìn)一步加強(qiáng)這一塊工作。

3.2 授權(quán)機(jī)制

FCC選擇在24GHz頻段上實(shí)施地理區(qū)域許可標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榭梢詾閳?zhí)照持有者靈活地提供各種服務(wù)且與先前采用的授權(quán)機(jī)制保持一致。FCC采用PEA 作為24GHz頻段授權(quán)區(qū)域單位，原因如下：

（1）可以與現(xiàn)有的39GHz頻段保持一致，協(xié)調(diào)各頻段的監(jiān)管環(huán)境，簡(jiǎn)化各頻段的設(shè)備開(kāi)發(fā)和服務(wù)部署。（2）執(zhí)照持有者能靈活地購(gòu)買目標(biāo)區(qū)域。在對(duì)較大區(qū)域感興趣時(shí)，其可以購(gòu)買多個(gè)單元進(jìn)行組合；在對(duì)較小區(qū)域感興趣時(shí)，分區(qū)是一種可行方案。而對(duì)于25.25GHz-27.5GHz頻段，目前FCC并沒(méi)有明確授權(quán)方案，而是向廣大運(yùn)營(yíng)商征求意見(jiàn)，是否采取地理許可標(biāo)準(zhǔn)授權(quán)機(jī)制或其他授權(quán)機(jī)制。

3.3 24GHz頻段衛(wèi)星業(yè)務(wù)

先前美國(guó)頻率劃分表規(guī)定，2 4.75 GH z-25.05GHz頻段中廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)（BSS）的饋線鏈路優(yōu)先于其他衛(wèi)星業(yè)務(wù)，25.05GHz-25.25GHz頻段僅用于BSS饋線鏈路。但FCC發(fā)現(xiàn)，更多的衛(wèi)星業(yè)務(wù)可以與移動(dòng)業(yè)務(wù)共存，因此提議在24GHz的“上段”授權(quán)更廣泛的FSS業(yè)務(wù)。FCC通過(guò)修改有關(guān)規(guī)定，為FSS業(yè)務(wù)提供了更大的靈活性。例如取消附錄中軌道位置限制。24GHz頻段下地球站部署同樣需要滿足規(guī)定，具體而言，有以下兩點(diǎn)：地球站周圍的干擾區(qū)域需要滿足總?cè)丝谙拗?；區(qū)域內(nèi)的地球站需要滿足數(shù)量限制。此外，地面基站對(duì)衛(wèi)星接收端的集總干擾可能是該頻段的一個(gè)問(wèn)題。但并沒(méi)有證據(jù)表明這種干擾嚴(yán)重影響了衛(wèi)星運(yùn)行，因此FCC沒(méi)有采取任何措施來(lái)限制集總干擾。但FCC表明，將添加規(guī)劃表中的有關(guān)內(nèi)容，以明確衛(wèi)星業(yè)務(wù)與移動(dòng)業(yè)務(wù)之間的相對(duì)干擾保護(hù)義務(wù)。

3.4 24GHz頻段性能指標(biāo)

為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)類型部署，F(xiàn)CC決定采用UMFUS許可的地理區(qū)域度量指標(biāo)，其包含在執(zhí)照持有者現(xiàn)有績(jī)效指標(biāo)列表中。執(zhí)照持有者需要展示其地理區(qū)域至少25%的移動(dòng)服務(wù)覆蓋，同時(shí)其設(shè)備必須正在為私人，內(nèi)部或非附屬客戶提供服務(wù)。FCC強(qiáng)調(diào)，此地理區(qū)域指標(biāo)是執(zhí)照持有者的另一種選擇。如果部署物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的執(zhí)照持有者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的移動(dòng)或固定指標(biāo)更適合需求，可以采用其指標(biāo)。FCC認(rèn)為設(shè)計(jì)基于使用情況的指標(biāo)還為時(shí)過(guò)早，但為UMFUS執(zhí)照持有者提供一些額外指標(biāo)可使其獲得更大的靈活性。

3.5 頻段安排

美國(guó)FCC在最新頻率劃分表上公布了24GHz 頻段的使用詳情，聯(lián)邦與非聯(lián)邦均在該頻段授權(quán)了不同業(yè)務(wù)，如表4所示：

表4 24GHz頻段美國(guó)頻率劃分表

24GHz頻段將被授權(quán)為多個(gè)100MHz帶寬分區(qū)?！跋露巍北皇跈?quán)為兩個(gè)100MHz帶寬的分區(qū)，而“上段”被授權(quán)為五個(gè)10 0MHz帶寬的分區(qū)。這種分區(qū)方式有助于開(kāi)發(fā)UMFUS頻段各種用途，支持各種創(chuàng)新服務(wù)。執(zhí)照持有者也可通過(guò)聚合多個(gè)100MHz帶寬來(lái)獲得更大的帶寬。對(duì)于25.25GHz-27.5GHz 頻段，考慮到采用100MHz帶寬方案會(huì)提供更大的靈活性，而采用200MHz帶寬方案會(huì)降低消費(fèi)者的交易成本，因此FCC并沒(méi)有明確該頻段使用何種方案授權(quán)，而是向運(yùn)營(yíng)商們尋求最合適的授權(quán)方案。

3.6 頻譜拍賣規(guī)定

美國(guó)采取拍賣的政策將5G頻譜分配給各大運(yùn)營(yíng)商。但出于對(duì)惡意競(jìng)爭(zhēng)的擔(dān)憂，美國(guó)FCC先前提議在28GHz、37GHz和39GHz頻段的頻譜數(shù)量上建立1250MHz的拍賣前限制。不過(guò)在運(yùn)營(yíng)商的反饋意見(jiàn)中，F(xiàn)CC發(fā)現(xiàn)這一限制不利于拍賣者購(gòu)買5G 頻段，阻礙了5G服務(wù)的發(fā)展。于是FCC取消了5G頻譜拍賣的數(shù)量限制，但決定拍賣后對(duì)各個(gè)拍賣者進(jìn)行審查。FCC根據(jù)實(shí)際情況允許或拒絕拍賣者獲取新的頻段，這不僅可以解決惡意競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)保證了拍賣者靈活地選擇新的目標(biāo)頻段。FCC最終決定24GHz、28GHz、37GHz、39GHz和47GHz頻段拍賣均采用事后審查方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

在經(jīng)過(guò)三份美國(guó)5G規(guī)劃報(bào)告的發(fā)布后，美國(guó)最終確立了詳細(xì)有序的5G頻率規(guī)劃。通過(guò)分析這三份報(bào)告中的28GHz與26GHz頻段規(guī)劃，本文發(fā)現(xiàn)，美國(guó)頻譜規(guī)劃有以下特點(diǎn)：（1）注重公共利益，協(xié)調(diào)各運(yùn)營(yíng)商利益共同發(fā)展。從報(bào)告中可看出，美國(guó)FCC認(rèn)真聽(tīng)取各大運(yùn)營(yíng)商的反饋意見(jiàn)，在不影響公共利益的前提下，分析并采納合理的意見(jiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)商的不同利益，謀求共同發(fā)展。（2）注重頻段間不同業(yè)務(wù)共同發(fā)展。美國(guó)FCC 對(duì)衛(wèi)星業(yè)務(wù)和地面業(yè)務(wù)共存進(jìn)行分析，希望在互不干擾的情況下，兩種業(yè)務(wù)都能給公眾帶來(lái)利益。（3）注重考慮當(dāng)前非執(zhí)照運(yùn)營(yíng)商利益。美國(guó)FCC希望新頒布的頻譜政策不是損害而是維護(hù)現(xiàn)有者的利益，比如28GHz頻段中，對(duì)原有的LMDS執(zhí)照持有者直接贈(zèng)予新機(jī)制的移動(dòng)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)執(zhí)照。（4）注重充分利用頻譜資源。事后審查的策略保證了頻譜資源落在了最需要的運(yùn)營(yíng)商手里，同時(shí)性能指標(biāo)則要求了其充分利用頻譜資源加快5G部署。■