40GHz頻段美國5G頻率規(guī)劃解析

謝 剛，王 坦，曾昱祺

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

1 引言

頻譜資源作為新一代戰(zhàn)略資源，其規(guī)劃與5G移動通信系統(tǒng)緊密相關(guān)。已召開的WRC-15大會議題主要面向6GHz以下頻段，而即將召開的WRC-19大會則面向6GHz以上毫米波頻段，其中全球研究的焦點(diǎn)主要集中在26GHz（24.25-27.5GHz）和40GHz（37-43.5GHz）兩個頻段。

在5G毫米波頻率規(guī)劃方面，美國于2016年7月率先發(fā)布了《用于移動業(yè)務(wù)的24GHz以上頻段》的執(zhí)行公告[1]，規(guī)劃了27.5-28.35GHz、37-40GHz和64-71GHz頻段。接下來于2017年11月、2018年6月先后發(fā)布了第二次[2]以及第三次執(zhí)行公告[3]，進(jìn)一步規(guī)劃了24.25-24.45GHz、24.75-25.25GHz和47.2-48.2GHz頻段，并對先前規(guī)劃做出了補(bǔ)充修改。2018年11月15日，美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）成功召開了美國第一次5G頻譜拍賣會，共計(jì)安排發(fā)放3072張28GHz頻段牌照，并預(yù)計(jì)2018年年底完成24GHz頻段牌照的拍賣。同時，F(xiàn)CC還計(jì)劃在2019年拍賣40GHz頻段用于5G商用。而歐盟已宣布將24.25-27.5GHz頻段作為5G移動通信系統(tǒng)最為優(yōu)先選擇的頻段，同時積極推動40GHz頻段規(guī)劃用于5G通信。

目前，我國工信部已就26GHz和40GHz等頻段可能用于5G進(jìn)行公開征求意見。40GHz頻段作為毫米波頻段研究的下一個頻段，同樣有著較寬的可用頻譜，其5G系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)共存形勢相對較好。2018年8月10日，GSA（Global mobile Suppliers Association）在其“5G網(wǎng)絡(luò)頻譜：全球許可進(jìn)展”報告[4]中表示全球42個國家和地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在積極進(jìn)行5G頻譜規(guī)劃，圖1表明了不同頻段規(guī)劃的國家數(shù)目，其中可看出40GHz頻段是國際毫米波頻段研究熱點(diǎn)。

本文意在通過分析美國5G頻段規(guī)劃報告中40GHz頻段，為我國5G毫米波頻段規(guī)劃工作提供參考。圖2表明了美國5G頻率規(guī)劃報告中40GHz頻段規(guī)劃工作進(jìn)度，分為三個階段：征求意見、提出規(guī)劃以及補(bǔ)充修改；表1為報告中美國地理區(qū)域單位概念。

2 39GHz頻段（38.6-40GHz）

2.1 背景

目前該頻段劃分給非聯(lián)邦的固定業(yè)務(wù)、固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)和移動業(yè)務(wù)，其中在39.5-40GHz頻段內(nèi)有劃分給專用系統(tǒng)的聯(lián)邦衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（FSS）和衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)（MSS）。FCC認(rèn)為39GHz頻段的寬帶寬有助于滿足持續(xù)增長的移動數(shù)據(jù)需求，授權(quán)移動業(yè)務(wù)于該頻段。由于衛(wèi)星業(yè)務(wù)對地面業(yè)務(wù)的影響較小，F(xiàn)CC提議該頻段地面和衛(wèi)星業(yè)務(wù)共存。美國最新頻率劃分表39GHz頻段的使用詳情如表2所示：

圖1 不同頻段規(guī)劃的國家數(shù)目

圖2 40GHz頻段規(guī)劃工作進(jìn)度圖

表1 基礎(chǔ)地理區(qū)域單位

表2 39GHz頻段美國頻率劃分表

2.2 授權(quán)機(jī)制

FCC在39GHz頻段上使用地理區(qū)域許可來授權(quán)。美國5G頻率規(guī)劃將“PEA”作為39GHz頻段許可證的基礎(chǔ)地理區(qū)域單位，有以下優(yōu)勢：（1）執(zhí)照持有者能靈活購買目標(biāo)容量區(qū)域。相對于以BTA或EA作為區(qū)域單位來授權(quán)，建立較小的許可區(qū)域有利于執(zhí)照持有者根據(jù)市場力量和客戶需求制定部署決策。（2）PEA可以嵌入到EA中，也可以分解為多個縣，允許運(yùn)營商將其組合或劃分為目標(biāo)許可區(qū)域。組合和分區(qū)的能力給執(zhí)照持有者帶來了便利，有助于快速部署執(zhí)照。

2.3 非聯(lián)邦衛(wèi)星地面業(yè)務(wù)共存

美國5G頻率規(guī)劃報告指出，不同于28GHz頻段地球站的地對空衛(wèi)星業(yè)務(wù)，39GHz頻段地球站將授權(quán)空對地衛(wèi)星業(yè)務(wù)，需要重點(diǎn)考慮地面業(yè)務(wù)對地球站接收端的干擾問題。美國EchoStar公司表明其地球站需要半徑2千米的禁區(qū)，禁區(qū)面積大約是28GHz頻段地球站禁區(qū)的138倍。美國48個州的平均PEA面積約為18，692平方千米，因此，禁區(qū)將覆蓋平均面積的0.0674%。如果人口均勻分布，相當(dāng)于僅覆蓋了基本單元內(nèi)不到0.1%的人口。此外，衛(wèi)星運(yùn)營商可以通過構(gòu)建人工場地防護(hù)罩或利用自然地形特征來大幅減少所需禁區(qū) 大小。另外，F(xiàn)CC以先到先得的方式授權(quán)39GHz頻段地球站，滿足以下條件：一是地球站申請人必須在其地球站周圍定義一個保護(hù)區(qū)，使用合理方法證明指定的保護(hù)區(qū)不大于保護(hù)其地球站所需的保護(hù)區(qū)。二是每個PEA中授權(quán)最多三個保護(hù)區(qū)，申請人必須證明PEA中現(xiàn)有不超過兩個保護(hù)區(qū)。三是申請人必須證明保護(hù)區(qū)覆蓋總計(jì)不會超過PEA人口的0.1%。四是申請人必須證明保護(hù)區(qū)不侵犯任何重大事件地點(diǎn)，主干道，洲際公路或美國公路，城市公共交通路線，客運(yùn)鐵路或游輪港口。五是球站申請人必須與授權(quán)區(qū)域執(zhí)照持有者協(xié)調(diào)，以確保保護(hù)區(qū)不存在地面業(yè)務(wù)。

2.4 頻段安排

FCC將在39GHz頻段內(nèi)創(chuàng)建7個200MHz帶寬的分區(qū)。FCC認(rèn)為該信道大小能夠充分利用數(shù)據(jù)吞吐量產(chǎn)生足夠數(shù)量的信道以同時對多個運(yùn)營商接入。FCC修改了基于成對頻譜塊的頻段規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)時分雙工（TDD）。FCC采用的規(guī)范將允許任何類型的雙工，執(zhí)照持有者可以通過獲取和配對多個頻譜塊來實(shí)現(xiàn)頻分雙工（FDD）。

3 37GHz頻段（37-38.6GHz）

3.1 背景

美國37GHz頻段除了有限數(shù)量的聯(lián)邦業(yè)務(wù)之外，沒有非聯(lián)邦地面業(yè)務(wù)或移動業(yè)務(wù)。FCC發(fā)現(xiàn)允許該頻段內(nèi)的固定和移動業(yè)務(wù)有很多優(yōu)勢：包含1600MHz的連續(xù)頻譜，可以支持高數(shù)據(jù)速率；與39GHz頻段相鄰，允許運(yùn)營商在兩個頻段上聚合頻譜；在全球有著共同的固定和移動劃分，允許運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)規(guī)模運(yùn)營。

然而FCC表示由于該頻段具有聯(lián)邦和非聯(lián)邦撥款，因此制定移動業(yè)務(wù)的規(guī)范將具有挑戰(zhàn)性。37GHz頻段主要劃分給固定和移動業(yè)務(wù)，供聯(lián)邦和非聯(lián)邦使用；部分37GHz頻段劃分給空間研究業(yè)務(wù)（SRS），作為聯(lián)邦使用（37-38GHz）和固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS）的主要基礎(chǔ)；37GHz頻段與36-37GHz頻段相鄰，地球探測衛(wèi)星業(yè)務(wù)（EESS）和SRS中的無源傳感器位于此頻段。為了滿足這些不同需求，靈活的規(guī)范框架能夠盡可能地提供服務(wù)。美國最新頻率劃分表37GHz頻段的使用詳情如表3所示：

表3 37GHz頻段美國頻率劃分表

3.2 授權(quán)機(jī)制

FCC采用以下授權(quán)方案：在頻帶的37.6-38.6GHz部分（高頻段）中，使用地理區(qū)域許可來授權(quán)；在頻帶的37-37.6GHz部分（低頻段）中，沒有特定的授權(quán)制度，而是聯(lián)邦和非聯(lián)邦用戶之間協(xié)調(diào)共享該頻段，其中非聯(lián)邦用戶使用共享訪問許可證（SAL）來獲得授權(quán)。在高頻段，37GHz頻段和39GHz頻段在同一框架下獲得授權(quán)，具有相同的技術(shù)和授權(quán)機(jī)制，有利于37GHz和39GHz頻段的執(zhí)照持有者聚合頻譜塊；在低頻段，有助于進(jìn)一步促進(jìn)聯(lián)邦和非聯(lián)邦用戶之間的共享，并使聯(lián)邦用戶和消費(fèi)者有機(jī)會加速上市和降低部署技術(shù)成本。

FCC決定在37GHz高頻段（37.6-38.6GHz）上采用PEA作為地理區(qū)域授權(quán)單位，有以下優(yōu)勢：與39GHz 頻段保持一致，這將允許運(yùn)營商使用2400MHz（37.6-40GHz）的連續(xù)頻譜，靈活地購買目標(biāo)區(qū)域滿足自身需求；以PEA為授權(quán)單位既可以使大小型運(yùn)營商降低協(xié)調(diào)難度，也可以激勵投資來促進(jìn)部署。

在37GHz低頻段，F(xiàn)CC認(rèn)為必須進(jìn)一步制定在聯(lián)邦與非聯(lián)邦用戶或非聯(lián)邦用戶之間的協(xié)調(diào)共享機(jī)制。協(xié)調(diào)共享機(jī)制實(shí)際上是促進(jìn)協(xié)調(diào)訪問所必需的監(jiān)管、技術(shù)或程序工具，其用來授權(quán)特定用戶在特定地點(diǎn)使用特定頻譜帶寬。協(xié)調(diào)共享機(jī)制必須滿足以下規(guī)定：能夠獲得有關(guān)設(shè)備類型、協(xié)調(diào)位置的信號輪廓以及所求帶寬與可用帶寬的信息；能夠定期更新協(xié)調(diào)位置的狀態(tài)（開/關(guān)或授權(quán)/未授權(quán)）；能夠?qū)⑦@類信息納入聯(lián)邦和非聯(lián)邦固定和移動業(yè)務(wù)。

3.3 衛(wèi)星地面業(yè)務(wù)共存

美國5G頻段規(guī)劃將37GHz頻段劃分給聯(lián)邦和非聯(lián)邦固定業(yè)務(wù)和移動業(yè)務(wù)，部分頻段也劃分給聯(lián)邦空間研究業(yè)務(wù)（SRS），但僅限于空對地業(yè)務(wù)。FCC發(fā)現(xiàn)很多聯(lián)邦站點(diǎn)使用了該頻段，NTIA聲明FCC需要保護(hù)這些站點(diǎn)免受37-38GHz頻段的地面和FSS業(yè)務(wù)的影響，其中包括該頻段的14個專用站點(diǎn)和3個科學(xué)站點(diǎn)。

FCC表示非聯(lián)邦業(yè)務(wù)和移動業(yè)務(wù)可以在一定條件下與SRS下行鏈路業(yè)務(wù)共享37-38GHz頻段，其內(nèi)容如下：一是將在專用站點(diǎn)建立協(xié)調(diào)區(qū)，并且在美國劃分表中添加需要保護(hù)的站點(diǎn)位置和各自的協(xié)調(diào)區(qū)位置。二是采用相關(guān)條例要求該頻段內(nèi)地球站不會對專用站點(diǎn)造成有害干擾，并且雙方應(yīng)協(xié)商處理干擾問題。

因此，非聯(lián)邦固定和移動業(yè)務(wù)可以與國防部業(yè)務(wù)共享37-38.6GHz頻段。而關(guān)于聯(lián)邦使用37GHz頻段的問題，F(xiàn)CC將通過條例在協(xié)調(diào)基礎(chǔ)上增加未來站點(diǎn)的能力，其中包括NTIA為14個專用站點(diǎn)和3個科學(xué)站點(diǎn)建議的協(xié)調(diào)區(qū)。

3.4 頻段安排

FCC提議把37GHz高頻段劃分為5個200MHz的分區(qū)。對于37GHz低頻段，F(xiàn)CC沒有制定出頻段安排，而是由聯(lián)邦組織和非聯(lián)邦組織共同協(xié)調(diào)使用，且聯(lián)邦業(yè)務(wù)和非聯(lián)邦業(yè)務(wù)的優(yōu)先級相同。

4 40-42GHz頻段

目前，美國頻率劃分表表示40-42GHz頻段用于衛(wèi)星相關(guān)業(yè)務(wù)。其中，40-40.5GHz頻段劃分給了非聯(lián)邦的FSS（空對地）、MSS（空對地）以及聯(lián)邦各種衛(wèi)星空間研究；40.5-41GHz頻段劃分給了聯(lián)邦和非聯(lián)邦的FSS（空對地）和MSS（空對地），以及廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)（BSS）；41-42GHz頻段劃分給了非聯(lián)邦的FSS（空對地）和BSS業(yè)務(wù)。目前并沒有解決該頻段與衛(wèi)星業(yè)務(wù)共存問題，F(xiàn)CC表示暫時不考慮該頻段5G業(yè)務(wù)，但衛(wèi)星業(yè)務(wù)得到批準(zhǔn)。2018年10月25日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）[9]、電信衛(wèi)星公司（Telesat）[10]、LeoSat公司[11]以及Kepler公司[12]等分別向FCC提交的申請得到批復(fù)。FCC表示只要符合該頻段的授權(quán)規(guī)定，允許在37.5-42GHz頻段進(jìn)行市場接入，但一切操作必須遵守該頻段頻譜共享規(guī)范。

美國最新頻率劃分表40-42GHz頻段的使用詳情如表4所示：

表4 40-42GHz頻段美國頻率劃分表

5 42-43.5GHz頻段

5.1 背景

目前42-42.5GHz頻段主要用于非聯(lián)邦使用的固定和移動業(yè)務(wù)，尚未制定地面業(yè)務(wù)規(guī)范。而相鄰42.5-43.5GHz頻段已經(jīng)被劃分用于聯(lián)邦和非聯(lián)邦使用的射電天文（RAS）業(yè)務(wù)，以及聯(lián)邦固定業(yè)務(wù)，固定衛(wèi)星（地對空）和移動業(yè)務(wù)（航空移動業(yè)務(wù)除外）。由于考慮42.5GHz-43.5GHz頻段其他業(yè)務(wù)可能會干擾到射電天文（RAS）觀測，F(xiàn)CC拒絕為該頻段提出進(jìn)一步的頻率規(guī)劃。美國最新頻率劃分表42-43.5GHz頻段的使用詳情如表5所示：

表5 42-43.5GHz頻段美國頻率劃分表

5.2 授權(quán)機(jī)制

美國5G頻率規(guī)劃報告中，F(xiàn)CC提議在42-42.5GHz頻段上授權(quán)固定和移動業(yè)務(wù)，但前提是必須保證相鄰信道RAS觀測不受到干擾。FCC建議在該頻段上使用地理區(qū)域許可來授權(quán)，且其基本單位為PEA。并且FCC決定與37GHz頻段一樣建立一個聯(lián)邦與非聯(lián)邦用戶可以共享該頻段的機(jī)制。FCC尋求對此提案以及替代方案發(fā)表評論。而對于42.5-43.5GHz頻段，F(xiàn)CC表示保留授權(quán)非聯(lián)邦固定業(yè)務(wù)的規(guī)劃。

5.3 頻段安排

對于42-42.5GHz頻段安排，目前FCC沒有給出確定的方案。FCC提出兩種方案：將500MHz帶寬分成兩個250MHz的分區(qū)或多個100MHz的分區(qū)。FCC傾向于采用第二種方案，因?yàn)檫@個方案符合頻譜最大化效率的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時感興趣的各行業(yè)能夠在需要更大頻段時聚合這些分區(qū)。

并且FCC認(rèn)識到建立一個中間頻帶能更好的保護(hù)RAS觀測免受干擾。如果采用保護(hù)頻帶的方案，采用什么頻段最為合適？對于這些問題，F(xiàn)CC積極向廣大運(yùn)營商征求意見。

6 思考與總結(jié)

隨著美國三份5G頻率規(guī)劃報告的發(fā)布，美國最先將5G毫米波頻段規(guī)劃展現(xiàn)給全世界。FCC從一開始向運(yùn)營商征求意見，接著權(quán)衡利弊確定頻段的使用規(guī)定，包括授權(quán)機(jī)制，共存方案以及頻段安排，最后根據(jù)反饋意見對規(guī)定進(jìn)行補(bǔ)充修改。這三個階段層次分明，步步推進(jìn)，有序合理地將頻譜規(guī)劃工作落到實(shí)處。通過分析美國40GHz頻段規(guī)劃過程，本文認(rèn)為美國頻譜規(guī)劃有以下特點(diǎn)：

（1）公共利益優(yōu)先考慮，各運(yùn)營商利益共同發(fā)展。美國FCC認(rèn)真聽取各大運(yùn)營商反饋意見，權(quán)衡利弊，在不損害公眾利益的前提下，采納合理的意見協(xié)調(diào)各運(yùn)營商的不同利益，謀求共同發(fā)展。

（2）因地制宜協(xié)調(diào)規(guī)劃不同頻段。40GHz頻段有著較大帶寬，各個頻段現(xiàn)存情況有著很大差異，需要分別考慮適合的規(guī)劃方案。如上文所說，F(xiàn)CC在37GHz高頻段采用地理區(qū)域許可來授權(quán)執(zhí)照，而在37GHz低頻段采用聯(lián)邦與非聯(lián)邦協(xié)調(diào)共享機(jī)制來授權(quán)執(zhí)照。

（3）重視候選頻段間業(yè)務(wù)頻譜共享。頻譜資源是新一代有限的戰(zhàn)略資源，業(yè)務(wù)間的頻譜共享是必然趨勢——衛(wèi)星業(yè)務(wù)與5G業(yè)務(wù)之間的互補(bǔ)、融合。例如美國40GHz頻段資源已經(jīng)有很多衛(wèi)星及聯(lián)邦用戶在使用，F(xiàn)CC考慮在這些頻段上授權(quán)移動業(yè)務(wù)，對衛(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，共享寶貴的頻譜資源。綜上所述，美國通過一套頻率規(guī)劃管理流程，積極聽取公眾反饋意見，穩(wěn)步推進(jìn)了相關(guān)頻譜規(guī)劃工作，這為美國在5G毫米波頻段及早完成部分頻率規(guī)劃提供了有力保障。■