國際本地網(wǎng)絡(luò)頻率分配和監(jiān)管框架研究

郎保真，杜昊，高路，王婷，李儼，劉薦樺，趙冬

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 110107；3.高通無線通信技術(shù)（中國）有限公司，北京 100013；4.上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海 201206；5.北京三星通信技術(shù)研究有限公司，北京 100028）

0 引言

隨著5G 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，5G 將發(fā)揮越來越大的作用，采用5G 替代有線網(wǎng)絡(luò)可以降低有線網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)成本、降低磨損成本、支持柔性工廠的靈活配置等。運(yùn)營商的5G

切片業(yè)務(wù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要解決方案；此外，國際上一些大的工業(yè)制造商基于安全、定制化和隔離網(wǎng)絡(luò)等需求，提出了采用5G 技術(shù)，在特定的專有頻率內(nèi)，在工廠內(nèi)部署本地5G 網(wǎng)絡(luò)的需求。垂直行業(yè)希望將數(shù)據(jù)保留在組織內(nèi)部，可以采用3GPP NPN（非公共網(wǎng)絡(luò)，Non-Public Network）和本地網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。上行鏈路業(yè)務(wù)繁重的網(wǎng)絡(luò)需要與下行鏈路業(yè)務(wù)繁重的網(wǎng)絡(luò)作分離，從干擾管理的角度，對于本地5G 網(wǎng)絡(luò)需要采用專有頻率。從本地網(wǎng)絡(luò)的通信要求來看，工業(yè)場景下，通常對通信具有更高的可靠性要求，工業(yè)控制類業(yè)務(wù)時(shí)延要求較嚴(yán)格，因此需要干凈的本地頻譜。工業(yè)AR/VR、機(jī)器視覺等5G 工業(yè)應(yīng)用都需要較高的峰值速率，因此需要較寬的頻譜才能滿足。由于5G本地網(wǎng)絡(luò)在地點(diǎn)上具有確定性，且屬于小范圍網(wǎng)絡(luò)部署，因此不同企業(yè)之間在不同地點(diǎn)，且滿足一定的干擾協(xié)調(diào)條件（比如空間隔離度）時(shí)，同一時(shí)間可以復(fù)用同樣的頻率。

目前歐洲、亞洲、美洲、澳洲等各個(gè)區(qū)域和國家的監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)分配或者正在規(guī)劃本地網(wǎng)絡(luò)頻率，用于鼓勵(lì)和發(fā)展5G 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，不同國家對于本地網(wǎng)絡(luò)頻率采用了不同的監(jiān)管框架。

1 國際本地網(wǎng)絡(luò)頻率和監(jiān)管框架情況

1.1 德國

2019 年11 月21 日，德國電信監(jiān)管機(jī)構(gòu)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局（BNetzA）啟動了本地寬帶或者無線網(wǎng)絡(luò)接入應(yīng)用頻率的申請流程，為本地5G 網(wǎng)絡(luò)提供3.7—3.8 GHz 的頻率范圍，這些頻率尤其可以用于工業(yè)4.0，也可以用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)。申請者可以來自于土地所有者，也可以來自于使用者（如租賃或相應(yīng)的轉(zhuǎn)讓），允許多個(gè)工業(yè)區(qū)共同申請。截止到2020 年9 月21 日，BNetzA 已經(jīng)收到78份5G 獨(dú)立專網(wǎng)許可證申請，其中，74 份已經(jīng)獲得批準(zhǔn)。系統(tǒng)應(yīng)該工作在TDD 方式，申請頻率需要為10 MHz 的整倍數(shù)[1]。德國法規(guī)基于技術(shù)中立原則，鼓勵(lì)使用5G 技術(shù)。系統(tǒng)可以使用AAS（先進(jìn)天線系統(tǒng)，Advanced Antenna System）和non-AAS（非先進(jìn)天線系統(tǒng)，none Advanced Antenna System）天線系統(tǒng)，法規(guī)對于帶內(nèi)EIRP（等效全向輻射功率，Equivalent Isotopically Radiated Power）或者TRP（總輻射功率，Total Radiated Power）沒有規(guī)定。

頻率許可期限為最多10年，且不超過2040年12月31日。頻譜申請費(fèi)用取決于申請的帶寬和覆蓋區(qū)域的大?。ǖ侥壳盀橹梗疽褳樵S可證支付的費(fèi)用大約在1 000 歐元到100萬歐元不等）。擬議的費(fèi)用結(jié)構(gòu)綜合考慮了初創(chuàng)企業(yè)、中小企業(yè)以及農(nóng)業(yè)用戶的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，牌照申請費(fèi)用參照公式為：

費(fèi)用=1000 +B×t×5×(6×a1+a2) (1)其中，1 000 表示以歐元為單位的金額；B表示以MHz為單位的帶寬（10—100 MHz），t為使用期限（以年為單位）；a1 和a2 表示以km2 為單位的使用區(qū)域面積，a1 適用于城區(qū)、郊區(qū)以及供交通使用的區(qū)域類別，a2 適用于其他的區(qū)域類別，如供農(nóng)業(yè)使用。

德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局同時(shí)也考慮在24.25—27.5 GHz 提供本地5G 應(yīng)用，邀請各方在2020 年2 月21 日前對26 GHz 頻率范圍的基本框架草案提供建議。聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局目前正在評估收到的意見建議。

1.2 日本

2019 年12 月17 日，日本內(nèi)務(wù)和通信部（MIC）正式發(fā)布《本地5G 引入指南》，計(jì)劃本地5G 將使用4.6—4.9 GHz 和28.2—29.1 GHz 的頻率。其中，4.6—4.9 GHz 和28.3—29.1 GHz 頻段在2020 年底投入使用，目前正在牌照申請流程過程中；28.2—28.3 GHz 的100 MHz 頻段于2019年底開始牌照申請的流程，截至2020 年6 月26 日，共有16 個(gè)申請者，其中6 個(gè)已經(jīng)獲得了使用牌照。申請者具體的分類和應(yīng)用場景如表1 所示。

表1 日本本地網(wǎng)絡(luò)頻率許可申請應(yīng)用

《本地5G 引入指南》中規(guī)定，本地5G 是由電信運(yùn)營商以外的各種實(shí)體（本地公司和地方政府）構(gòu)建的自己的5G 系統(tǒng)，即移動運(yùn)營商不能申請本地5G 牌照。牌照申請者需要是建筑或土地所有權(quán)者，如果不是所有權(quán)者，那么牌照的應(yīng)用限于固定無線類的應(yīng)用。

目前，5G 是錨定在基于4G 核心網(wǎng)進(jìn)行操作的無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)，Non-Standalone）。因此，現(xiàn)在申請28.2—28.3 GHz 的頻段的本地5G 牌照時(shí)，需要同時(shí)使用4G 并使用區(qū)域?qū)拵б苿訜o線接入系統(tǒng)（以下稱為“區(qū)域BWA（寬帶無線接入，Broadband Wireless Access）”）的B41 頻段（2 575—2595 MHz）進(jìn)行通信。

日本5G 本地頻率示意圖如圖1 所示。

1.3 英國

2019 年7 月，英國無線電監(jiān)管機(jī)構(gòu) Ofcom（通訊管理局，Office of Communications）正式發(fā)布了《本地許可實(shí)現(xiàn)無線應(yīng)用創(chuàng)新》公告，推出了兩類創(chuàng)新無線頻譜接入許可模式，希望借此滿足包括5G 在內(nèi)的移動技術(shù)對本地?zé)o線連接的需求，本地5G 可用于實(shí)現(xiàn)一系列行業(yè)流程自動化的專用網(wǎng)絡(luò)，更廣泛地支持物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)村寬帶連接[2]。

圖1 日本5G本地頻率示意圖

（1）第一類：頻譜共享框架下的本地接入網(wǎng)技術(shù)許可（共享接入許可）

開 放3.8—4.2 GHz、1800 MHz（1781.7—1785 MHz/1876.7—1800 MHz）以及2300 MHz（2390—2400 MHz）頻段，按照先到先得的原則管理和協(xié)調(diào)這些頻段。在該公告中，也提出進(jìn)一步考慮開放24.25—26.5 GHz 頻段的本地接入并僅用于室內(nèi)部署。

在頻率共享框架下，用戶可以申請兩種類型的共享接入許可：第一種是低功率許可（按照區(qū)域發(fā)放許可證）。此類許可允許用戶在半徑為50 m 的圓形區(qū)域內(nèi)部署所需數(shù)量的基站而無需Ofcom 的進(jìn)一步授權(quán)。第二種是中等功率許可（按照基站發(fā)放許可）。鑒于某些基站的發(fā)射功率較高和潛在干擾面積較大，此類許可將以每個(gè)基站為基礎(chǔ)發(fā)放，通常僅適用于農(nóng)村地區(qū)的部署。

Ofcom 對這兩類共享接入許可按年收費(fèi)，其中在 3.8 GHz—4.2 GHz 頻段，每10 MHz 帶寬每年收取80 英鎊；20 MHz帶寬每年收取160 英鎊；100 MHz 帶寬每年收取800 英鎊，以此類推。

（2）第二類：運(yùn)營商許可頻率下的本地接入許可（本地接入許可）

第二類是針對已經(jīng)許可給移動運(yùn)營商但未來三年內(nèi)不會在特定區(qū)域內(nèi)使用的頻段，Ofcom 允許為新用戶頒發(fā)本地接入許可。

盡管一些頻段在全國范圍內(nèi)被許可給移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，但并不是每個(gè)地方都在使用相關(guān)頻率，Ofcom 認(rèn)為允許新用戶使用這些頻率進(jìn)行本地接入是可行的。Ofcom要求申請人提供盡可能齊全地使用計(jì)劃，并將與擁有該頻段許可的移動運(yùn)營商共同商討，確認(rèn)該頻段未在指定區(qū)域使用，并且新用戶的接入不會對現(xiàn)有用戶造成干擾，也不會影響現(xiàn)有用戶計(jì)劃開展的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。如果移動運(yùn)營商并未提出合理的反對意見，Ofcom 將為申請用戶簽發(fā)為期三年的共享頻譜本地接入許可證。Ofcom 預(yù)計(jì)此類共享頻譜接入主要在偏遠(yuǎn)地區(qū)開展，但可以在一些地區(qū)用于支持專用網(wǎng)絡(luò)或無線寬帶服務(wù)。

自2019 年7 月底發(fā)布本地訪問許可公告到2020 年3 月，Ofcom 已經(jīng)收到九個(gè)申請，已授予一份許可，四份申請未成功，另外四份正在考慮中[3]。這項(xiàng)成功的許可頻率在沃達(dá)豐（Vodafone）的國家許可頻譜中，用于StrattoOpencell 在多塞特郡的農(nóng)村地區(qū)提供寬帶無線服務(wù)。那些不成功的申請針對的頻率和區(qū)域，是全國運(yùn)營商許可當(dāng)前或預(yù)期部署的頻率或者區(qū)域。

1.4 美國

2015 年4 月，美國FCC（聯(lián)邦通信委員會，F(xiàn)ederal Communication Committee）發(fā) 布3 550—3 700 MHz頻段（3.5 GHz 頻段）150 MHz 頻譜的商用規(guī)則，可用CBRS（公民寬帶無線服務(wù)，The Citizens Broadband Radio Service）[4-5]。FCC 創(chuàng)建了一個(gè)三層接入和授權(quán)框架，以協(xié)調(diào)聯(lián)邦和非聯(lián)邦用戶共享使用該頻段：

第一層是現(xiàn)有用戶，接受所有其他用戶的保護(hù)?！艾F(xiàn)有用戶”包括國防部雷達(dá)系統(tǒng)（3 550—3 650 MHz），3 625—3 650 MHz 的FSS（固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)，F(xiàn)ixed Satellite Service），以及在限定時(shí)間內(nèi)3 650—3 700 MHz 頻段的地面無線操作。

第二層是PAL（優(yōu)先接入牌照，Priority Access License）。PAL 牌照頻率范圍為3 550—3 650 MHz，PAL 應(yīng)得到GAA 的干擾保護(hù)，但必須保護(hù)第一層現(xiàn)有用戶并接受來自第一層現(xiàn)有用戶的干擾。

第三層GAA（通用授權(quán)接入，General Authorized Access）。GAA 用戶可以全程運(yùn)營在3.5 GHz 整個(gè)150 MHz中任何PAL 不使用的頻率上。GAA 按規(guī)則必須避免對更高級別的用戶造成有害干擾，并接受所有其他用戶的干擾，包括其他GAA 用戶。

美國CBRS 頻率示意圖如圖2 所示。

圖2 美國CBRS頻率示意圖

2018 年10 月FCC 發(fā)布相關(guān)報(bào)告和法令，對3.5 GHz頻段發(fā)布的PAL 規(guī)則進(jìn)行了一定的更改，確保該頻段所采用的頻譜規(guī)則可以允許5G 系統(tǒng)以及其他高速寬帶技術(shù)系統(tǒng)使用該頻率。2020 年8 月25 日，F(xiàn)CC 完成了3.5 GHz 頻段的第一次拍賣，91.1%的牌照被售出，共計(jì)拍出45.85 億美元。

1.5 其他國家或地區(qū)

除了上面介紹的4 個(gè)國家，還有很多國家和地區(qū)也分配了專有頻率用于本地網(wǎng)絡(luò)建設(shè)[6]。

法國ARCEP（電子通訊和郵政管理局，The Autorité de Régulation des Communications électroniques et des Postes）在2019 年5 月正式發(fā)布技術(shù)文檔，將B38（2 570—2 620 MHz）TDD 頻譜用于專網(wǎng)業(yè)務(wù)，供行業(yè)用戶和相關(guān)企業(yè)提出申請。

芬蘭FICORA（芬蘭通訊管理局，F(xiàn)innish Communications Regulatory Authority）將3 410—3 800 MHz 總共390 MHz帶寬平均分配給了3 個(gè)運(yùn)營商（2019 年1 月到2033 年1月），為特定的當(dāng)?shù)匾螅ㄌ岬降母劭?、工廠、機(jī)場、醫(yī)院、購物中心）提供解決方案。

中國香港將26 GHz 頻段（24.25—27.5 GHz）和28 GHz頻段（27.5—28.35 GHz）共計(jì)4 100 MHz 頻譜分配給移動業(yè)務(wù)，其中400 MHz 頻譜將采用通過地理位置共享的方式進(jìn)行分配，以便在特定區(qū)域提供創(chuàng)新性的無線寬帶服務(wù)。

中國臺灣地區(qū)通訊傳播委員會在2019 年12 月決定將4.8—4.9 GHz、帶寬100 MHz 的頻段指定為5G 頻段，供公共部門和私營企業(yè)專用，用于特定業(yè)務(wù)的、區(qū)別并獨(dú)立于電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的5G 通信業(yè)務(wù)。

澳大利亞ACMA（澳大利亞傳播與媒體管理局，Australian Communications and Media Authority）計(jì)劃在澳大利亞范圍內(nèi)提供24.7～25.1 GHz 和27.5～29.5 GHz 頻段，從2020年10月開放申請工作，2020年12月完成許可證的發(fā)放。

韓國MSIT（韓國科學(xué)與信息通信技術(shù)部，Ministry of Science and ICT）計(jì)劃將28.9—29.5 GHz 共計(jì)600 MHz 頻譜用于區(qū)域5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以支持B2B 業(yè)務(wù)應(yīng)用，即在特定區(qū)域（如建筑物、工廠等）引入基于5G 技術(shù)的定制化服務(wù)。按照計(jì)劃將于2021 年上半年完成頻率發(fā)放。

2 對比和總結(jié)

本地網(wǎng)絡(luò)頻率和監(jiān)管框架在不同國家可能不同，比如頻率范圍、頻率申請流程、申請資質(zhì)、技術(shù)中立或者技術(shù)限定原則，干擾協(xié)調(diào)、射頻指標(biāo)等。表2 選取德國、日本和英國為例，簡要對比本地網(wǎng)絡(luò)許可和頻率管理框架在不同國家的情況[7]。

美國采用三層接入和授權(quán)框架，動態(tài)頻率共享機(jī)制允許協(xié)調(diào)聯(lián)邦和非聯(lián)邦用戶共享使用該頻段，提高頻率使用效率。其中第二層PAL 機(jī)制類似本地網(wǎng)絡(luò)頻率，但是需要保護(hù)第一層的聯(lián)邦用戶頻率使用。這種動態(tài)頻率共享機(jī)制相對專有頻率分配比較復(fù)雜，需要制定復(fù)雜的動態(tài)干擾協(xié)調(diào)和保護(hù)方案，通過頻率接入系統(tǒng)（SAS）機(jī)制對各層頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)，干擾規(guī)避方案如果制定過于保守，造成過度保護(hù)，則可能造成頻率浪費(fèi)，如果干擾規(guī)避方案制定得過于放松，則可能在各層業(yè)務(wù)之間造成干擾風(fēng)險(xiǎn)。目前在世界上采納的國家不多，不屬于主流方案。英國無線電主管機(jī)構(gòu)Ofcom 也正在對動態(tài)頻率共享機(jī)制進(jìn)行研究，但是尚未推出頻率分配和使用方案。

3 結(jié)束語

世界上主要的工業(yè)制造發(fā)達(dá)國家都針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速增加的頻率需求給出應(yīng)對頻率方案，除了采用公眾移動通信解決廣域的業(yè)務(wù)需求，針對工業(yè)4.0 和垂直行業(yè)又分配一定專有頻率，用于部署本地網(wǎng)絡(luò)。隨著5G 技術(shù)的發(fā)展和廣泛部署，尤其應(yīng)用于工廠等工業(yè)和垂直行業(yè)場景的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求激增，引發(fā)頻率需求急劇增加，不少國家無線電主管機(jī)構(gòu)考慮中頻段和毫米波高頻段結(jié)合，滿足產(chǎn)業(yè)對本地網(wǎng)絡(luò)部署的頻率需求。本地網(wǎng)絡(luò)頻率監(jiān)管是一種新型的靈活的更加精細(xì)化的頻率管理方式，各國都制定了適合各自國情和頻率使用情況的監(jiān)管框架，包括頻率范圍、頻率申請流程和費(fèi)用、申請資質(zhì)、技術(shù)中立或者技術(shù)限定原則，干擾協(xié)調(diào)、射頻指標(biāo)等?？偟膩碚f，靈活簡化的頻率管理方式有利于先進(jìn)的無線技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新，有利于5G 應(yīng)用更快速滲透到垂直行業(yè)中，服務(wù)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

表2 德國、日本、英國的本地網(wǎng)絡(luò)許可和監(jiān)管框架總結(jié)