5G網絡中無線頻譜資源分配的進展分析

陳 亮,楊 奇

(武漢郵電科學研究院光纖通信技術和網絡國家重點實驗室,武漢 430074)

5G網絡中無線頻譜資源分配的進展分析

陳 亮,楊 奇

(武漢郵電科學研究院光纖通信技術和網絡國家重點實驗室,武漢 430074)

現有LTE(長期演進)網絡所使用的6 GHz以下頻段難以滿足日益增長的網絡帶寬的需求,而5G網絡能夠提供大量連續的頻譜資源,是未來無線網絡的基礎。針對多種無線接入應用場景,提出影響頻譜資源分配的各種因素和高低頻段的一些分配方式。結果表明,復用低頻段和增加新的高頻段空口能夠滿足5G網絡的需求。

第五代移動通信網絡;頻譜資源;6 GHz以上頻段;24 GHz頻段

0 引 言

5G(第五代移動通信)是IMT(國際移動通信)的下一階段,ITU(國際電信聯盟)將其正式命名為IMT-2020。隨著萬物互聯時代的到來,越來越多的事物、人、數據和互聯網聯系起來,很多因素將會導致其對于更多授權型無線頻譜或共享型頻譜資源接入的需求。

5G網絡是萬物互聯的第一步,無線頻譜資源的分配和利用又是5G網絡發展的第一步,因此頻譜資源是決定其成敗的關鍵。由于有良好的傳輸特性,6 GHz以下頻段已成為業界研究的核心頻段,5G將通過工作在該低頻段的新空口來滿足大覆蓋、高移動性場景下的用戶體驗和海量設備連接[1]。然而針對大流量、高密度的需求,5G網絡必須要有300 MHz以上的連續頻譜作為支持,因此在6 GHz以下已很難找到滿足如此大帶寬的頻譜資源,而6 GHz以上頻譜資源更為豐富,業務劃分與使用相對簡單,能夠提供連續大帶寬頻帶。因此目前是在4～6 GHz頻段內尋找合適的頻譜,利用現有4G網絡的基礎建設平滑演進到5G網絡,同時在6～100 GHz的高頻段上開展頻譜規劃和高頻新空口的研究工作。

1 影響頻譜資源分配的各種因素

1.1 不同應用場景對頻譜資源分配的影響

全球移動通信行業針對5G移動通信系統提出了多種應用和業務形式。其中既包括對于現有一些4G移動通信系統應用場景的增強,還更多地包括了一些新興的應用,比如:4K/8K超高清晰度視頻、VR(虛擬現實)、AR(增強現實)、物聯網、可穿戴設備應用、面向垂直行業與商業領域的緊急任務應用等。ITU-R確定了5G的3大主要應用場景:增強型移動寬帶、超高可靠與低延遲的通信和大規模機器類通信。這些應用類型均具有其獨特的技術需求(比如:超過10 Gbit/s的峰值數據傳輸速率、100 Mbit/s的小區邊緣數據傳輸速率、1 ms的端到端延遲/時延等[2]),從而需要設計具有足夠能力的5G移動通信空口來予以滿足,同時必須為其分配足夠使用的無線頻譜資源。這些應用的需求可以由現有4G移動通信系統的后續演進及已有的無線頻譜資源來滿足,而5G移動通信系統則可提供額外的能力使這些應用具備更好的用戶體驗,所以就需要提前考慮這些應用對于無線頻譜資源需求的影響。

上述各種重要的應用類型,不僅將對5G無線接入的空口設計產生重大影響,同時也將對其實現

最優化運營所需的無線頻譜資源的物理頻寬及類型產生重大影響。在物理頻寬影響方面,數Gbit/s級別的超高無線鏈路傳輸速率可以通過采取UWB (超寬帶)載波來實現,移動通信無線接入網絡需要具備UWB物理頻段的無線信道(比如300～500 MHz),而移動前傳和回傳網絡也應具備數Gbit/s級別的傳輸速率[3]。在無線頻譜資源類型影響方面,主要在于面對各類緊急任務應用(比如公共安全)的超高可靠無線通信,此類應用場景往往需要無線電波能夠很好地穿透地面及其他障礙物并實現泛在的網絡覆蓋,因此需要選用無線傳輸特性優良的低段物理頻段,比如位于UHF(超高頻段)的低段頻段來完成;未來5G場景中的應用類型復雜多樣,與之對應的無線頻譜資源的影響也有很大的不同,如表1所示[3]。

表1 不同應用場景給頻譜資源分配帶來的影響

1.2 實際部署環境對頻譜資源分配的影響

除了不同的應用場景之外,在實際部署環境中出現的一些問題同樣會對無線頻譜資源的分配產生較大的影響。比如,運行于相鄰頻段的無線系統與業務可能會影響蜂窩移動通信系統的性能,由于來自鄰近信道的各種干擾因素,會影響到某些無線應用和業務所需要達到一定程度的無線頻譜資源物理帶寬總量。除了鄰近信道的干擾,多個移動網絡運營商也會帶來諸多的影響,尤其是在非同步TDD (時分雙工)網絡中,運營商之間可能會產生系統間無線干擾,從而影響到各自無線接入網絡的性能。因此,需要為每個移動通信運營商提供足夠的無線頻譜資源,同時,在各運營商網絡之間、在移動通信無線接入網絡與其他無線電系統之間設置一定的隔離頻帶,這樣在無線頻譜資源總量的預估上需要考慮相鄰無線電系統提供適當隔離頻帶的需求。

當然,影響無線頻譜資源的因素有很多,無線頻譜復用和無線空口的能力都會導致無線頻譜資源預估的誤差。在無線頻譜復用方面,出于對系統內無線干擾及系統間無線干擾的考慮,有時就有必要在相鄰的無線接入網絡內使用額外的物理頻段,即重復使用更多的無線頻譜資源,來為用戶提供更好的網絡覆蓋、質量與容量。在無線空口設計方面,采用多天線技術(比如大規模天線陣列技術、多維波束賦形技術等)是提高無線頻譜資源利用效率的方式之一,很有可能被應用于5G移動通信無線接入網絡,因此,頻譜資源利用效率也應被考慮進5G的無線頻譜資源需求之中,并且新增額外的物理頻段來對網絡性能進行優化。

2 對頻譜資源的分配方式的考慮

2.1 低頻段頻譜資源分配方式

5G移動通信可支持很大范圍內的應用場景,由于對于性能及底層頻譜的需求存在較大的差異,因此根據具體的應用和業務類型來選擇相對應的物理工作頻段就顯得非常重要。比如,低頻空口將利用6 GHz以下低頻段良好的信道傳播特性來滿足某些類型的應用對于長距離傳輸的高穩定性能的需求。

由于移動網絡運營商會將其LTE(長期演進)及后續演進系統遷移至5G網絡,低于6 GHz頻段的可用物理頻段資源就顯得非常重要。在LTE不斷發展演進的過程中,可采用諸如高階射頻調制與三載波聚合等新技術來擴展LTE傳輸帶寬的能力,這些新興的LTE特性可在無需對無線頻譜資源分配規則進行大幅修改的情況下,在低于6 GHz的物理頻段中實現。因此,業界可以在低頻段內繼續部署4G網絡的后續演進系統并逐步部署5G移動通信系統,由于原有的無線頻譜資源是專門指定和分配的,而且位于授權型頻段之內,就可以充分地利用已有的技術與特性。但是,為了使移動通信無線接入網絡的各類新技術與現有已分配的授權型頻段以相互兼容的方式實現商用部署,需要為其指配足夠的、新的無線頻譜資源,以滿足移動寬帶網絡中數據流量與視頻流量持續增長的需求。簡而言之,在短

期之內,位于6 GHz以下的物理頻段內的無線頻譜資源可被用于擴展現有移動寬帶網絡的可用性及系統容量。需要提到的是,ITU-R M.2290在研究成果中報告,預計到2020年,全球國際移動通信所需的無線頻譜資源總量在1 340 MHz(對于用戶低密度分布的區域)到1 960 MHz(對于用戶高密度分布的區域)之間[4],而僅對于全美洲區域,移動通信的頻譜缺口就在389～1 009 MHz之間。因此,為了解決移動寬帶接入網絡短期需求不足的問題,對新增頻譜資源的授權分配將勢在必行。

2.2 高頻段頻譜資源分配方式

由于6 GHz以上的高頻段信號指向性強且有極高的流量密度,能夠滿足另外一些類型的應用對短距離傳輸的超高數據吞吐量的需求。為了獲得更多額外的物理帶寬資源,將移動寬帶接入服務的頻譜資源擴展到6 GHz以上的物理頻段是很有必要的,并且需要為每個移動網絡運營商分配數百MHz的可用物理帶寬,允許每個物理頻段的共享與接入使用。對于高于6 GHz的物理頻段,由于波長更小,在其上的移動寬帶接入網絡的覆蓋半徑就會減小,發射天線與接收天線之間的路徑傳播損耗就會與頻率數值的平方成正比關系。此外,隨著頻率數值的增大,無線電波的穿透損耗與散射損耗等也會相應地增大,而這些損耗必須通過增大天線在發射端和接收端的增益來得以補償,所以在6～30 GHz之間的頻段需予以重點考慮。在非視距傳輸環境中,相比于高頻段,低頻段可以提供更為一致的網絡覆蓋能力,從而對某些類型的應用(比如實時視頻傳輸)而言具有重要的現實意義;而在同樣的非視距傳輸環境中,高頻段移動寬帶接入系統必須依賴于電波反射效應。但是,根據最近60 GHz段技術的研發,ITU-R已經制定了有效成本的解決方案用來克服目前高物理頻段所帶來的諸多問題[5]。由于具有潛在的連續、高帶寬可用物理頻段,30 GHz以上的物理頻段也會用于對移動數據流量需求相當高的特定應用場景,比如,4K/8K高清晰度視頻通信所需的高帶寬數據傳輸以及數據中心之間大規模數據傳輸,并可用于人們之間進行高帶寬的虛擬現實交互式通信。綜上所述,根據不同物理頻段的特性,必須要考慮如何有效地利用6～100 GHz頻段來支持5G移動通信中的各類應用場景。

3 我國和其他國家對5G授權頻段分配的進展

越來越多國家政府的通信監管部門已經啟動了對于面向5G移動通信無線接入網絡潛在新興物理頻段的確認和研究工作,同時還組織力量來研究相關物理頻段的無線射頻傳播特性,并研發面向下一代移動寬帶蜂窩接入網絡的各個技術解決方案,這些研究工作均聚焦于6～100 GHz的物理頻段。在全球范圍內,不同國家和地區所采用的授權型物理頻段專有使用權支配機制有所不同,一些國家對相關的業務類型建立無線頻譜資源使用規則,并對頻帶內/外干擾進行了技術規范;而另一些國家則對用于提供移動通信及寬帶數據接入服務的一組特定技術進行強制規定,并相應地分配專用的物理頻段作為頻譜資源。

我國已經開展了5G頻譜需求預測、候選頻段選取、部分頻段傳播特性測量以及電磁兼容分析等一系列研究工作。完成了5G面向2030年的頻譜需求總量估算、6～100 GHz高頻段候選頻段優先級研究等工作。2016年5月31日召開的第一屆全球5G大會上,工信部苗圩部長提出了“強化頻率統籌,依托國際電信聯盟,加強溝通協調,力爭形成更多5G統一頻段”的倡議,這也是我國5G頻譜戰略的指導方針。正是在此戰略指導下,我國在WRC-15大會上與各國溝通協商一致后,最終確定了1 427～1 518 MHz的低頻段作為5G新增的全球統一頻率。而在高頻段方面,我國還沒有公布相關的提案,只是在前期研究工作中劃分了部分候選頻段作為今后研究的重點,包括25～30 GHz、40～50 GHz、71～76 GHz和81～86 GHz等。

FCC(美國聯邦通信委員會)正式發布了將24 GHz以上頻段用于5G移動寬帶運營的新規范,美國成為世界上第一個為5G網絡分配可用頻譜的國家。該規范劃分了5G網絡的4個新的毫米波頻段(如圖1所示),包括28、37和39 GHz共3個授權頻段、64～71 GHz的1個未授權頻段以及授權頻段中包含的一個37～37.6 GHz的共享頻段[6],共有11 GHz的高頻段頻譜可供移動和固定無線寬帶靈活使用,其中授權頻譜帶寬為3.85 GHz,未授權頻譜帶寬為7 GHz。FCC對新一代無線寬帶服務、衛星和政府的頻譜使用進行了平衡,也考慮了不同頻譜接入方式的平衡,包括獨家使用許可、共享接入和未授權接入,以滿足各種不同的需求和使用案例。此外,規范還對超微波柔性應用[7](Upper Microwave Flexible Use)在28、37和39 GHz頻段的新應用做出了指導,對64～71 GHz等未授權頻段的使用也給予了說明。還定義了5G高頻段基站設備

的一些技術規范,比如基站收發功率、手機和傳輸功率等相關技術指標。

圖1 FCC定義的高于24 GHz頻段資源的劃分規則

4 結束語

國際電信聯盟預測,到2020年,移動連接數總量將有望達到92億,使得下一代移動寬帶系統有著新的、額外的、可重新調整的無線頻譜資源需求。隨著4G移動通信系統不斷地平滑演進到5G移動通信系統,低于6 GHz頻段的頻譜資源將顯得非常有價值,同時,雖然存在很大的挑戰(來自技術和國際的合作),業界都有能力將移動通信與無線寬帶數據接入服務提高到高于6 GHz的物理頻段,因此,無論高低頻段均需要分配各種新的物理頻段來滿足網絡覆蓋問題以及系統容量的迫切需求。低頻段既可用于宏基站部署、也可用于小基站部署;高頻段有大量且連續的無線頻譜資源,在毫米波頻段可用的物理帶寬更大,從而在特定區域,尤其是對于移動數據流量需求越來越大的熱點區域內提供超高的數據傳輸速率。最后,為了推動高頻段頻譜資源的高效利用,需要全球各國達成共識,共同采取相關的實際行動來確認已經提出的新4G無線頻譜需求,同時及時地遞交5G新頻譜資源劃分的提案,以便ITU-R進行深入的研究,進一步推動5G頻譜資源的統一規劃,促進全球移動通信在學術和產業上的發展。

[1]IMT-2020(5G)推進組.5G無線技術架構白皮書[EB/ OL].(2015-05-29)[2016-08-17],http://www.imt-2020.org.cn/zh/documents/download/61.

[2]ITU-R M.2083-2015,Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S].

[3]4 G Americas-2 0 1 5,5 GSpectrum Recommendations White Paper[S].

[4]ITU-R M.2290-0-2013,Future spectrum requirements estimate for terrestrial IMT[S].

[5]ITU-R M.2376-0-2015,Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHz[S].

[6]FCC 15-340310A1-2016,Rules to Facilitate Next Generation Wireless Technologies[S].

[7]FCC 15-138A1-2016,Use of Spectrum Bands Above 24 GHz For Mobile Radio Services[S].

Analysis of Spectrum Occupation and Perspectives of 5G Network

CHEN Liang,YANG Qi
(State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks,Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications,Wuhan 430074,China)

Currently,LTE network below 6 GHz spectrum is difficultto meet the growing demand for ultra-wideband.5G can provide a large number of continuous spectrum bands,which is the foundation of the future wireless network.For a variety of application scenarios,the factors that affect the spectrum occupation and the ways of occupation for high and low frequency bands are proposed.The results show that re-using lower band and new higher band could meet requirements of 5G in future.

5G networks;spectrum band;above 6 GHz bands;24 GHz bands

TN929.1

A

1005-8788(2016)06-0068-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.19

2016-08-17

陳亮(1977―),男,湖北武漢人。工程師,碩士研究生,主要從事無線通信技術和網絡的研究。