5G 的頻譜利用

鐘 旻

1 5G 的頻譜

在前面的講座中已經闡明，為了適應5G 更大容量、更高數據速率和海量設備要求，需要更多無線電頻譜資源的支持。圖1是全球一些國家已配置或擬配置的5G 頻譜。

圖1 全球一些國家已配置或擬配置的5G頻譜

使用中，按照載波頻率的高低，可將頻譜劃分為低、中、高三個層次，低頻段通常指＜1GHz 的頻率，中頻段是指1-6GHz 的頻率，高頻段則是高于6GHz 的頻率，通常是指20GHz 以上的厘米波和毫米波頻率。按不同頻段的電磁波物理（傳播）特性，分配用于不同的應用場景：

（1）低頻段：因其自由空間傳播損耗較低，繞射和“穿墻”能力較強，可提供廣域和深度室內覆蓋，支持宏小區和小區的部署。

（2）中頻段：其傳播特性介于低頻段和高頻段之間，頻譜資源優于低頻段，可提供較好的兼顧覆蓋和容量的支持。

（3）高頻段：傳播損耗較大，受降水及環境等因素制約，但具有豐富的頻譜資源，可用于數據速率要求極高的場合。

圖1 中，數字下的藍色劃線，是經國際電聯無線電委員會（ITU-R）批準的用于移動通信的使用許可頻段，綠色劃線標出的則是未許可或共享頻段。

2 頻譜共享[1][2][3]

2.1 頻譜共享概念

這里所說的頻譜共享，包括無線接入技術（RAT）間運營商內頻譜共享、運營商間頻譜共享，未批準許可頻帶的頻譜共享和次要接入頻譜共享。

（1）運營商內部RAT 間頻譜共享：目標頻帶可能是用于5G的新頻段和/或原有的IMT 頻帶。不同的RAT 可部署在相同的宏小區；在宏小區間或宏小區-小區間，現有的載波可同時共享載波的頻譜聚合。

（2）運營商之間的頻譜共享：目標頻段可能是未釋放的IMT計劃頻段，不同的運營商可能是在熱點地區中相同的覆蓋小區，或是在相同覆蓋中的宏-小區。

（3）在未批使用許可的頻段中的頻譜共享：這些頻段如2.4GHz、5GHz 等，所含站型是小區和目標頻段的Wi-Fi 接入點。這些站點可能與利用現有低頻段的宏小區聯合部署。

（4）次要接入頻段的頻譜共享：目標頻段是主用于其他系統如衛星、廣播和雷達等已獲批許可的頻段，IMT 系統中運營商以次要身份與之共享。

2.2 頻譜共享的管理

為了實現頻譜共享，需要適合的網絡架構和接口，采用集中式架構將是其基礎，當然，為獲得靈活性，還可與分布式架構結合。共享節點的較高層中增加頻譜管理節點。

文獻[2]給出了適用于5G 的頻譜管理處理（進程），如圖2所示。它是在以往頻譜管理的基礎上，增加了頻譜分級和頻譜評估這兩個新的元素。

在前臺（ex-ante）處理中，包括了對無線業務的頻譜劃分（Allocation），對用戶或系統的頻譜分配（Allotment）和對指定無線臺、站的頻譜指配（Assignment），以及無線電設備和站、臺的管理。后臺（ex-post）管理則是無線電監測，包括無線電占用測量，信號參數和發射機檢驗，對非法發射機的探測和發現等。無線接入優化中心負責頻譜需求計算，共存和接入分析；頻譜數據庫儲存無線電業務，臺、站，以及監測數據的所有信息，包括目前頻譜使用情況和頻譜的可用性等。當某一新的業務接入申請到達時，該中心對數據庫校核，在進行綜合分析后，給出解決方案，支持處理進程，并將其結果的信息反饋回輸入數據庫，從而形成一閉環管理。

圖2 適用于5G頻譜管理處理（進程）的組成框圖[2]

（1）服務等級：5G 中，不是每一種業務都可以共享頻譜的，需要分級處理，這里分為三級。

第一級業務：包括政府政務，以及國家安全保密和公共安全的業務，它們通常占用特定的許可頻譜，受到嚴格的保護，其他業務不能與之共享。

第二級業務：包括公共和專用業務。5G 中用于公共移動通信的頻譜劃為此等級。這里許可或LSA 模式均可使用。政府將根據商用化程度和無線占用的情況，靈活地發放收費此等級的頻譜。

第三級業務：是對公共自由利用的專用業務，如Wi-Fi，接入處理可能需要頻譜感知，且要求低功率運行。

（2）頻譜評估：頻譜評估是后臺管理的一部分，它不僅基于某一頻段能否分配給新的業務，還要視其利用效率。根據評估結果，政府可調整甚至強制頻譜的分配。

3 軟件定義無線和認知無線電的應用

實現5G 多頻譜和頻譜共享，并考慮到不同場景下采用不同的信號波形、調制編碼和多址接入方式，將需要引進SDR 和CR技術。

3.1 SDR[1][4]

基本概念：軟件定義無線（Software Defined Radio，SDR）的無線通信設備中，中頻和基帶具有可重新編程和可重構能力，可以使用于多種模式（標準）、多個頻段和多種功能。

從發射的角度看，軟件無線電發射機的工作參數能用控制設備運作的軟件來改變，而無須通過改變硬件去改變無線電頻率的發射。

用戶設備SDR 的基本組成舉例如圖3所示。

圖3 用戶設備SDR的基本構成舉例[1]

由圖3可見，多頻段載波聚合工作模式是通過射頻段來完成的。一旦確定工作于某一頻段的頻率，便將天線調諧到該頻段（圖3中的f1、f2），接收機接通相應頻段的前置預選濾波器和低噪聲放大器，將信號放大后經接收通道（RX）中的下變頻和信道濾波，輸出中頻信號再經模/數變換送給后面的數字基帶設備處理。在發射端，則經過與接收相逆的過程。對于圖（b）的寬帶SDR，則有利于設備的簡化。

對于不同的通信信號波形，編碼調制和多址接入，通過軟件在基帶段實現。

當基站和用戶終端采用SDR 技術后，無須增加新的硬件，便能夠適應不同的應用場景和空中接口，具有極大的靈活性。

3.2 認知無線電（CR）[5][6]

認知無線電（Cognitive Radio，CR）是指一種包含一個智能收發器的無線通信技術，其組成如圖4所示。該收發器能智能檢測出哪些頻段未被占用以及哪些頻段正在被使用，當檢測出某些頻段未被占用時，CR 系統就可以暫時使用該頻段進行通信。由此可見，CR 是一種能基于與運作環境交互而改變其發射機參數的無線電。

圖4 CR收發信機的組成概念框圖

CR 完整的功能應包括：調諧目標頻段中任何可用信道；在所有或部分信道中建立網絡通信和運作；適應于多個不同類型的網絡所占用的頻譜，實現信道共享和功率控制協議；實現自適應發射帶寬、數據率和糾錯方式，以獲得盡量高的吞吐量；實現天線自適應可控，將發射機功率聚集到要求接收信號強度最優的方向上。

為獲得上述功能，CR 應具有對無線電環境等的感知能力，根據有關無線電管理的有關政策、規則，感知提供的數據庫進行學習和推理的能力，以及可重構的能力（圖5）。

圖5 CR須具備的能力

CR 的工作過程如圖6所示。

圖6 CR的工作過程

從CR 的應用角度看，其網絡架構包括主網絡和CR 網絡，如圖7所示。

主網絡（許可網絡）：優先占用某一頻段的網絡，一般有基礎設施，其中的主用戶運作受該網絡基站控制；

CR 網絡（動態頻譜接入網絡，從網絡，未許可網絡）：沒有許可占用某一或某些頻段，CR 用戶設備應有共享許可網絡頻段的功能。網絡中可有CR 基站，通過單跳連接到CR 用戶；此外可能有頻譜“拆分器”，用來在不同的CR 網絡中分布頻譜資源。

圖7 利用CR的網絡架構

CR 用戶可接入主用戶使用的頻段，也可接入未許可的頻段：

獲許可（主）用戶的頻段運作：CR 網絡要檢測主用戶使用該頻段的情況；一旦在CR 用戶使用的頻段出現主用戶時，CR用戶應立即撤出該頻段，轉移到其他可用頻段去；

無許可用戶的頻段運作：此時CR 用戶有接入該頻段的同等權利，CR 用戶要有先進的競爭接入共享該頻段的方法。

從以上的介紹中可以看到，CR 與SDR 之間有許多交集（見圖8），前者是為了適應復雜的頻譜環境，挖掘頻譜資源的潛力；后者則是為了適應復雜的網絡環境，在不增加新硬件的情況下，通過軟件的運作，獲得對多種網絡的適應性。在5G 中，采用SDR，必須也得加入CR 的功能，才能達到頻譜共享的目的。

圖8 CR與SDR的關系

4 結束語

為了滿足大容量業務、海量用戶和多種應用場景的需要，5G將投入更多的頻譜資源，采用多種通信體制，從而

對空中接口帶來了巨大挑戰，通信設備需要具備更強的功能和應變的靈活性，以硬件為主的基站與用戶終端（手機、平板電腦、機頂盒等）架構已無法“招架”，于是過渡到以軟件為主導的架構，如SDR、CR 等，這是十分值得關注和期待的。