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    全球5G頻譜研究及啟示

    2019-05-05 09:37 《郵電設計技術》

    導讀:5G系統,將不僅僅立足于移動通信本身,還將滲透到未來社會的各個領域,與傳統制造、服務行業的融合創新促成“互聯網+”新形態,構建以用戶為中心的全方位信息生態系統,改變人們的生產生活方式,為當今中國經濟和社會的發展帶來生機。

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    圖片來自“123rf.com.cn”


    【編者按】5G系統是我國實施“網絡強國”“制造強國”戰略的重要信息基礎設施,更是發展新一代信息通信技術的高地。頻率資源是研發、部署5G系統最關鍵的基礎資源。根據ITU-R 5G愿景建議書,本文分析了5G系統所需要的頻譜結構,并結合ITU、3GPP相關研究情況和全球主要國家5G頻譜策略,提出了我國5G頻率規劃建議。


     近年來,智能終端的廣泛應用以及移動互聯網應用的多樣化,促使全球移動數據業務進入高速增長模式。為了應對未來移動數據流量爆炸式的增長、海量的設備連接、不斷涌現的各類新業務和應用場景,在全球4G商用方興未艾之時,5G系統將應運而生。

    5G系統,將不僅僅立足于移動通信本身,還將滲透到未來社會的各個領域,與傳統制造、服務行業的融合創新促成“互聯網+”新形態,構建以用戶為中心的全方位信息生態系統,改變人們的生產、工作、生活方式,為當今中國經濟和社會的發展帶來無限生機。

    相較于以往的各代移動通信系統,5G需要滿足更加多樣化的場景和極致性能要求。頻率資源是研發、部署5G系統最關鍵的基礎資源。

    本文根據國際電信聯盟(ITU) 5G愿景建議書,分析了5G系統所需要的頻譜結構。并結合ITU、3GPP相關研究情況,全球主要國家5G頻譜策略,提出了我國5G頻率規劃在高、中、低頻段的建議。

     基于5G愿景的頻譜框架

    國際電信聯盟無線電通信部門(ITU-R)發布的《5G愿景》(ITU-R M.2083建議書)定義5G系統將滿足增強的移動寬帶、海量的機器間通信、超高可靠和超低時延通信三大類主要應用場景。

    在系統性能方面,5G系統將具備10~20 Gbit/s的峰值速率,100 Mbit/s~ 1 Gbit/s的用戶體驗速率,相對4G系統提升3~5倍的頻譜效率、百倍的能效,500 km/h的移動性支持,1 ms的空口時延,100萬/km2的連接數密度以及10 Mbit/s/m2的流量密度等關鍵能力指標。

    基于上述的愿景及關鍵性能指標要求,為滿足5G系統不同場景下的應用需求,支持多元化的業務應用,滿足差異化用戶需求,5G系統的候選頻段需要面向全頻段布局,低頻段和高頻段統籌規劃,以滿足網絡對容量、覆蓋、性能等方面的要求。

    6 GHz以下中低頻頻譜可兼顧5G系統的覆蓋與容量,面向eMBB、mMTC和uRLLC三大應用場景構建5G基礎移動通信網絡;6 GHz以上高頻頻譜主要用于實現5G網絡的容量增強,面向eMBB場景實現熱點極速體驗。

    全球5G頻譜動態

     5G標準化進程

    ITU開展5G新增頻譜研究

    從歷史來看,世界無線電通信大會(WRC)大約每隔8年將進行一次重大的移動通信頻譜劃分:

    1992年,WRC-92劃分了3G核心頻段,成為3G發展的基礎;2000年,WRC-2000劃分的2.6 GHz頻段,是我國發放4G牌照的重要頻段;

    2007年,WRC-07劃分了3.5 GHz頻段和數字紅利頻段,這些頻段是當前全球4G發展的熱點頻段;

    2015年,WRC-15將470~694 MHz、1 427~ 1 518 MHz、3 300~3 400 MHz、3 600~3 700 MHz、 4 800~4 990 MHz頻段劃分給部分區域或國家的IMT使用,是5G發展的重要中頻段資源。

    2015年無線電通信全會(RA~15)批準“IMT-2020”作為5G正式名稱,至此,IMT-2020將與已有的IMT-2000(3G)、IMT-A(4G)組成新的IMT系列。這標志著在國際電聯《無線電規則》中現有標注給IMT系統使用的頻段,均可考慮作為5G系統的中低頻段(見圖1)。


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    圖1 WRC會議新增IMT標識頻譜

     同時,為了積極應對未來移動通信數據流量的快速增長,WRC-15大會上確定了WRC-19 1.13議題:根據第238決議(WRC-15),審議為國際移動通信(IMT)的未來發展確定頻段,包括為作為主要業務的移動業務做出附加劃分的可能性。并請ITU-R開展研究,包括在24.25~86 GHz頻率范圍內開展IMT地面部分的頻譜需求研究,并在8個移動業務為主要劃分的頻段(24.25~27.5 GHz 、37~40.5 GHz、42.5~43.5 GHz、45.5~  47 GHz、47.2~50.2 GHz、50.4~52.6 GHz、66~76 GHz和81~86 GHz)和3個尚未有移動業務劃分的頻段(31.8~33.4 GHz、40.5~42.5 GHz和 47~47.2 GHz)開展共存研究。

    該議題的研究內容具體包括3方面的內容:頻譜需求預測研究、候選頻段研究以及系統間干擾共存分析。

    頻譜需求預測主要是分析新增頻譜的必要性。具體而言,頻譜需求研究基于歷史數據,綜合未來發展各種影響因素,結合移動通信數據增長預測趨勢,考慮特定技術系統的承載能力,分析未來頻率需求問題,給出不同階段的所需頻譜總量,作為新增頻譜的基礎。

    候選頻段研究基于頻譜需求的研究結論,選擇并提出合適的目標頻段。需要充分考慮業務劃分情況、移動通信系統需求、設備器件制造能力等綜合因素,初步選擇合適的目標頻段,各國、各標準化組織立足于本國、本地區的頻率使用現狀,提出初步的候選頻段。

    系統間共存研究主要評估所選目標頻段的可用性。主要根據所提候選頻段的業務劃分、系統規劃和使用現狀,并基于現有業務或系統的技術特性、部署場景等因素,開展移動通信系統與現有或擬規劃的其他系統之間兼容性研究(毫米波頻段主要以空間業務為主)。

    在WRC15之后的WRC-19第1次籌備組會議CPM19-1會議上,確定了ITU-R負責該議題的研究組是5G毫米波特設工作組(TG5/1),負責兼容性共存分析,并形成CPM報告,給出全球5G頻率規劃建議。同時進一步確定,由ITU-R WP5D完成24.25~86 GHz頻段范圍內IMT頻譜需求預測、IMT技術與操作特性參數研究;由ITU-R SG3負責共存研究所需要的傳播模型;ITU-R其他組包括SG4、SG5、SG6、SG7負責向TG51提供相關頻段上原有業務的參數及保護準則等內容。WRC19 1.13議題在ITU-R層面的組織架構及推進關系如圖2所示。


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     圖2  WRC19 1.13議題在ITU層面的組織架構及推進關系圖

    從時間進度來看,TG51先后召開6次國際研究及協調會議,在2018年9月完成相應的共存分析及CPM報告。其中一些關鍵時間點為:第2次會議之前為準備階段,TG51等待接收來自其他研究組提供的用于開展兼容性共存分析的系統參數、傳輸模型等;之后的5次會議,根據各國及研究組織提交的研究結果進行討論、融合、提煉,形成最終的結論(見圖3)。


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    圖3  TG51工作時間計劃

    WRC19 1.13議題的主要目標是致力于為5G尋求全球或區域協調一致的毫米波頻段,是全球開展5G毫米波研究的重要依托。因此,該議題研究走向對全球5G頻率規劃有重要影響,多數國家或地區將根據議題進展及結果開展規劃。從某種意義上說,一個國家或地區要引領全球5G頻譜發展走向,就需要依托1.13議題,通過議題研究將國家或區域觀點全球化。

    3GPP已加速5G新無線系統(NR)頻段研究

    2016年3月3GPP第71次RAN全會上,通過了“Study on New Radio Access Technology”的研究課題,以研究面向5G的新無線系統(NR)接入技術。目前,根據3GPP 5G路標,基于部署需求的5G NR標準制定分為2個階段:第1階段的標準在2018年6月(Rel. 15)完成制定,以滿足2020年之前的5G早期網絡部署需求;第2階段的標準版本需要考慮與第1階段兼容,計劃在2019年底(Rel.16)完成制定,并作為正式的5G版本提交ITU-R IMT-2020。

    在5G NR的研究課題階段,3GPP開展了關于6 GHz以上信道模型的研究(3GPP TR 38.900),同時研究并確定了NR的需求及場景(3GPP TR 38.913),并基于此啟動了NR技術方案評估,提出一系列NR接入技術方案以支持Rel 15標準制定。2017年3月舉行的3GPP RAN 75次全會通過了5G NR接入技術的研究項目(SI)結題,并正式啟動了 5G新無線系統接入技術的Rel.15標準制定工作,立項建議書中列出了擬定義的NR頻段(包括新NR頻段范圍及LTE重耕頻段)以及NR與LTE的雙連接或CA的頻段組合,并再根據需求持續更新。根據2018年2月86次RAN4會議的輸出,目前3GPP TR 38.817中列出的NR頻段如表1所示。


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    表 1 3GPP R15中引入的NR頻段

    各國政府紛紛制定5G頻譜政策,加速5G規劃

    頻譜作為無線通信的基礎戰略資源,對5G產業發展至關重要。為引導5G產業發展,搶占市場先機,從2016年開始,包括美國、歐盟、韓國、日本等在內的全球主要國家或區域紛紛制定5G頻譜政策。

    美國實現5G高低頻頻譜布局

    美國聯邦通信委員會(FCC)分別在高、中、低頻段開放頻譜資源用于5G技術,總結主要有3點。

    規劃豐富高頻資源。2016年7月14日,美國全票通過將24 GHz以上頻譜用于無線寬帶業務的規則法令,共規劃10.85 GHz高頻段頻譜用于5G無線技術,包括28 GHz(27.5~28.35 GHz)、37 GHz(37~38.6 GHz)、39 GHz(38.6~40 GHz)共3.85 GHz許可頻譜和64~71 GHz共7 GHz免許可頻譜。同時,2017年11月16日,FCC發布新的頻譜規劃,批準將24.25~24.45 GHz、24.75~25.25 GHz和47.2~48.2 GHz頻段共1 700 MHz頻譜資源用于5G業務發展。至此,美國FCC共規劃了12.55 GHz的毫米波頻段的頻譜資源。

    重視中頻頻段共享。2015年4月,美國FCC為公眾無線寬帶服務(CBRS)在3.5 GHz頻段(3 550~3 700 MHz)提供150 MHz的頻譜,建立了3層頻譜共享接入體系(SAS)監管模式并允許進行試驗。SAS在保護已有業務的基礎上發揮市場機制,引入公眾無線寬帶服務。AT&T已經正式向FCC提出在3.5 GHz頻段進行5G設備測試的特殊臨時權限。

    釋放低頻資源。美國在WRC15會議上通過添加腳注方式標識了2階段數字紅利頻段470~698 MHz為IMT系統使用,2017年4月完成600 MHz頻段的拍賣,T-Mobile成最大贏家,并計劃用于5G部署。

    歐盟發布5G頻譜戰略,力爭搶占5G部署先機

    2016年11月10日,歐盟委員會無線頻譜政策組(RSPG)發布歐洲5G頻譜戰略,明確提出,3 400~3 800 MHz頻段將作為2020年前歐洲5G部署的主要頻段,1 GHz以下700 MHz將用于5G廣覆蓋。在毫米波頻段方面明確將26 GHz(24.25~27.5 GHz)頻段將作為歐洲5G高頻段的初期部署頻段,RSPG建議歐盟在2020年前確定此頻段的使用條件,建議歐盟各成員國保證26 GHz頻段的一部分在2020年前可用于滿足5G市場需求。此外,歐盟將繼續研究32 GHz(31.8~33.4 GHz)、40 GHz(40.5~43.5 GHz)頻段以及其他高頻頻段。

    日本發布無線電政策報告,明確5G頻譜范圍

    2016年7月15日,日本總務?。∕IC)發布了面向2020年無線電政策報告,明確5G候選頻段:低頻包括3 600~3 800 MHz和4 400~4 900 MHz,高頻包括27.5~29.5 GHz頻段和其他WRC-19研究頻段。面向2020年5G商用,日本主要聚焦在3 600~3 800 MHz、4 400~4 900 MHz頻段和27.5~29.5 GHz頻段。

    韓國變更C頻段規劃,明確5G頻譜高低頻并重

    2016年11月7日,韓國未來創造科學部(MSIP)宣布原計劃為4G準備的3.5 GHz(3 400~3 700 MHz)頻譜轉成5G用途,2017年回收已發放的3.5 GHz頻譜,后續作為5G頻譜重新發牌。2018年韓國平昌奧運會期間,3個運營商在26.5~29.5 GHz頻段部署5G試驗網絡,展示5G業務。

    德國發布5G頻譜規劃,涵蓋高中低頻4個頻段

    德國于2017年7月13日宣布了國家5G戰略,發布更多5G頻譜規劃,具體涉及4個頻段。2 GHz頻段,即1 920~1 980 MHz/2 110~2 170 MHz,該頻段在德國主要用于3G業務,目前的許可將在2020年或者2025年到期。到期回收以后,德國計劃繼續用于移動通信,作為5G的工作頻段;3.4~3.8 GHz頻段用于移動通信;對于700 MHz頻段,德國已經在2015年6月完成拍賣,下一步將繼續把738~753 MHz作為SDL(補充下行鏈路)劃分給5G使用。對于26和 28 GHz頻段,與歐盟不同,德國已經確定采用28 GHz頻段作為5G頻段,具體為27.828 5~28.444 5 GHz和28.948 5~29.452 5 GHz。同時,德國也沒有完全將   26 GHz頻段排除在外,繼續將其作為研究頻段。

    英國發布5G頻譜規劃征求意見稿

    Ofcom在2017年2月發布的5G頻譜規劃報告中,表明其5G頻譜將與歐盟無線頻譜政策小組(RSPG)一致,選擇700 MHz、3.4~3.8 GHz、24.25~27.5 GHz作為高、中、低頻段頻譜。目前,英國已經完成了3.4~3.6 GHz頻段的清理工作,并開展700 MHz頻段的清理工作。

    整體來看,全球對5G的頻譜構架認知基本趨同:統籌高中低頻段的頻譜資源。未來5G網絡將是高低頻譜協同組網。中頻段主要指C頻段(3 400~3 800 MHz)將是全球5G部署的核心頻段,是5G網絡的主要覆蓋與容量層;高頻段24.25~27.5 GHz、28 GHz和40 GHz頻段是高頻段方面的熱點,是5G網絡超大容量層,用于滿足大容量、高速率的業務需求;1 GHz 以下如700 、600 MHz為5G網絡的覆蓋層,主要滿足廣域和深度室內覆蓋。

    國內5G頻譜規劃及分配啟示

    盡快完成5G中頻分配,引領全球5G發展

    為適應和促進5G系統在我國的應用和發展,我國于2017年底發布5G系統在3000~5000 MHz頻段內的頻率使用規劃,規劃明確了3 300~3 400 MHz(原則上限室內使用)、3 400~3 600 MHz和4 800~5 000 MHz頻段作為5G系統的工作頻段,明確了5G部署的中頻資源。

    從全球的趨勢來看,各運營商加速了5G商用計劃,平昌冬奧會上韓國展示5G業務,美國運營商AT&T計劃在2018年底前在12個城市推出5G商用服務,2018年即將開啟5G商用元年。據GSA統計,截至2018年1月初,全球共有56個國家/地區的113家移動運營商正在對5G支持和候選技術進行測試、試驗或獲得許可開始現場試驗,已經有17個國家/地區發布了5G頻譜拍賣或5G商用牌照發放計劃。

    我國要實現5G全球引領,作為5G部署的首發頻段,需要盡快完成5G中頻的分配,為運營商部署5G網絡落實頻率資源。在5G中頻分配時,建議重點考慮以下2點。

    制定方案,解決3 400~3 600 MHz及4 800~5 000 MHz頻段上與衛星固定業務(FSS下行)的干擾問題;制定協調機制,解決運營商與衛星操作者頻率使用協調問題,以便運營商在此頻段上進行5G規模部署。

    為單運營商初期部署分配至少100 MHz連續帶寬。《5G愿景和需求白皮書》提出5G系統需要提供比4G更高的性能,5G需支持大于100 Mbit/s的單用戶體驗速率(真實網絡環境下用戶可獲得的最低傳輸速率),且在熱點地區需滿足1 Gbit/s用戶體驗速率。從連接數密度和用戶體驗等KPI角度評估,為了達到0.1~1 Gbit/s用戶體驗速率,至少需要100 MHz連續帶寬,同時配合5G關鍵技術包括Massive MIMO等,才能在復雜環境下有效保證小區峰值速率、平均速率以及小區邊緣速率。

    明確毫米波頻段資源,發布高頻規劃

    在高頻段方面,我國主管機構也是依托WRC191.13議題研究組,IMT2020(5)推進組等平臺,開展了相關的工作:依托WRC19 1.13議題平臺,由頻率主管機構牽頭組織相關單位開展24.75~27.5 GHz及37~42.5 GHz頻段上5G系統與其他業務的兼容性分析;2017年6月,工信部對24.75~27.5 GHz、37~42.5 GHz或其他毫米波頻段用于5G系統進行了公開意見征集;在2017年7月召開的亞太區域組織會議APG19~2上,我國闡述了在議題候選頻段中優先研究24.75~27.5 GHz及37~42.5 GHz頻段的觀點;2017年7月3日,工信部新增4.8~5 GHz、24.75~27.5 GHz和37~42.5 GHz頻段用于中國5G技術研發試驗。但總的來說,還沒有明確的規劃文件發布,對于產業界來說,頻段信息不明確。

    從目前毫米波頻段產業發展的情況來看,設備及芯片方面,國內已經有高頻技術及制造能力,之前的北京懷柔外場測試也顯示出國內廠商具備高頻技術能力并已提供相應高頻樣機,但距離規模商用還需芯片產業鏈培育,比如發展低成本、高工藝的芯片。測試儀器及儀表方面,目前階段還沒有可支持5G毫米波商用的測試儀表,需要盡快明確頻譜規劃,以促進儀器儀表廠商投入開發。

    盡早頻率規劃可以促進產業鏈成熟及完善,建議國家能夠盡快明確高頻資源,以引導產業化布局,促進產業鏈成熟。從國際上高頻的研究進展和各國對高頻規劃及發布的觀點來看,24.75~27.5 GHz 和37~42.5 GHz被廣泛認為是高頻早期商用頻段以及潛在全球5G一致頻段,建議國家能夠平衡IMT和衛星、國防、科學研究、廣播等業務的發展,爭取24.75~27.5 GHz 和37~42.5 GHz頻段資源用于未來5G發展。

    從頻率需求的角度分析,根據ITU預測結果,為支持5G系統20 Gbit/s峰值速率和1 Gbit/s體驗速率,高頻需要14.7~19.7 GHz帶寬,其中43.5 GHz以下頻率需要5.8~7.7 GHz帶寬以支持室外高頻及室內靈活部署。從單運營商用頻需求來看,毫米波頻段各頻段上至少需要800~1 600 MHz連續頻譜資源,滿足2~4個載波的部署需求,具體在24.75~27.5 GHz(26 GHz)頻段范圍內至少需要800 MHz連續頻譜資源,在37~42.5 GHz(40 GHz)頻段范圍內至少需要1 600 MHz連續頻譜資源。因此,建議規劃全部24.75~27.5 GHz 和37~42.5 GHz頻段資源用于5G發展。

    規劃低頻資源

    低頻段,尤其是1 GHz以下頻譜資源,是移動通信系統的黃金頻率,相對于中頻段、高頻段可以獲得更好的室內和廣域覆蓋效果。歷界WRC會議,為支持移動通信的發展,已經標識了總帶寬約510 MHz的1 GHz以下IMT頻譜資源,主要包括450~470 MHz、698~960 MHz,470~698 MHz 3個頻段,其中各國標識用于IMT的頻譜資源不同。從移動通信的發展歷程來看,低頻在不同網絡時代都發揮著不可替代的作用。2G時代,850及900 MHz頻段用于CDMA及GSM網絡的部署,3G時代在部署后期,多數運營商選擇重耕850及900 MHz滿足廣域場景覆蓋需求,4G時代,數字紅利頻段798~806 MHz在全球得以廣泛應用,作為運營商實現4G大覆蓋和室內穿透的骨干頻譜。5G即將開始,歐盟5G戰略規劃明確提出采用700 MHz進行5G廣覆蓋,美國2階段數字紅利頻段470~698 MHz拍賣完成,用于5G低頻部署,韓國、日本在2016年均進行了700 MHz頻段的拍賣,為提供5G服務做準備。由此可以看出,主要國家的低頻資源是非常豐富的,也為5G發展儲備了低頻資源。

    我國目前規劃并分配給運營商的1 GHz以下頻譜資源共72 MHz,包括中國電信825~835/870~880 MHz共2×10 MHz,中國移動889~909/934~954 MHz共2× 20 MHz,中國聯通909~915/954~960 MHz共2×6 MHz,且目前頻段上不同程度承載著2G/3G/4G業務,并計劃部署NB-IoT等物聯網技術,預計3~5年內難以完全清退用于5G eMBB網絡部署。為更好滿足未來5G 網絡的發展,我國亟需1 GHz以下的低頻譜資源(如700 MHz),需要盡快推動相關頻段的規劃。

    頻譜資源是推動5G標準與產業進程的關鍵因素。在尋找新的頻譜資源的過程中,移動通信產業受到來自其他行業的巨大阻力。為實現國家“十三五”規劃信息產業發展目標,保障我國在5G時代的引領地位,我國需要平衡IMT和衛星、國防、科學研究、廣播等業務的發展,為5G未來發展提供資源保障。


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