5G時(shí)代需探索新的頻譜管理模式

中國移動通信集團(tuán)浙江有限公司杭州分公司 |朱智俊 徐杰 金鑫

“頻譜匱乏”問題并不是可用頻譜的稀缺，而是頻譜資源管理模式有待改進(jìn)。尋求頻譜劃分更靈活、頻譜效率更高效、頻譜分配更公平的管理模式具有積極的意義。上下行解耦、頻譜重耕、頻譜共享和載波聚合等頻譜管理解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

伴隨著5G首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，5G業(yè)務(wù)場景和終端路標(biāo)逐漸清晰，5G網(wǎng)絡(luò)商用的腳步越來越近。5G構(gòu)建了三大應(yīng)用場景，分別是eMBB、mMTC、uRLLC，對應(yīng)以上三大業(yè)務(wù)場景的管道能力中，峰值速率、用戶體驗(yàn)、時(shí)延、連接密度是關(guān)鍵能力，如圖1所示。

圖1 5G三大應(yīng)用場景的典型應(yīng)用

為滿足5G場景需求，需要統(tǒng)籌考慮涵蓋低、中、高頻段在內(nèi)的全頻段。低、中頻段一般指6GHz以下的頻段，以中、低頻互補(bǔ)的方式來解決網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋的問題，而高頻段則指6GHz甚至24GHz以上的頻段，因其覆蓋能力有限，但具備大帶寬能力，可滿足熱點(diǎn)區(qū)域極高的用戶速率和系統(tǒng)容量需求。

5G頻譜分析

低頻段主要用于滿足廣覆蓋、高移動性場景下的用戶體驗(yàn)和海量設(shè)備的連接需求。但目前這部分頻段資源十分有限，特別是3GHz以下可用頻譜資源已經(jīng)分配殆盡，很難找到大塊頻率來滿足5G系統(tǒng)的需求。3GHz以下頻譜劃分情況如圖2所示。

圖2 3GHz以下的具體分配

根據(jù)W RC-15的會議成果，我國無線電主管部門主要針對6GHz以下的3000～5000 M H z頻段，確定將3300～3400MHz、3400～3600MHz、4800～5000MHz共500MHz率先規(guī)劃用于5G系統(tǒng)。2018年底三大運(yùn)營商獲得全國范圍5G中低頻段試驗(yàn)頻率使用許可。其中，中國電信獲得3400～3500MHz頻段的5G試驗(yàn)頻率資源；中國移動獲得2515～2675MHz、4800～4900MHz頻段的5G試驗(yàn)頻率資源；中國聯(lián)通獲得3500～3600MHz頻段的5G試驗(yàn)頻率資源。

從長遠(yuǎn)來看，為了滿足5G系統(tǒng)廣覆蓋、大規(guī)模機(jī)器通信對低頻段的需求，無線電主管部門未來可適時(shí)將已經(jīng)規(guī)劃給2G、3G和4G系統(tǒng)的頻譜資源，通過優(yōu)化、重耕、共享等多種方式用于5G系統(tǒng)。

5G頻譜橫跨高、中、低頻段，主要為中頻段，其衰減特性仿真結(jié)果如圖3所示。

從不同頻段的衰減來看，高頻段損耗明顯增加，稍有遮擋即可能形成篩形覆蓋，且NLOS比LOS損耗增加更多，造成覆蓋缺陷。

5G組網(wǎng)演進(jìn)路線

5G組網(wǎng)分為獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)兩種方式。5G建設(shè)初期，采用SA組網(wǎng)還是NSA組網(wǎng)，不同運(yùn)營商的選擇會有所不同。中國移動宣稱要采用5G進(jìn)行連續(xù)覆蓋，因此考慮采用5G SA組網(wǎng)；而中國聯(lián)通則考慮5G的快速部署，其白皮書中明確初期采用5G與LTE緊耦合的方式來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。一般來說，為了保護(hù)運(yùn)營商的4G存量投資，同時(shí)又保證5G的快速引入，5G的組網(wǎng)會采用從NSA到SA的演進(jìn)路線。典型演進(jìn)形式如圖4所示。

采用NSA方式組網(wǎng)時(shí)，對終端而言要同時(shí)支持4G和5G，以雙連接的形式接入網(wǎng)絡(luò)。用戶面數(shù)據(jù)以分流的形式在兩個(gè)制式間分配和傳輸，分流網(wǎng)元可以是4G eNodeB，可以是5G gNodeB，也可以是核心網(wǎng)。另外根據(jù)接入核心網(wǎng)的不同，協(xié)議定義6種option，見表1。

圖3 中頻率衰減仿真結(jié)果

圖4 5G不同演進(jìn)方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表1 5G不同演進(jìn)方案的組網(wǎng)架構(gòu)對比

隨著5G開始建設(shè)，其對無線頻譜資源的需求與日俱增，可用、好用的頻譜資源越來越少，尋求新的頻譜資源舉步維艱，中高頻段的覆蓋距離短。許多國家的無線電管理機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界和企業(yè)界陸續(xù)開展了頻譜資源實(shí)際使用情況的測量工作，從測量結(jié)果可知，只有少部分頻段承載的業(yè)務(wù)量很大、非常擁擠，而相當(dāng)數(shù)量的頻段只有很少的業(yè)務(wù)量，甚至還有一些頻段基本上處于空閑狀態(tài)。

由此可見，“頻譜匱乏”問題并不是可用頻譜的稀缺，而是頻譜資源管理模式有待改進(jìn)。尋求頻譜劃分更靈活、頻譜效率更高效、頻譜分配更公平的管理模式具有積極的意義。上下行解耦、頻譜重耕、頻譜共享和載波聚合等頻譜管理解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

新的頻譜管理技術(shù)

上下行解耦

上下行解耦（Downlink and Uplink Decoupled Access）是指上行和下行分開傳輸。無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋由上行鏈路和下行共同決定，需要達(dá)到上下行鏈路平衡。正常情況下基站發(fā)射天線增益大、功放功率大，而終端由于體積受限不能做大天線增益和功放功率，因此多數(shù)情況下上行覆蓋受限。

到了5G時(shí)代，隨著基站側(cè)Massive MIMO射頻硬件性能增強(qiáng)等各種先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用，基站下行覆蓋能力越來越強(qiáng)，而上行受制于終端的限制，覆蓋能力的增強(qiáng)遠(yuǎn)不及下行，這就使得5G時(shí)代上下行覆蓋不均衡的問題進(jìn)一步加劇。上下行解耦解決方案將很好地解決5G時(shí)代上下行覆蓋不均衡的問題。

上下行解耦將蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域劃分為“平衡區(qū)域”和“非平衡區(qū)域”。對于上下行功率平衡的區(qū)域，傳統(tǒng)基于RSRP或RSRQ的服務(wù)基站接入策略仍然適用，UE的上下行方向接入同一基站。對于上下行功率不平衡的區(qū)域，UE的上行連接和下行連接不再耦合，下行方向沿用傳統(tǒng)策略，參考下行導(dǎo)頻信號的強(qiáng)度選擇最優(yōu)的基站作為下行服務(wù)小區(qū)，而上行方向則依據(jù)信號經(jīng)過上行鏈路后的性能進(jìn)行接入判定。

在3.5GHz上行覆蓋較好的地方，上下行均使用3.5GHz頻段進(jìn)行傳輸，而在邊緣區(qū)域和5G下行覆蓋充分而上行覆蓋不足的地方，UE借用LTE（Sub-3GHz）頻段進(jìn)行上行傳輸，以減少高頻衰減，增強(qiáng)上行覆蓋能力。

通過研究發(fā)現(xiàn)，終端在近點(diǎn)時(shí)，基站采用3.5GHz作為下行覆蓋，終端上行也采用3.5GHz；終端在遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，基站采用3.5GHz作為下行覆蓋，終端上行采用1.8GHz，以此增加覆蓋范圍，參考某機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，后者比前者可增加45%的覆蓋能力。

頻譜重耕

頻譜重耕是指電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商對既有頻譜資源按技術(shù)演進(jìn)的不同系統(tǒng)制式需求進(jìn)行重構(gòu)或者重組，以達(dá)到提升與更有效利用頻譜資源的目的，即有效降低構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的建設(shè)成本（CAPEX）、運(yùn)維成本（OPEX）以及總擁有成本（TCO）。

圖5 上下行解耦應(yīng)用

圖6 下行頻譜效率的演進(jìn)（單位：bit/s/Hz）

表2 不同頻段下無線電波傳播性能對比

當(dāng)前部分設(shè)備商可提供LTE-NR SDR（Software Defined Radio）設(shè)備，該AAU設(shè)備支持D頻段160MHz寬頻。LTENR SDR設(shè)備可滿足不同制式在不同時(shí)期的容量需求，能夠調(diào)整不同制式的帶寬分配或根據(jù)容量需求動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整。比如，在5G建網(wǎng)初期階段，5G使用100MHz帶寬，LTE使用60MHz帶寬，隨著5G發(fā)展，4G流量在2021年左右到達(dá)頂峰后開始下降，后續(xù)可以將更多的頻譜逐漸釋放給NR使用，最終160MHz全部是NR（4G業(yè)務(wù)用其他頻段承載）。除了頻譜自適應(yīng)分配，AAU設(shè)備的總功率也可以根據(jù)需求分配給NR和LTE。

因?yàn)轭l譜資源有限，故提升頻譜效率一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。如圖6所示，LTE的頻譜效率約為GPRS的50倍，因此大大提升了頻譜價(jià)值。

相對于以前的網(wǎng)絡(luò)制式，4G技術(shù)大大提升了頻譜效率。假定下行鏈路的傳輸帶寬為10MHz、鏈路的信噪比為7dB，根據(jù)香農(nóng)極限定理得到信道容量為25Mbit/s。而LTE R8的吞吐量已經(jīng)達(dá)到了15Mbit/s，LTE-A R10的吞吐量更是達(dá)到了24Mbit/s，未來5G系統(tǒng)的吞吐量更高，在頻帶利用率上已經(jīng)非常接近香農(nóng)極限。若要進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量，除了提高系統(tǒng)信噪比，采用更為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)制式獲得額外頻譜帶寬也是非常重要的。

無線頻譜頻段的高低決定了電波的傳播能力，根據(jù)鏈路預(yù)算和傳播模型可以得到用戶終端與基站之間的最大路徑損耗和基站的覆蓋半徑。假設(shè)基站天線的高度為35m，利用自由空間傳輸模型、Hata Model for Ur b a n A r e a s以及Cost Hata231模型，可以得到不同頻段下的電波傳輸損耗、基站覆蓋半徑之比和站點(diǎn)數(shù)量之比，具體見表2。

由表2可知，覆蓋相同的面積，2.6GHz頻段所需的基站數(shù)量是700MHz的15倍左右，這是在沒有考慮室內(nèi)覆蓋及穿透、饋線和接頭等損耗情況下的理論分析。根據(jù)電波傳播理論可知，隨著頻段的降低，傳輸損耗越小，相應(yīng)的建網(wǎng)投資就越低。

隨著萬物移動互聯(lián)時(shí)代的到來，應(yīng)更加注意發(fā)揮能支撐頻譜重耕與精準(zhǔn)化發(fā)展的新技術(shù)的重要作用。

頻譜共享

頻譜共享是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上用戶共同使用一個(gè)指定頻段的電磁頻譜。參與頻譜共享的用戶主要分為主用戶和次用戶兩類。其中，主用戶是指最初被授予頻段且愿意與其他接入者共享資源的用戶，次用戶是指其余被允許按照共享規(guī)則使用頻譜的用戶。

圖75G NR與LTE共享頻譜應(yīng)用

在5G NR上下行解耦場景下，與LTE共享1.8GHz頻譜可以為5G NR提供上行低頻頻譜，提升NR上行覆蓋能力，如圖7所示。

頻譜共享已被認(rèn)為是解決頻譜供需矛盾、提高頻譜使用效率的方案之一。推行頻譜共享已經(jīng)成為國際主流趨勢，為當(dāng)前頻譜緊張局面提供了一種極為有效的解決途徑。

載波聚合

載波聚合是將多個(gè)連續(xù)或離散載波聚合在一起，形成一個(gè)更寬頻譜。載波聚合可分為連續(xù)載波聚合和非連續(xù)載波聚合，最大聚合帶寬為100MHz，如圖8所示。

3GPP在LTE-Advanced Release 10（TR 36.913）階段已引入了載波聚合，通過同頻帶、異頻帶不同的成員載波聚合成為更大帶寬，成倍地增加用戶峰值速率，可以聚合40～100MHz（2～5個(gè)載波）帶寬，提供300～750Mbit/s甚至大于1Gbit/s（4×4MIMO）的峰值速率，以滿足3GPP的要求。

5G時(shí)代最高峰值數(shù)據(jù)傳輸速率將達(dá)到20Gbit/s，載波聚合必定成為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的核心技術(shù)，而5G增加的多個(gè)頻段又可以提供更多載波資源，為更多載波的聚合提供條件。另一方面，5G時(shí)代，6GHz以下的頻譜資源將更加擁擠和碎片化，載波聚合技術(shù)可以將多個(gè)分散頻率合成在一起，在提高通信帶寬的特性方面將大有用武之地。

5G終端面臨的挑戰(zhàn)

因5G系統(tǒng)采用了上述部分或者全部方案來解決頻譜問題，相應(yīng)的終端將會面臨以下挑戰(zhàn)。

模擬器件的挑戰(zhàn)

目前3 G P P已劃分S u b-6 G H z的頻段為B42（3.4～3.6GHz）、B43（3.4～3.6GHz）、n77（3.3～4.2GHz）、n78（3～3.8GHz和4.4～4.99GHz）。

圖8 載波聚合

圖9 終端天線增加

相比較LTE的20MHz帶寬，5G頻段的帶寬大大增加，對射頻前端架構(gòu)設(shè)計(jì)形成挑戰(zhàn)。同時(shí)大帶寬對PA的工作帶寬要求更高，對PA的線性性能要求也更高。大頻段帶寬及信道帶寬也會對濾波器的設(shè)計(jì)帶來更大的挑戰(zhàn)。例如，濾波器設(shè)計(jì)在3.3～3.8GHz頻段相比3.3～4.2GHz頻段會更容易。

天線的挑戰(zhàn)

隨著終端的發(fā)展，特別是5G高頻段的到來，天線空間的壓縮、天線數(shù)量的增加、天線規(guī)格的提升對天線的設(shè)計(jì)形成挑戰(zhàn)。

天線空間不斷被壓縮。全屏趨勢、前置多攝像頭（2個(gè)）、背部多攝像頭（2個(gè)及更多）以及前置結(jié)構(gòu)會影響頂部天線空間。同時(shí)電池容量增加、屏下指紋、全面屏以及屏下指紋會進(jìn)一步壓縮底部天線的空間。

天線數(shù)量不斷增加，如圖9所示。隨著無線頻率的升高，終端為提升網(wǎng)絡(luò)性能而增加天線數(shù)量，例如4×4MIMO、8×8MIMO、支持Wi-Fi的MIMO、GPS雙頻等，會導(dǎo)致單個(gè)天線凈空間的壓縮和隔離度需求的增加。

金屬外殼帶來的挑戰(zhàn)

隨著移動通信的演進(jìn)，智能手機(jī)后蓋也隨之發(fā)展，當(dāng)前智能手機(jī)后蓋主要有以下幾種材質(zhì)：塑料、金屬、玻璃和陶瓷等。

塑料的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，制造難度與成本相對較低。但其熱導(dǎo)率差，影響手機(jī)處理器的頻率。此外塑料的光澤度低、手感欠佳。

金屬后蓋優(yōu)點(diǎn)主要是光澤度高、手感出色、硬度高、抗壓抗彎、抗刮抗劃、熱導(dǎo)率高。但金屬具有電磁屏蔽性，因此全面屏對天線凈空間的壓縮、無線充電的電磁波干擾、5G通信采用3GHz以上的無線頻譜等將帶來更復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)。其次是金屬著色難，復(fù)雜的陽極氧化工藝難以實(shí)現(xiàn)豐富多彩的顏色。

玻璃后蓋硬度較高，熱導(dǎo)率處于塑料和金屬之間，通透感強(qiáng)，比金屬更易著色，同時(shí)玻璃對無線信號的影響也較低。但缺點(diǎn)在于易碎和彈性有限，因此采用玻璃材質(zhì)的手機(jī)往往更加脆弱，并且?guī)缀醵际瞧矫嬖O(shè)計(jì)。

近些年流行的陶瓷后蓋硬度高，耐磨、通信性能好，但其工藝及成品率相對較低，會提高終端成本。

毫米波的挑戰(zhàn)

5G毫米波具有帶寬資源豐富的優(yōu)勢，但毫米波也有信號衰減大、易受阻擋、繞射能力弱、覆蓋距離短等劣勢。毫米波衰減大，在高溫和高濕度環(huán)境下，其信號在1km內(nèi)可衰減一半（3dB/km）。同時(shí)毫米波穿透障礙物的能力比較差，無法穿過障礙物。另外，毫米波頻段由于頻段高、帶寬大、路損大、器件小等特性，對商用手機(jī)終端射頻前端的工藝和材料、智能天線陣列的設(shè)計(jì)、射頻天線的封裝、終端整機(jī)系統(tǒng)的封裝與成本都帶來相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

圖10 中國移動2.6GHz頻譜

圖11 中國移動2.6GHz頻譜重耕后的分配

終端新頻點(diǎn)的支持問題

頻譜重耕后，會出現(xiàn)新技術(shù)對應(yīng)老頻譜的問題，需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)及終端側(cè)設(shè)備支持，其中終端側(cè)的問題較為普遍。如中國移動獲得5G頻譜為2515～2675MHz（160MHz），其中2575～2635MHz頻段在LTE時(shí)代已獲得，如圖10所示。

這使得5G頻譜不是連續(xù)的100MHz，需要重耕2575～2635MHz，將LTE搬移到高頻段上，如圖11所示。

頻譜重耕后，終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都要求同時(shí)支持2635～2675MHz新頻點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具備基于終端支持頻點(diǎn)的負(fù)荷均衡技術(shù)，能識別終端的工作范圍，合理安排2615～2635MHz、2635～2655MHz、2655～2675MHz三個(gè)帶寬的工作比例，動態(tài)調(diào)整其接入的網(wǎng)絡(luò)，使得終端在該三個(gè)帶寬內(nèi)都保持一定的比例，使得2515～2615MHz連續(xù)的100MHz帶寬中無LTE設(shè)備使用，可全部給5G NR使用，極大提升網(wǎng)絡(luò)性能。

隨著全面屏及無線充電不斷發(fā)展，5G時(shí)代預(yù)計(jì)將有玻璃或陶瓷后蓋代替金屬后蓋，同時(shí)支持多天線、多頻點(diǎn)、毫米波等。

為了落實(shí)國家5G發(fā)展目標(biāo)，運(yùn)營商將根據(jù)國家戰(zhàn)略、各地政府和行業(yè)需求、產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，以5G為契機(jī)，實(shí)踐產(chǎn)業(yè)合作驅(qū)動創(chuàng)新應(yīng)用，同步開展5G技術(shù)與行業(yè)應(yīng)用結(jié)合的研究、試驗(yàn)和部署，鍛造5G核心研發(fā)能力，推動5G產(chǎn)業(yè)鏈成熟，打造合作、創(chuàng)新、共贏的5G生態(tài)圈。