5G 的頻譜利用

鐘 旻

1 5G 的頻譜

在前面的講座中已經(jīng)闡明，為了適應(yīng)5G 更大容量、更高數(shù)據(jù)速率和海量設(shè)備要求，需要更多無(wú)線電頻譜資源的支持。圖1是全球一些國(guó)家已配置或擬配置的5G 頻譜。

圖1 全球一些國(guó)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(gè)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(yīng)用場(chǎng)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(qiáng)，可提供廣域和深度室內(nèi)覆蓋，支持宏小區(qū)和小區(qū)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(yōu)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(huán)境等因素制約，但具有豐富的頻譜資源，可用于數(shù)據(jù)速率要求極高的場(chǎng)合。

圖1 中，數(shù)字下的藍(lán)色劃線，是經(jīng)國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電委員會(huì)（ITU-R）批準(zhǔn)的用于移動(dòng)通信的使用許可頻段，綠色劃線標(biāo)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(shuō)的頻譜共享，包括無(wú)線接入技術(shù)（RAT）間運(yùn)營(yíng)商內(nèi)頻譜共享、運(yùn)營(yíng)商間頻譜共享，未批準(zhǔn)許可頻帶的頻譜共享和次要接入頻譜共享。

（1）運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部RAT 間頻譜共享：目標(biāo)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(qū)；在宏小區(qū)間或宏小區(qū)-小區(qū)間，現(xiàn)有的載波可同時(shí)共享載波的頻譜聚合。

（2）運(yùn)營(yíng)商之間的頻譜共享：目標(biāo)頻段可能是未釋放的IMT計(jì)劃頻段，不同的運(yùn)營(yíng)商可能是在熱點(diǎn)地區(qū)中相同的覆蓋小區(qū)，或是在相同覆蓋中的宏-小區(qū)。

（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(qū)和目標(biāo)頻段的Wi-Fi 接入點(diǎn)。這些站點(diǎn)可能與利用現(xiàn)有低頻段的宏小區(qū)聯(lián)合部署。

（4）次要接入頻段的頻譜共享：目標(biāo)頻段是主用于其他系統(tǒng)如衛(wèi)星、廣播和雷達(dá)等已獲批許可的頻段，IMT 系統(tǒng)中運(yùn)營(yíng)商以次要身份與之共享。

2.2 頻譜共享的管理

為了實(shí)現(xiàn)頻譜共享，需要適合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和接口，采用集中式架構(gòu)將是其基礎(chǔ)，當(dāng)然，為獲得靈活性，還可與分布式架構(gòu)結(jié)合。共享節(jié)點(diǎn)的較高層中增加頻譜管理節(jié)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[2]給出了適用于5G 的頻譜管理處理（進(jìn)程），如圖2所示。它是在以往頻譜管理的基礎(chǔ)上，增加了頻譜分級(jí)和頻譜評(píng)估這兩個(gè)新的元素。

在前臺(tái)（ex-ante）處理中，包括了對(duì)無(wú)線業(yè)務(wù)的頻譜劃分（Allocation），對(duì)用戶或系統(tǒng)的頻譜分配（Allotment）和對(duì)指定無(wú)線臺(tái)、站的頻譜指配（Assignment），以及無(wú)線電設(shè)備和站、臺(tái)的管理。后臺(tái)（ex-post）管理則是無(wú)線電監(jiān)測(cè)，包括無(wú)線電占用測(cè)量，信號(hào)參數(shù)和發(fā)射機(jī)檢驗(yàn)，對(duì)非法發(fā)射機(jī)的探測(cè)和發(fā)現(xiàn)等。無(wú)線接入優(yōu)化中心負(fù)責(zé)頻譜需求計(jì)算，共存和接入分析；頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存無(wú)線電業(yè)務(wù)，臺(tái)、站，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的所有信息，包括目前頻譜使用情況和頻譜的可用性等。當(dāng)某一新的業(yè)務(wù)接入申請(qǐng)到達(dá)時(shí)，該中心對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)校核，在進(jìn)行綜合分析后，給出解決方案，支持處理進(jìn)程，并將其結(jié)果的信息反饋回輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，從而形成一閉環(huán)管理。

圖2 適用于5G頻譜管理處理（進(jìn)程）的組成框圖[2]

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

第一級(jí)業(yè)務(wù)：包括政府政務(wù)，以及國(guó)家安全保密和公共安全的業(yè)務(wù)，它們通常占用特定的許可頻譜，受到嚴(yán)格的保護(hù)，其他業(yè)務(wù)不能與之共享。

第二級(jí)業(yè)務(wù)：包括公共和專用業(yè)務(wù)。5G 中用于公共移動(dòng)通信的頻譜劃為此等級(jí)。這里許可或LSA 模式均可使用。政府將根據(jù)商用化程度和無(wú)線占用的情況，靈活地發(fā)放收費(fèi)此等級(jí)的頻譜。

第三級(jí)業(yè)務(wù)：是對(duì)公共自由利用的專用業(yè)務(wù)，如Wi-Fi，接入處理可能需要頻譜感知，且要求低功率運(yùn)行。

（2）頻譜評(píng)估：頻譜評(píng)估是后臺(tái)管理的一部分，它不僅基于某一頻段能否分配給新的業(yè)務(wù)，還要視其利用效率。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，政府可調(diào)整甚至強(qiáng)制頻譜的分配。

3 軟件定義無(wú)線和認(rèn)知無(wú)線電的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)5G 多頻譜和頻譜共享，并考慮到不同場(chǎng)景下采用不同的信號(hào)波形、調(diào)制編碼和多址接入方式，將需要引進(jìn)SDR 和CR技術(shù)。

3.1 SDR[1][4]

基本概念：軟件定義無(wú)線（Software Defined Radio，SDR）的無(wú)線通信設(shè)備中，中頻和基帶具有可重新編程和可重構(gòu)能力，可以使用于多種模式（標(biāo)準(zhǔn)）、多個(gè)頻段和多種功能。

從發(fā)射的角度看，軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)的工作參數(shù)能用控制設(shè)備運(yùn)作的軟件來(lái)改變，而無(wú)須通過(guò)改變硬件去改變無(wú)線電頻率的發(fā)射。

用戶設(shè)備SDR 的基本組成舉例如圖3所示。

圖3 用戶設(shè)備SDR的基本構(gòu)成舉例[1]

由圖3可見(jiàn)，多頻段載波聚合工作模式是通過(guò)射頻段來(lái)完成的。一旦確定工作于某一頻段的頻率，便將天線調(diào)諧到該頻段（圖3中的f1、f2），接收機(jī)接通相應(yīng)頻段的前置預(yù)選濾波器和低噪聲放大器，將信號(hào)放大后經(jīng)接收通道（RX）中的下變頻和信道濾波，輸出中頻信號(hào)再經(jīng)模/數(shù)變換送給后面的數(shù)字基帶設(shè)備處理。在發(fā)射端，則經(jīng)過(guò)與接收相逆的過(guò)程。對(duì)于圖（b）的寬帶SDR，則有利于設(shè)備的簡(jiǎn)化。

對(duì)于不同的通信信號(hào)波形，編碼調(diào)制和多址接入，通過(guò)軟件在基帶段實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)基站和用戶終端采用SDR 技術(shù)后，無(wú)須增加新的硬件，便能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和空中接口，具有極大的靈活性。

3.2 認(rèn)知無(wú)線電（CR）[5][6]

認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio，CR）是指一種包含一個(gè)智能收發(fā)器的無(wú)線通信技術(shù)，其組成如圖4所示。該收發(fā)器能智能檢測(cè)出哪些頻段未被占用以及哪些頻段正在被使用，當(dāng)檢測(cè)出某些頻段未被占用時(shí)，CR 系統(tǒng)就可以暫時(shí)使用該頻段進(jìn)行通信。由此可見(jiàn)，CR 是一種能基于與運(yùn)作環(huán)境交互而改變其發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線電。

圖4 CR收發(fā)信機(jī)的組成概念框圖

CR 完整的功能應(yīng)包括：調(diào)諧目標(biāo)頻段中任何可用信道；在所有或部分信道中建立網(wǎng)絡(luò)通信和運(yùn)作；適應(yīng)于多個(gè)不同類型的網(wǎng)絡(luò)所占用的頻譜，實(shí)現(xiàn)信道共享和功率控制協(xié)議；實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)發(fā)射帶寬、數(shù)據(jù)率和糾錯(cuò)方式，以獲得盡量高的吞吐量；實(shí)現(xiàn)天線自適應(yīng)可控，將發(fā)射機(jī)功率聚集到要求接收信號(hào)強(qiáng)度最優(yōu)的方向上。

為獲得上述功能，CR 應(yīng)具有對(duì)無(wú)線電環(huán)境等的感知能力，根據(jù)有關(guān)無(wú)線電管理的有關(guān)政策、規(guī)則，感知提供的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和推理的能力，以及可重構(gòu)的能力（圖5）。

圖5 CR須具備的能力

CR 的工作過(guò)程如圖6所示。

圖6 CR的工作過(guò)程

從CR 的應(yīng)用角度看，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括主網(wǎng)絡(luò)和CR 網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。

主網(wǎng)絡(luò)（許可網(wǎng)絡(luò)）：優(yōu)先占用某一頻段的網(wǎng)絡(luò)，一般有基礎(chǔ)設(shè)施，其中的主用戶運(yùn)作受該網(wǎng)絡(luò)基站控制；

CR 網(wǎng)絡(luò)（動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)，從網(wǎng)絡(luò)，未許可網(wǎng)絡(luò)）：沒(méi)有許可占用某一或某些頻段，CR 用戶設(shè)備應(yīng)有共享許可網(wǎng)絡(luò)頻段的功能。網(wǎng)絡(luò)中可有CR 基站，通過(guò)單跳連接到CR 用戶；此外可能有頻譜“拆分器”，用來(lái)在不同的CR 網(wǎng)絡(luò)中分布頻譜資源。

圖7 利用CR的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

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(yùn)作：CR 網(wǎng)絡(luò)要檢測(cè)主用戶使用該頻段的情況；一旦在CR 用戶使用的頻段出現(xiàn)主用戶時(shí)，CR用戶應(yīng)立即撤出該頻段，轉(zhuǎn)移到其他可用頻段去；

無(wú)許可用戶的頻段運(yùn)作：此時(shí)CR 用戶有接入該頻段的同等權(quán)利，CR 用戶要有先進(jìn)的競(jìng)爭(zhēng)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(jiàn)圖8），前者是為了適應(yīng)復(fù)雜的頻譜環(huán)境，挖掘頻譜資源的潛力；后者則是為了適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在不增加新硬件的情況下，通過(guò)軟件的運(yùn)作，獲得對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性。在5G 中，采用SDR，必須也得加入CR 的功能，才能達(dá)到頻譜共享的目的。

圖8 CR與SDR的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足大容量業(yè)務(wù)、海量用戶和多種應(yīng)用場(chǎng)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(duì)空中接口帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，通信設(shè)備需要具備更強(qiáng)的功能和應(yīng)變的靈活性，以硬件為主的基站與用戶終端（手機(jī)、平板電腦、機(jī)頂盒等）架構(gòu)已無(wú)法“招架”，于是過(guò)渡到以軟件為主導(dǎo)的架構(gòu)，如SDR、CR 等，這是十分值得關(guān)注和期待的。