5G/B5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)頻譜資源分配研究*

曹 倩，王海玲

（中國電波傳播研究所，山東 青島 266107）

0 引言

我國移動(dòng)通信經(jīng)歷了2G跟隨、3G突破、4G同步，5G引領(lǐng)、B5G超預(yù)期的重大轉(zhuǎn)變。國家高度重視5G/B5G移動(dòng)通信發(fā)展，工信部、科技部、發(fā)改委共同組建了IMT-2020推進(jìn)組，部署5G/B5G發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)5G/B5G技術(shù)自主研發(fā)，促進(jìn)我國5G/B5G技術(shù)快速發(fā)展。目前，我國獲得的5G/B5G技術(shù)專利在全球?qū)＠麕熘姓急冗_(dá)到32%，居全球首位。2019年6月6日，我國工業(yè)與信息化部向三大運(yùn)營商和中國廣電頒發(fā)5G商用牌照，中國正式宣布進(jìn)入5G商用。我國的B5G研究試驗(yàn)工作也在積極推進(jìn)，取得了重大進(jìn)展。2019年不僅是中國5G商用元年，也是世界各國對(duì)5G技術(shù)爭奪爆發(fā)的一年，各國開展了一場時(shí)間競賽。其中，韓國在美國前1 h搶得了全球5G網(wǎng)絡(luò)商用首發(fā)，此后世界各國相繼入局，紛紛提速研發(fā)，不惜余力調(diào)動(dòng)科研團(tuán)隊(duì)研究5G/B5G的發(fā)展，以爭搶5G/B5G市場?？梢?，2020年將是5G大規(guī)模商用之年。

1 5G頻譜需求分析

頻譜資源是無線通信發(fā)展的核心資源，頻譜需求擴(kuò)張導(dǎo)致頻譜資源緊缺，而人們對(duì)無線通信應(yīng)用場景的愿望又決定了對(duì)頻譜的需求。5G/B5G應(yīng)用愿景為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠與低延遲通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communication，uRLLC）和大規(guī)模機(jī)器類通信（Massive Machine Type of Communication，mMTC）3大 類。eMBB是指在現(xiàn)有移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)場景的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高用戶體驗(yàn)等性能。uRLLC主要面向要求低時(shí)延、高可靠連接的業(yè)務(wù)。mMTC應(yīng)用在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)上，主要面向以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景。表1給出了5G/B5G應(yīng)用場景、典型業(yè)務(wù)、能力要求以及頻段的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1-3]。

表1 5G/B5G三大類應(yīng)用場景與能力要求關(guān)系

為了滿足5G/B5G三大愿景需求，5G/B5G需要統(tǒng)籌高中低全頻段頻譜。其中，3 GHz以下為低頻段；3～6 GHz為中頻段，6～300 GHz為高頻段，也稱毫米波頻段。低頻段提供廣域覆蓋；中頻段提供容量與覆蓋支持；毫米波頻段覆蓋范圍小，但能夠提供連續(xù)的大帶寬，滿足熱點(diǎn)區(qū)域極高的用戶速率和高系統(tǒng)容量，能為用戶提供低時(shí)延。

2 5G/B5G頻譜劃分

5G/B5G從一開始就制定全球統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使得5G/B5G能為全球共享。國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）組織世界各國召開世界無線電通信大會(huì)（World Radiocomunication Conferences，WRC）開展標(biāo)準(zhǔn)制定工作，為5G/B5G尋找新的頻率劃分。

WRC-15會(huì)議在6 GHz以下中低頻段，為5G尋求新的頻率劃分。會(huì)議之前，ITU根據(jù)各國頻譜使用情況提出了19個(gè)5G候選頻段，詳見表2。

經(jīng)過各國協(xié)商討論，將1 427～1 518 MHz、3 400～3 600 MHz、3 300～3 400 MHz、4 800～4 990 MHz頻段確定為5G使用頻段；在不對(duì)鄰國廣播業(yè)務(wù)產(chǎn)生任何影響的前提下，把470～698 MHz、694～790 MHz或其中的部分頻段用于5G系統(tǒng)[4]。

WRC-15會(huì)議還確定把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頻段以及附加劃分頻段31.8～33.4 GHz、40.5～42.5 GHz和47～47.2 GHz，作為候選頻段提交給WRC-19會(huì)議為5G/B5G確定新頻段[4]。6 GHz以上高頻段是支持超高速率、低時(shí)延、超大容量業(yè)務(wù)需求的核心資源，對(duì)未來5G/B5G系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要。

表2 為5G選定的19個(gè)候選頻段

2019年10月，世界無線電通信大會(huì)（WRC-19）在埃及召開，經(jīng)過討論和磋商達(dá)成一致意見，把24.25～27.5 GHz、37～43.5 GHz、66～71 GHz確定為未來5G/B5G毫米波新頻段；在45.5～47 GHz、47.2～48.2 GHz，部分地區(qū)部分國家在腳注中標(biāo)識(shí)用于5G/B5G[5]。此外，會(huì)上還將275～296 GHz、306～313 GHz、356～450 GHz頻段確定為5G/B5G候選頻段，提交給下屆WRC-23會(huì)議討論。圖1為5G/B5G頻譜圖。

圖1 5G/B5G頻譜

3 各國5G/B5G劃分現(xiàn)狀

3.1 我國實(shí)現(xiàn)5G/B5G跨越

2017年11月9日，工信部將3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz頻段作為5G系統(tǒng)的頻譜劃分頻段。2018年12月10日，工信部向中國三大運(yùn)營商正式公布5G系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)頻率使用許可。2019年6月6日工信部正式向三大運(yùn)營商和中國廣電發(fā)放5G商用牌照，加速推進(jìn)我國5G商用。至此中國電信獲得3 400～3 500 MHz頻段，中國移動(dòng)獲得2 515～2675 MHz和4 800～4 900 MHz頻段，中國聯(lián)通獲得3 500～3 600 MHz頻段，中國廣電獲得698～806 MHz黃金頻段和4.9 GHz頻段。此次劃分的5G系統(tǒng)頻率以100 MHz左右連續(xù)帶寬為主，有利于充分發(fā)揮5G中頻段兼顧大容量和連續(xù)覆蓋的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于高頻段，工信部經(jīng)過公開征求意見和建議，于2017年7月批準(zhǔn)將24.75～27.5 GHz和37～42.5 GHz兩個(gè)頻段用于我國5G/B5G試驗(yàn)。華為、中興等廠商完成了毫米波關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和測(cè)試，其結(jié)果遠(yuǎn)超預(yù)期。我國計(jì)劃2022年實(shí)現(xiàn)毫米波商用部署。

3.2 歐盟發(fā)布統(tǒng)一頻譜戰(zhàn)略

歐盟無線頻譜政策工作組（Radio Spectrum Policy Group，RSPG）在2016年11月和2018年1月二次發(fā)布?xì)W洲5G頻譜分配報(bào)告，明確將分配的頻段限制在WRC-15的候選頻段內(nèi)，1 GHz以下700 MHz頻段將用于5G廣域覆蓋，3 400～3 800 MHz頻段作為2020年前歐盟B5G部署的主要頻段，24.25～27.5 GHz、31.8～33.4 GHz、40.5～43.5 GHz作為高頻毫米波段頻譜規(guī)劃。

3.3 韓國搶先首發(fā)商用

2017年韓國回收已發(fā)放的3 400～3 700 MHz頻譜，后續(xù)作為5G頻譜，并在2018年6月重新進(jìn)行拍賣。這次拍賣了280 MHz帶寬的頻譜資源，韓國三大運(yùn)營商LG獲得80 MHz帶寬，KT獲得100 MHz帶寬，SK電信獲得100 MHz帶寬。同時(shí)拍賣的還有26.5～28.9 GHz頻段共2 400 MHz頻譜資源，三大運(yùn)營商各獲得800 MHz。目前，韓國商用是基于5G的3.5 GHz頻段，5G/B5G的試驗(yàn)在28 GHz頻段進(jìn)行。

3.4 美國中低段頻譜資源不足

美國6 GHz以下中低段頻譜資源特別稀缺，尤其是最寶貴的3.4～4.8 GHz早已被軍事占用，最合適做5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的頻段無法用于5G系統(tǒng)，這也是當(dāng)前美國5G建設(shè)落伍的原因之一，因此不得不直接部署毫米波頻段。2016年7月美國FCC發(fā)布毫米波頻率計(jì)劃，規(guī)劃27.5～28.35 GHz、37～38.6 GHz、38.6～40 GHz、64～71 GHz頻段共10.85 GHz帶寬用于5G/B5G系統(tǒng)。2017年11月16日，美國FCC又批準(zhǔn)將24.25～24.45 GHz、24.75～25.25 GHz和47.2～48.2 GHz頻段共1 700 MHz帶寬用于5G/B5G系統(tǒng)。美國FCC在2019年6月完成了28 GHz和24 GHz頻譜拍賣，2020年3月完成了37 GHz、39 GHz、47 GHz頻段的頻譜拍賣，分別由Verizon和AT&T公司獲得。

3.5 日本發(fā)展不及預(yù)期

日本在部署前幾代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)方面享有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，但在5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展日本開始處于相對(duì)落后地位，不及中、韓、美三國。日本5G主要布局在3 600～3 800 MHz和4 400～4 900 MHz頻段，三大電信營運(yùn)商N(yùn)TT DoCoMo、KDDI和SoftBank及新踏入此行業(yè)的Rakuten Mobile取得5G頻譜資源。NTT DoCoMo 和KDDI在3.7 GHz及4.5 GHz頻段取得較多帶寬，有利主導(dǎo)5G技術(shù)競爭。日本毫米波頻段規(guī)劃在27.5～29.5 GHz。

4 頻譜資源分配應(yīng)考慮的問題

科學(xué)、合理地進(jìn)行5G/B5G頻譜分配，有利于實(shí)現(xiàn)5G/B5G各種應(yīng)用愿景，避免系統(tǒng)間和業(yè)務(wù)間沖突，化解供需矛盾，高效利用頻譜資源。5G/B5G頻譜分配需要考慮下列問題。

4.1 需求及應(yīng)用場景問題

5G/B5G應(yīng)用場景復(fù)雜多樣，不同場景具有獨(dú)特的技術(shù)特性，因而所需的頻譜資源各不相同。例如，車聯(lián)網(wǎng)是在高可靠、低時(shí)延通信場景下的典型應(yīng)用；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景中存在大量的機(jī)器人、傳感器、機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備之間需要以穩(wěn)定、高效的方式進(jìn)行海量連接。從帶寬需求而言，6 GHz以下頻段被衛(wèi)星、廣播、無線電定位等各種無線電業(yè)務(wù)占用，很難找到大帶寬的頻譜資源，6 GHz以上相對(duì)而言頻譜資源豐富，能夠提供連續(xù)的大帶寬，6 GHz以上天線方向性強(qiáng)，能夠滿足某些短距離通信傳輸。

4.2 電波傳播特性

不同頻段的無線電波傳播方式和特點(diǎn)是不同的。6 GHz以下中低頻段,路徑損耗小，傳播距離遠(yuǎn)，適合廣域連續(xù)覆蓋、流量適中的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。6 GHz以上的毫米波頻段，隨著頻率的增大波長變小，繞射能力減弱，路徑損耗變大，使得接入網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑變小，是毫米波通信的缺點(diǎn)。但是，毫米波時(shí)延小，傳播速度快，帶寬寬，適合于低時(shí)延、高速率、高可靠性的5G/B5G通信系統(tǒng)。因此，頻率劃分需要根據(jù)不同頻段電波傳播特性合理規(guī)劃頻譜，以更好地滿足5G/B5G系統(tǒng)需求。

4.3 用頻協(xié)同與系統(tǒng)兼容

5G/B5G系統(tǒng)頻譜分配，應(yīng)避免與現(xiàn)存的無線電業(yè)務(wù)沖突，以確保通信系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)能夠正常工作。例如，在毫米波頻段，現(xiàn)存著衛(wèi)星、射電天文、固定等多種無線電業(yè)務(wù)。當(dāng)兩系統(tǒng)鄰頻共存時(shí)，要考慮用頻協(xié)同、系統(tǒng)兼容，有效避免5G/B5G基站對(duì)衛(wèi)星地球站等的干擾。在頻譜規(guī)劃時(shí)應(yīng)立足長遠(yuǎn)，預(yù)測(cè)各種可能因素，進(jìn)行相關(guān)兼容性分析，計(jì)算相應(yīng)的干擾余量，解決系統(tǒng)之間的干擾協(xié)調(diào)問題，實(shí)現(xiàn)用頻協(xié)同與系統(tǒng)兼容。

4.4 動(dòng)態(tài)頻譜管理

目前，頻譜分配和使用多是采用靜態(tài)頻譜劃分使用規(guī)則，用戶對(duì)被授權(quán)的頻譜具有獨(dú)占性，即使某些頻譜資源暫時(shí)空閑，其他用戶也沒有權(quán)力使用。這種方式不利于頻譜資源高效利用，白白浪費(fèi)了原本就緊缺的頻譜資源。因此，需改變頻譜資源靜態(tài)化管理模式，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)打造動(dòng)態(tài)化頻譜管理，科學(xué)、有效、精細(xì)化地管理頻譜資源，化解供需矛盾，提高頻譜利用率[6]。

5 結(jié)語

全球5G/B5G商用提速，據(jù)IHS的研究報(bào)告稱，到2035年5G將在全球創(chuàng)造12.3萬億美元經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，到2035年全球5G價(jià)值鏈將創(chuàng)造3.5萬億美元產(chǎn)出。面對(duì)如此巨大的技術(shù)紅利，未來幾年5G/B5G技術(shù)競爭將更加激烈。合理分配、利用5G/B5G頻譜資源是實(shí)現(xiàn)5G/B5G商用的前提和保障。