6G：跨頻段協(xié)同通信

王海明/WANG Haiming，陳祎祎/CHEN Yiyi

（1.東南大學(xué)，中國(guó) 南京 210096；2.網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 南京 211111）

頻譜是移動(dòng)通信發(fā)展的基礎(chǔ)資源。早在3G時(shí)代，中國(guó)各大電信運(yùn)營(yíng)商就分別采用了不同的網(wǎng)絡(luò)制式。由于當(dāng)時(shí)的硬件能力受限，人們難以將不同的網(wǎng)絡(luò)制式融合至同一塊芯片中。相較于3G，4G支持更多的網(wǎng)絡(luò)制式和相應(yīng)的多種頻段，并催生出用戶(hù)終端多模多頻芯片的需求，使用戶(hù)在不同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域都能享受流暢的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和新服務(wù)、新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，此前基于Sub-6 GHz頻段的4G網(wǎng)絡(luò)將不再滿(mǎn)足通信需求，因此5G向毫米波頻段借力，利用毫米波實(shí)現(xiàn)高速率、低時(shí)延、海量連接的愿景。由于5G網(wǎng)絡(luò)包含Sub-6 GHz頻段與毫米波頻段，高低頻協(xié)同通信的理念因此被提出。未來(lái)6G時(shí)代將迎來(lái)新的體系變革，向更高頻段擴(kuò)展。然而，低頻段仍是6G發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，毫米波等高頻資源也將發(fā)揮更重要的作用?？珙l段協(xié)同通信能夠高效利用低頻和高頻資源，實(shí)現(xiàn)最佳的全頻譜組合效益，具有廣闊的應(yīng)用前景，將在6G時(shí)代得到進(jìn)一步發(fā)展。

1 跨頻段協(xié)同無(wú)線(xiàn)通信機(jī)制

雖然毫米波頻段頻譜資源豐富，但是波長(zhǎng)較短，在通信中存在嚴(yán)重的路徑傳播損耗和遮擋損耗問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋的代價(jià)很高。從實(shí)際情況來(lái)看，毫米波系統(tǒng)主要依托于Sub-6 GHz中低頻段來(lái)部署。Sub-6 GHz和毫米波相結(jié)合的跨頻段協(xié)同組網(wǎng)可滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)容量、覆蓋、性能等的要求。其中，Sub-6 GHz頻段仍是核心頻段，用于廣域覆蓋；毫米波頻段可作為輔助頻段，用于熱點(diǎn)區(qū)域速率提升。

電信運(yùn)營(yíng)商正大力支持跨頻段協(xié)同組網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)。那么如何利用高低頻相互協(xié)同來(lái)提升移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸性能成為關(guān)鍵。跨頻段協(xié)同傳輸引起學(xué)術(shù)界的重視。不少研究工作對(duì)比分析了高頻和低頻的信道傳播特性。研究結(jié)果表明，Sub-6 GHz頻段與毫米波頻段具有相似的空間特性。利用這一性質(zhì)可以找到評(píng)估跨頻段信道相似性的量化指標(biāo)，建立跨頻段信道相似性模型，以更好地為跨頻段協(xié)同通信方案的設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)，基于高頻和低頻的關(guān)聯(lián)性，在跨頻段協(xié)同組網(wǎng)中使用低頻信息輔助毫米波波束賦形，可以極大地減少毫米波訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)，提升跨頻段協(xié)同傳輸性能。

此外，終端也將同時(shí)支持Sub-6 GHz和毫米波網(wǎng)絡(luò)。這對(duì)終端天線(xiàn)提出較高要求。毫米波采用多天線(xiàn)波束賦形技術(shù)，其天線(xiàn)架構(gòu)與Sub-6 GHz天線(xiàn)架構(gòu)不一致。在設(shè)計(jì)終端天線(xiàn)時(shí)，終端設(shè)備需要集成多組不同功能的天線(xiàn)，在確保不同信號(hào)覆蓋需求的同時(shí)，還應(yīng)保證對(duì)前幾代移動(dòng)通信技術(shù)的后向兼容。

面向5G標(biāo)準(zhǔn)，第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）不斷擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)接入的頻譜資源范圍，定義了低頻FR1（410～7 125 MHz）和高頻FR2（24.25～52.60 GHz）兩大頻率范圍，并對(duì)載波聚合、雙連接技術(shù)、動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)等多頻段融合技術(shù)進(jìn)行持續(xù)演進(jìn)和增強(qiáng)。當(dāng)前，產(chǎn)業(yè)界主要關(guān)注單一頻段本身的傳播特性和某一頻段范圍內(nèi)多頻段融合技術(shù)的研究，對(duì)高低頻相結(jié)合的跨頻段協(xié)同通信研究尚且不足。相比于5G，6G需要更靈活、更高效地挖掘高頻和低頻的特性與優(yōu)勢(shì)，對(duì)頻譜資源進(jìn)行合理分配和靈活部署。6G需要規(guī)范化的跨頻段協(xié)同通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2 面臨的挑戰(zhàn)與建議

雖然學(xué)術(shù)界和工業(yè)界不斷推動(dòng)著跨頻段協(xié)同通信的發(fā)展，但是相關(guān)產(chǎn)業(yè)尚未完全成熟，跨頻段協(xié)同通信仍面臨諸多挑戰(zhàn)。我們需要進(jìn)一步探討如何利用創(chuàng)新技術(shù)解決跨頻段協(xié)同通信存在的多種難題。

（1）加大高低頻協(xié)同的研究力度。毫米波與Sub-6 GHz相結(jié)合大大提升了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和多樣性?？珙l段協(xié)同組網(wǎng)策略、跨頻段協(xié)同傳輸方案以及終端天線(xiàn)的設(shè)計(jì)等有待進(jìn)一步優(yōu)化。此外，我們還需要聚焦于高低頻協(xié)同通信原理，推動(dòng)跨頻段協(xié)同通信的網(wǎng)絡(luò)部署。

（2）提升毫米波產(chǎn)業(yè)鏈成熟度，促進(jìn)高低頻之間的高效融合。Sub-6 GHz產(chǎn)業(yè)應(yīng)用已相當(dāng)成熟，而毫米波產(chǎn)業(yè)較為薄弱。因此，我們需要完善毫米波設(shè)備功能，統(tǒng)一具體指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)保證跨頻段協(xié)同組網(wǎng)的功能和性能，促進(jìn)跨頻段協(xié)同通信的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（3）推動(dòng)跨頻段協(xié)同通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定與落實(shí)。目前，跨頻段協(xié)同通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，主要集中于學(xué)術(shù)界的研究?jī)?nèi)容。對(duì)此，我們應(yīng)全面推動(dòng)跨頻段協(xié)同通信的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程，不僅要在理論研究上支撐標(biāo)準(zhǔn)制定，同時(shí)還要針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，通過(guò)制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，切實(shí)推動(dòng)跨頻段通信技術(shù)的發(fā)展。

3 結(jié)束語(yǔ)

高低頻各有優(yōu)勢(shì)，各有側(cè)重，都是5G和6G系統(tǒng)不可或缺的組成部分，兩者并非對(duì)立關(guān)系，而是互相補(bǔ)充、互相配合的協(xié)同關(guān)系。跨頻段協(xié)同通信能夠整合全頻段頻譜資源，有效應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)、差異化需求。技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展往往是循序漸進(jìn)的，一旦技術(shù)成熟，跨頻段協(xié)同通信必將迎來(lái)廣闊的應(yīng)用前景，賦能千百行業(yè)。