5G频谱策略研究

刘婧迪, 李男, 潘峮, 刘光毅

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

当前，随着世界范围内的4G网络全面部署和智能终端的普及，移动互联网和物联网呈现快速发展态势，各种新型业务不断涌现，网络流量和连接终端数开始迅猛增长。移动通信已经深刻地改变了人们的生活，但人们对更高性能移动通信的追求从未停止。4G系统将难以满足2020年后用户和业务对移动通信网络的需求。5G系统的出现，正是为了满足各种新业务及更高性能的需求，它将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。

可以预见，未来移动宽带的应用需要更多的频谱，在现有已划分和确认的频谱基础上，基于用户数、签约数量（2020年100亿）以及业务量增长的测量，根据ITU-R M.1768的频谱预测方法，从WRC-07起，到2020年，全部所需频谱量为1 280～1 720 MHz。新的WRC-15的预测显示，到2020年全球的频谱需求量将达到1 340～1 960 MHz。

一方面，基于现有频率资源，3GPP LTE-Advanced（Release 12）技术至少在峰值速率和用户体验速率两项关键能力上无法满足5G的需求，且存在较大差距，需要更大频率带宽来支持。6 GHz以下频段已很难找到连续的大带宽频谱，5G需要向更高的频段发展。另一方面，由于要满足用户时时在线的需求，保证用户的高速移动性，还必须借助低频段提供良好的网络覆盖。因此，5G时代势必需要采用高低频段结合的频谱使用方式。

1 5G频谱需求

频谱资源是推动移动通信与信息产业发展的核心资源，4G发牌尘埃刚刚落定，5G频谱战略研究已火速拉开帷幕。国际电信联盟（ITU）把为2020年移动通信寻找新的频谱资源列为2015年底即将召开的世界无线电通信大会（WRC-15）的首要议题。根据ITU的预测，全球范围内到2020年IMT总频谱需求是1 340～1 960 MHz，2018年无线局域网在5 GHz频段上的最小频谱需求约为880 MHz。其中，我国到2020年IMT总频谱需求是1 490～1 810 MHz，目前还存在约800～1 100 MHz的频谱资源缺口。与此同时，我国IMT-2020推进组频率组开展了面向2030年频谱需求预测，结果显示我国到2030年还需要约5～10 GHz左右的频谱。

5G的表征维度相对4G更为丰富和全面，很多关键技术指标都与频率是强相关的。因此，可以预见5G时代频率对技术的引导性作用将更为明显。除了低频段频率外，必须引入高频段频率（如毫米波频段）才能满足5G的需求。引入高频段频率就需要进行新的空中接口设计，引发物理层、网络协议和架构等一系列技术革新，形成一套全新的5G技术体系。因此，高频段频率的选择及划分进程将是引领5G技术变革的关键。国际电联5G关键能力及取值如表1所示。

2 5G频谱推动策略

5G要面向移动互联网、物联网等多样化应用场景，一方面，需要高频段连续大带宽频谱，满足5G业务速率需求；另一方面，需要满足用户时时在线的需求，保证用户的高速移动性，还必须借助低频段提供良好的网络覆盖。因此，5G时代势必需要采用高、低频段结合的频谱使用方式。

如图1所示，从5G技术路线角度出发，为了满足5G提出的3个技术演进路线，频谱方面既需要深耕现有频率资源，又要挖掘包含5G低端和高端频率在内的新频率。

2.1 深耕现有频率资源，科学监管，促进向5G平滑演进

在世界无线电大会2007（WRC-07）上，国际电联通过决议，将已划分给IMT-2000技术（3G）的频谱用于IMT技术（3G/4G/5G等），新划分频率也不再区分具体技术，统一划分给IMT技术使用。因此，从无线电规则讲，已划分给2G/3G/4G技术的频率都可以被5G技术所使用，且由于已划分频率大都属于低频段，具有良好的传播特性和穿透特性，若能深度挖掘其潜力，它们将成为5G技术的重要资源组成，满足用户移动性和时时在线的需求。

2.1.1 以市场需求为导向，推进频率与技术松耦合，实现向5G的平滑演进

在WRC-07后，各国政府和管理机构大都顺应趋势，逐渐放松对频率使用技术的管控，允许运营商根据市场需求自行选择合适技术，取得了较好的反响。

韩国政府在本国4G市场的快速发展中扮演了重要的推动者和仲裁者角色。在4G发展初期，由于新的频率很难保障，韩国政府鼓励运营商在现有频率上进行网络升级。韩国运营商SKT和KT选择在已有的1.8 GHz频段升级，LGU+选择在2.1 GHz频段进行升级，充分利用了已有的天面资源和站址资源，快速形成了良好的4G网络服务能力。此外，KT在4G网络商用之前，申请关闭1.8 GHz频段的2G服务，但遭到约10万用户的反对。经过权衡，韩国法院支持KT关闭2G服务，使得KT可以将全部的1.8 GHz频率用来开展4G服务，极大提升了其市场竞争力。5G时代，更需要管理机构顺应市场和技术发展需求，合理引导运营商在已有频率向5G平滑演进。

图1 无线技术路线与场景

移动通信的核心是保障用户随时、随地接入网络并获得优质服务。4G时代如此，5G时代更是如此。良好的网络覆盖，对实现业务的连续性和体验的一致性、保障用户感受非常关键，而充足的带宽也是承载爆炸性增长的业务量的根本保证。为支持国内4G发展，我国在2.3 GHz和2.6 GHz等频段为4G（TDLTE）规划了近300 MHz商用频率，近期，也为4G（LTE FDD）在1.8 GHz频段规划了50 MHz试验频率。丰富的频率资源虽为4G（TDD/FDD）承载高速数据业务提供了有效支撑，但由于频段较高，传播特性和穿透特性较差，这些频率很难作为4G及未来5G的基础覆盖频率。

表2给出不同频段LTE承载12.2 kbit/s话音业务时的覆盖能力，900 MHz频段相对1.8 GHz和2.6 GHz频段的覆盖增益明显。1 GHz以下低端频率以其与生俱来的传播优势，势必成为未来5G时代连续覆盖和深度覆盖的重要频率。而目前很难在1 GHz以下频段寻找到新的频率，较好的方式是挖掘现有2G技术（CDMA/GSM）的850/900 MHz频段能力。若政府允许运营商根据市场和产业需求在上述频段开展技术升级，这无疑将极大加速我国的4G商用化进程，也为未来5G的基础覆盖频率提供了重要保证。

2.1.2 积极倡导FDD/TDD融合发展，提升频率使用效率

FDD/TDD融合发展是全球趋势，也是同时拥有FDD和TDD频率运营商的必然选择。4G的FDD和TDD已不再是两种不同的技术制式，而是统一技术制式的两种不同频率资源使用方式。随着4G技术向5G的不断演进，FDD和TDD将走向更深层次的融合。通过融合可以更好地发挥FDD和TDD各自的频率和技术优势。例如利用成对的FDD频率承载话音等上下行对称业务，利用TDD频率承载视频点播等非对称数据业务，发挥TDD上下行时隙灵活配置优势，可最大限度地提升已有频率的利用效率。图2给出了一种典型的FDD/TDD融合网络部署方式，即利用载波聚合或者多流并行传输方案，终端可以同时使用TDD和FDD资源，有效提高用户峰值速率和小区容量，实现快速负载均衡。其中，TDD+FDD载波聚合方案和多流并行传输方案分别适用于共基带和不共基带的不同双工模式的小区的联合传输。

图2 FDD/TDD融合网络部署方式

表2 LTE承载12 kbit/s话音覆盖能力链路预算

全球主流运营商几乎都同时拥有FDD和TDD频率，但除少数同时部署了FDD和TDD网络外，大都对TDD频率持观望态度。据全球移动设备供应商协会（GSMA）统计，截至2015年4月，全球已部署了391张LTE商用网络，但只有澳大利亚运营商Optus、加拿大运营商Sasktel、中国移动香港公司及日本运营商软银等部署了22张FDD+TDD联合网络。按照目前网络发展和流量增长的速度预测，未来2～3年，主流运营商的FDD频率资源将面临枯竭的困境。若无法在短时期内形成成熟的FDD/TDD融合组网解决方案，将很可能导致这些运营商全面放弃TDD技术，转而将TDD频谱用于FDD的下行补充。这将极大地威胁TD-LTE产业未来的全球化发展，也势必对TD-LTE向5G演进产生不利影响，降低我国在5G技术上的影响力。因此，迫切需要政府把握融合的关键时间窗口，积极组织3家运营商及时开展以TDD为主的FDD/TDD融合组网试验，快速验证融合组网的高效的频率使用优势，并将成功经验在3GPP、GTI、NGMN及GSMA等国际标准化组织或行业组织中进行积极推广，带动FDD/TDD融合的全球规模化发展，为5G时代的进一步融合，实现我国全面引领打下重要基础。

表3 WRC-15 1.1议题重点研究频段及支持情况

2.2 近中期推动以C波段为核心的低频段频谱，为5G储备低端频率

ITU预测2020年IMT系统将需要1 360～1 940 MHz频率，我国届时的频率需求为1 490～1 810 MHz，尚存约800～1 100 MHz的频率缺口。包括我国在内的众多ITU成员需在WRC-15和WRC-19上为IMT积极争取新的频率。

如表3所示，从目前各国已提交的建议来看，候选频段基本都集中在6 GHz频段以下，尤其是3～4 GHz这个以C波段下行为核心的频段。可以预期在WRC-15之后，C波段将成为IMT发展的又一个黄金频段。

我国向ITU提交了包括3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz和4 800～4 990 MHz等候选频段的建议。但上述候选频段目前国际上支持的国家很少，预计很难在WRC-15上成为IMT频率或成为国际主流的IMT频率。我国在WRC-07上推动2 300～2 400 MHz频段时，也面临了相同的困境。当时，我国率先提出将2.3 GHz频段作为IMT频率的建议，但并没有获得其他国家的响应和支持。通过不懈努力和积极斡旋，最终成功将该频段纳入IMT频率。虽然当时并没有其他国家表示将会使用该频段，但随着IMT系统频率需求的快速增长，2.3 GHz频段端到端产业的成熟，以及我国在ITU、3GPP、GTI等标准化组织和行业组织的各种场合的大力推动，最终2.3 GHz频段的使用在欧洲、非洲、亚太部分国家等地取得突破，未来有望成为国际统一的IMT频率。因此，为应对上述不利局面，在WRC-15上取得理想结果，需要我们坚定信心，做好客观的预期和充分的预案，并参考WRC-07经验，除全力争取我国主推的频段成为IMT频率外，也争取将C波段中的部分频段纳入IMT囊中，推动频段国际化，形成全球产业链。在6 GHz以下频段实现突破，为5G技术储备低端频率。

2.3 中远期布局6 GHz以上频谱，为5G储备高端频率

高频段频率的选择将直接影响后续5G技术研究的方向和产业资源的聚焦点。主流电信发达国家都期望拔得头筹，将自身有足够积累的频段推动成为国际统一的5G频率，实现本国产业利益的最大化。但在高频段如毫米波段上进行移动通信是一个全新的研究课题，业界对此还没有一个清晰和统一的认识。因此，需要采取积极审慎的态度进行高频段研究和产业化的推进。图3归纳了部分已经对5G高频段有一定研究的国家对于高频段候选频段的观点。

图3 部分国家高频段候选频段

在5G研究的伊始阶段，结合我国高频段频率的可用情况、技术积累及产业化能力，遵照连续大带宽、共存性能好、国际一致性的高频段候选频段选取原则，我国已初步提出如图4所示的我国在6～100 GHz范围内IMT潜在候选频段、优先级以及主要业务划分情况。

后续，建议我国在此基础上进一步收敛确定5G的高频重点频段，大力引导民族企业开展相关预研和产业化投入，提早进行知识产权和产业化布局，推动我国建议的频段成为国际电联的主流5G工作频率，为未来的产业化营造良好的生态环境。此外，应组织国内企业积极参与3GPP中高频段相关工作，影响相关标准化节奏和方向，争取将我国在高频主推频段上的“软积累”和“硬积累”真正落地。通过频率的“早确定、早划分、早标准、早实现、早应用”，实现“2G时代跟随、3G时代突破、4G时代同步、5G时代引领”的宏伟战略目标。

3 5G频谱演进路线初步考虑

从需求和技术演进角度看，为了满足5G时代移动通信爆炸性增长的频率需求，既要秉承高低频率协同发展的原则，又要在提升现有频率资源效力的同时，大力挖掘新的频率资源，且几种频率获取方式应保持一定的节奏。

3.1 近中期

一方面，重点以加速现有2G/3G/4G频率的技术演进及促进多运营商开展FDD/TDD融合发展为主，充分挖掘已有频率资源的利用效率，保证未来5G技术的低频段资源供给，满足5G的基础覆盖和移动性需求。

另一方面，应在WRC-15尽可能多地为IMT争取6 GHz以下频率，积极推动以C波段为核心的低频段频谱的国际化和全球一致规划，促进技术和产业成熟，以充分使用6 GHz以下频率。

3.2 中远期

及时确定我国5G高频重点推动频段；争取在WRC-19阶段推动高于6 GHz以上的高频段划分，并积极参与以及在3GPP中开展5G高频段的研究及标准化，争取将我国在主推频段的“软硬积累”落地。至2020年，完成5G低频段及高频段整体技术标准工作。

4 总结

图4 高频段候选频段及优先级

本文首先分析了为满足5G的需求和技术使得频率具有多元化的组成方式，提出了以高低频率协同发展为原则，以提升现有频率使用效率与挖掘新频率资源相结合为手段的5G频率综合解决方案，并给出了迈向5G的频率演进路线的初步考虑，为我国制定5G整体频率演进策略提供了技术参考。