5G网络中无线频谱资源分配的进展分析

陈 亮,杨 奇

(武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074)

5G网络中无线频谱资源分配的进展分析

陈 亮,杨 奇

(武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074)

现有LTE(长期演进)网络所使用的6 GHz以下频段难以满足日益增长的网络带宽的需求,而5G网络能够提供大量连续的频谱资源,是未来无线网络的基础。针对多种无线接入应用场景,提出影响频谱资源分配的各种因素和高低频段的一些分配方式。结果表明,复用低频段和增加新的高频段空口能够满足5G网络的需求。

第五代移动通信网络;频谱资源;6 GHz以上频段;24 GHz频段

0 引 言

5G(第五代移动通信)是IMT(国际移动通信)的下一阶段,ITU(国际电信联盟)将其正式命名为IMT-2020。随着万物互联时代的到来,越来越多的事物、人、数据和互联网联系起来,很多因素将会导致其对于更多授权型无线频谱或共享型频谱资源接入的需求。

5G网络是万物互联的第一步,无线频谱资源的分配和利用又是5G网络发展的第一步,因此频谱资源是决定其成败的关键。由于有良好的传输特性,6 GHz以下频段已成为业界研究的核心频段,5G将通过工作在该低频段的新空口来满足大覆盖、高移动性场景下的用户体验和海量设备连接[1]。然而针对大流量、高密度的需求,5G网络必须要有300 MHz以上的连续频谱作为支持,因此在6 GHz以下已很难找到满足如此大带宽的频谱资源,而6 GHz以上频谱资源更为丰富,业务划分与使用相对简单,能够提供连续大带宽频带。因此目前是在4～6 GHz频段内寻找合适的频谱,利用现有4G网络的基础建设平滑演进到5G网络,同时在6～100 GHz的高频段上开展频谱规划和高频新空口的研究工作。

1 影响频谱资源分配的各种因素

1.1 不同应用场景对频谱资源分配的影响

全球移动通信行业针对5G移动通信系统提出了多种应用和业务形式。其中既包括对于现有一些4G移动通信系统应用场景的增强,还更多地包括了一些新兴的应用,比如:4K/8K超高清晰度视频、VR(虚拟现实)、AR(增强现实)、物联网、可穿戴设备应用、面向垂直行业与商业领域的紧急任务应用等。ITU-R确定了5G的3大主要应用场景:增强型移动宽带、超高可靠与低延迟的通信和大规模机器类通信。这些应用类型均具有其独特的技术需求(比如:超过10 Gbit/s的峰值数据传输速率、100 Mbit/s的小区边缘数据传输速率、1 ms的端到端延迟/时延等[2]),从而需要设计具有足够能力的5G移动通信空口来予以满足,同时必须为其分配足够使用的无线频谱资源。这些应用的需求可以由现有4G移动通信系统的后续演进及已有的无线频谱资源来满足,而5G移动通信系统则可提供额外的能力使这些应用具备更好的用户体验,所以就需要提前考虑这些应用对于无线频谱资源需求的影响。

上述各种重要的应用类型,不仅将对5G无线接入的空口设计产生重大影响,同时也将对其实现

最优化运营所需的无线频谱资源的物理频宽及类型产生重大影响。在物理频宽影响方面,数Gbit/s级别的超高无线链路传输速率可以通过采取UWB (超宽带)载波来实现,移动通信无线接入网络需要具备UWB物理频段的无线信道(比如300～500 MHz),而移动前传和回传网络也应具备数Gbit/s级别的传输速率[3]。在无线频谱资源类型影响方面,主要在于面对各类紧急任务应用(比如公共安全)的超高可靠无线通信,此类应用场景往往需要无线电波能够很好地穿透地面及其他障碍物并实现泛在的网络覆盖,因此需要选用无线传输特性优良的低段物理频段,比如位于UHF(超高频段)的低段频段来完成;未来5G场景中的应用类型复杂多样,与之对应的无线频谱资源的影响也有很大的不同,如表1所示[3]。

表1 不同应用场景给频谱资源分配带来的影响

1.2 实际部署环境对频谱资源分配的影响

除了不同的应用场景之外,在实际部署环境中出现的一些问题同样会对无线频谱资源的分配产生较大的影响。比如,运行于相邻频段的无线系统与业务可能会影响蜂窝移动通信系统的性能,由于来自邻近信道的各种干扰因素,会影响到某些无线应用和业务所需要达到一定程度的无线频谱资源物理带宽总量。除了邻近信道的干扰,多个移动网络运营商也会带来诸多的影响,尤其是在非同步TDD (时分双工)网络中,运营商之间可能会产生系统间无线干扰,从而影响到各自无线接入网络的性能。因此,需要为每个移动通信运营商提供足够的无线频谱资源,同时,在各运营商网络之间、在移动通信无线接入网络与其他无线电系统之间设置一定的隔离频带,这样在无线频谱资源总量的预估上需要考虑相邻无线电系统提供适当隔离频带的需求。

当然,影响无线频谱资源的因素有很多,无线频谱复用和无线空口的能力都会导致无线频谱资源预估的误差。在无线频谱复用方面,出于对系统内无线干扰及系统间无线干扰的考虑,有时就有必要在相邻的无线接入网络内使用额外的物理频段,即重复使用更多的无线频谱资源,来为用户提供更好的网络覆盖、质量与容量。在无线空口设计方面,采用多天线技术(比如大规模天线阵列技术、多维波束赋形技术等)是提高无线频谱资源利用效率的方式之一,很有可能被应用于5G移动通信无线接入网络,因此,频谱资源利用效率也应被考虑进5G的无线频谱资源需求之中,并且新增额外的物理频段来对网络性能进行优化。

2 对频谱资源的分配方式的考虑

2.1 低频段频谱资源分配方式

5G移动通信可支持很大范围内的应用场景,由于对于性能及底层频谱的需求存在较大的差异,因此根据具体的应用和业务类型来选择相对应的物理工作频段就显得非常重要。比如,低频空口将利用6 GHz以下低频段良好的信道传播特性来满足某些类型的应用对于长距离传输的高稳定性能的需求。

由于移动网络运营商会将其LTE(长期演进)及后续演进系统迁移至5G网络,低于6 GHz频段的可用物理频段资源就显得非常重要。在LTE不断发展演进的过程中,可采用诸如高阶射频调制与三载波聚合等新技术来扩展LTE传输带宽的能力,这些新兴的LTE特性可在无需对无线频谱资源分配规则进行大幅修改的情况下,在低于6 GHz的物理频段中实现。因此,业界可以在低频段内继续部署4G网络的后续演进系统并逐步部署5G移动通信系统,由于原有的无线频谱资源是专门指定和分配的,而且位于授权型频段之内,就可以充分地利用已有的技术与特性。但是,为了使移动通信无线接入网络的各类新技术与现有已分配的授权型频段以相互兼容的方式实现商用部署,需要为其指配足够的、新的无线频谱资源,以满足移动宽带网络中数据流量与视频流量持续增长的需求。简而言之,在短

期之内,位于6 GHz以下的物理频段内的无线频谱资源可被用于扩展现有移动宽带网络的可用性及系统容量。需要提到的是,ITU-R M.2290在研究成果中报告,预计到2020年,全球国际移动通信所需的无线频谱资源总量在1 340 MHz(对于用户低密度分布的区域)到1 960 MHz(对于用户高密度分布的区域)之间[4],而仅对于全美洲区域,移动通信的频谱缺口就在389～1 009 MHz之间。因此,为了解决移动宽带接入网络短期需求不足的问题,对新增频谱资源的授权分配将势在必行。

2.2 高频段频谱资源分配方式

由于6 GHz以上的高频段信号指向性强且有极高的流量密度,能够满足另外一些类型的应用对短距离传输的超高数据吞吐量的需求。为了获得更多额外的物理带宽资源,将移动宽带接入服务的频谱资源扩展到6 GHz以上的物理频段是很有必要的,并且需要为每个移动网络运营商分配数百MHz的可用物理带宽,允许每个物理频段的共享与接入使用。对于高于6 GHz的物理频段,由于波长更小,在其上的移动宽带接入网络的覆盖半径就会减小,发射天线与接收天线之间的路径传播损耗就会与频率数值的平方成正比关系。此外,随着频率数值的增大,无线电波的穿透损耗与散射损耗等也会相应地增大,而这些损耗必须通过增大天线在发射端和接收端的增益来得以补偿,所以在6～30 GHz之间的频段需予以重点考虑。在非视距传输环境中,相比于高频段,低频段可以提供更为一致的网络覆盖能力,从而对某些类型的应用(比如实时视频传输)而言具有重要的现实意义;而在同样的非视距传输环境中,高频段移动宽带接入系统必须依赖于电波反射效应。但是,根据最近60 GHz段技术的研发,ITU-R已经制定了有效成本的解决方案用来克服目前高物理频段所带来的诸多问题[5]。由于具有潜在的连续、高带宽可用物理频段,30 GHz以上的物理频段也会用于对移动数据流量需求相当高的特定应用场景,比如,4K/8K高清晰度视频通信所需的高带宽数据传输以及数据中心之间大规模数据传输,并可用于人们之间进行高带宽的虚拟现实交互式通信。综上所述,根据不同物理频段的特性,必须要考虑如何有效地利用6～100 GHz频段来支持5G移动通信中的各类应用场景。

3 我国和其他国家对5G授权频段分配的进展

越来越多国家政府的通信监管部门已经启动了对于面向5G移动通信无线接入网络潜在新兴物理频段的确认和研究工作,同时还组织力量来研究相关物理频段的无线射频传播特性,并研发面向下一代移动宽带蜂窝接入网络的各个技术解决方案,这些研究工作均聚焦于6～100 GHz的物理频段。在全球范围内,不同国家和地区所采用的授权型物理频段专有使用权支配机制有所不同,一些国家对相关的业务类型建立无线频谱资源使用规则,并对频带内/外干扰进行了技术规范;而另一些国家则对用于提供移动通信及宽带数据接入服务的一组特定技术进行强制规定,并相应地分配专用的物理频段作为频谱资源。

我国已经开展了5G频谱需求预测、候选频段选取、部分频段传播特性测量以及电磁兼容分析等一系列研究工作。完成了5G面向2030年的频谱需求总量估算、6～100 GHz高频段候选频段优先级研究等工作。2016年5月31日召开的第一届全球5G大会上,工信部苗圩部长提出了“强化频率统筹,依托国际电信联盟,加强沟通协调,力争形成更多5G统一频段”的倡议,这也是我国5G频谱战略的指导方针。正是在此战略指导下,我国在WRC-15大会上与各国沟通协商一致后,最终确定了1 427～1 518 MHz的低频段作为5G新增的全球统一频率。而在高频段方面,我国还没有公布相关的提案,只是在前期研究工作中划分了部分候选频段作为今后研究的重点,包括25～30 GHz、40～50 GHz、71～76 GHz和81～86 GHz等。

FCC(美国联邦通信委员会)正式发布了将24 GHz以上频段用于5G移动宽带运营的新规范,美国成为世界上第一个为5G网络分配可用频谱的国家。该规范划分了5G网络的4个新的毫米波频段(如图1所示),包括28、37和39 GHz共3个授权频段、64～71 GHz的1个未授权频段以及授权频段中包含的一个37～37.6 GHz的共享频段[6],共有11 GHz的高频段频谱可供移动和固定无线宽带灵活使用,其中授权频谱带宽为3.85 GHz,未授权频谱带宽为7 GHz。FCC对新一代无线宽带服务、卫星和政府的频谱使用进行了平衡,也考虑了不同频谱接入方式的平衡,包括独家使用许可、共享接入和未授权接入,以满足各种不同的需求和使用案例。此外,规范还对超微波柔性应用[7](Upper Microwave Flexible Use)在28、37和39 GHz频段的新应用做出了指导,对64～71 GHz等未授权频段的使用也给予了说明。还定义了5G高频段基站设备

的一些技术规范,比如基站收发功率、手机和传输功率等相关技术指标。

图1 FCC定义的高于24 GHz频段资源的划分规则

4 结束语

国际电信联盟预测,到2020年,移动连接数总量将有望达到92亿,使得下一代移动宽带系统有着新的、额外的、可重新调整的无线频谱资源需求。随着4G移动通信系统不断地平滑演进到5G移动通信系统,低于6 GHz频段的频谱资源将显得非常有价值,同时,虽然存在很大的挑战(来自技术和国际的合作),业界都有能力将移动通信与无线宽带数据接入服务提高到高于6 GHz的物理频段,因此,无论高低频段均需要分配各种新的物理频段来满足网络覆盖问题以及系统容量的迫切需求。低频段既可用于宏基站部署、也可用于小基站部署;高频段有大量且连续的无线频谱资源,在毫米波频段可用的物理带宽更大,从而在特定区域,尤其是对于移动数据流量需求越来越大的热点区域内提供超高的数据传输速率。最后,为了推动高频段频谱资源的高效利用,需要全球各国达成共识,共同采取相关的实际行动来确认已经提出的新4G无线频谱需求,同时及时地递交5G新频谱资源划分的提案,以便ITU-R进行深入的研究,进一步推动5G频谱资源的统一规划,促进全球移动通信在学术和产业上的发展。

[1]IMT-2020(5G)推进组.5G无线技术架构白皮书[EB/ OL].(2015-05-29)[2016-08-17],http://www.imt-2020.org.cn/zh/documents/download/61.

[2]ITU-R M.2083-2015,Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S].

[3]4 G Americas-2 0 1 5,5 GSpectrum Recommendations White Paper[S].

[4]ITU-R M.2290-0-2013,Future spectrum requirements estimate for terrestrial IMT[S].

[5]ITU-R M.2376-0-2015,Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHz[S].

[6]FCC 15-340310A1-2016,Rules to Facilitate Next Generation Wireless Technologies[S].

[7]FCC 15-138A1-2016,Use of Spectrum Bands Above 24 GHz For Mobile Radio Services[S].

Analysis of Spectrum Occupation and Perspectives of 5G Network

CHEN Liang,YANG Qi
(State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks,Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications,Wuhan 430074,China)

Currently,LTE network below 6 GHz spectrum is difficultto meet the growing demand for ultra-wideband.5G can provide a large number of continuous spectrum bands,which is the foundation of the future wireless network.For a variety of application scenarios,the factors that affect the spectrum occupation and the ways of occupation for high and low frequency bands are proposed.The results show that re-using lower band and new higher band could meet requirements of 5G in future.

5G networks;spectrum band;above 6 GHz bands;24 GHz bands

TN929.1

A

1005-8788(2016)06-0068-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.19

2016-08-17

陈亮(1977―),男,湖北武汉人。工程师,硕士研究生,主要从事无线通信技术和网络的研究。