高频段频谱特性及利用方法探讨

为了探讨高频段频谱的特性及其利用方法，首先初步给出高频频谱的概念，从频谱资源可利用的标准出发，给出了国内可分配的高频频谱，并探索了高频频谱的独有特性，论述了高频对组网产生的影响，在此基础上提出了几种可能的利用方式，为今后的5G建网提供建议。

高频频谱 衰落 物联网 频谱重耕

1 高频段频谱概述

截至目前，并没有一个完全准确的对高频段频谱的定义，只是因为当前国际上大部分的通信系统都部署在6 GHz以下，因此将6 GHz以上的频谱称之为高频段频谱，而将6 GHz以下的频段则称之为中低频段[1]。WRC-15（2015 World Radio-communication Conference，2015年世界无线电通信大会）审议也确定将在6 GHz以上的频段为IMT（International Mobile Telecom，国际移动通信）寻求的新频率，以供今后的5G系统使用。由于5G正成为整个通信行业的研发重点，而频谱作为移动通信的基础资源，其规划很大程度上将左右5G的发展方向，因此本文所指高频段也更多地针对5G系统。

关于5G的高频频谱研究，ITU早在2012年便启动了相关工作，包括成立标准化组织、实施企业推动，并在2016年初启动5G技术性能需求和评估工作[2]。而在频谱方面，业界对5G的认知基本趋同，即6 GHz以下频段难以完全满足5G需求，各国一致支持在WRC-19为IMT寻找位于6 GHz—100 GHz的新频率资源[3]，新频率资源必须满足以下标准：

（1）平滑性：满足前向兼容，即兼容现有移动通信系统及业务，尽量避免系统间的干扰；

（2）连续性：至少满足上百MHz的连续频谱；

（3）实现性：考虑工业化生产精度的要求，确保可生产。

在中国，由国家无线电监测中心承担了无线电监测和无线电频谱的管理工作，对于6 GHz—100 GHz的频谱资源分配如图1所示：

美国在2016年7月14日由FCC（Federal Communications Commission，美国联邦通信委员会）以5票赞同、0票反对的结果正式公布将24 GHz以上频段用于5G，这使得美国成为世界上首个将高频频谱用于下一代移动通信的国家，力图抢占国标频谱话语权[4]。FCC规定了用于5G的4个高频段，包括28 GHz、37 GHz、39 GHz等3个授权频段，以及64 GHz—71 GHz的未授权频段。

对高频频谱的需求预测一般基于历史用户规模数据，并充分考虑业务特性及增长测量[5]。为此，ITU估计到2020年将需要1360 MHz—1940 MHz的高频频率，而中国将至少需要1490 MHz—1810 MHz频率，至今仍然存在约800 MHz—1100 MHz的高頻缺口[6]。因此，对高频段频谱的特性分析以及如何利用是一个值得探讨的话题，本文接下来将对此进行探讨。

2 高频段频谱特性及影响

对高频段频谱的研究离不开传播模型，而影响传播模型的也是大小尺度两类参数[7]。其中，大尺度衰落包括路径损耗、阴影衰落和穿透损耗等慢速变化特性；而小尺度衰落则包括多普勒频移、多径效应等快速变化特性。

路径损耗与载波频率、距离都存在一定关系，把路径损耗与距离的关系定义为距离因子，从而寻求不同高频段的距离因子关系。从ITU与CJK（中日韩）的研究结果可看出[8-9]，高频与中低频的距离因子其实相差不大，其产生的路径损耗基本可以克服，但在阴影衰落上面，由于高频频谱的散射与衍射能力大为降低，导致阴影衰耗会更高。高频频谱的大尺度衰耗具体如表1所示：

同时，根据目前对高频频谱穿透损耗的测定，高频频谱的建筑物穿透损耗在30 dB～40 dB左右，而人体损耗在20 dB～30 dB左右，相比传统中低耗设定的20 dB穿透损耗，也高出许多。

小尺度方面，高频粒子性更强，会导致频率偏移更多、多普勒频移更大。但由于多径取决于反射，高频反射能力差，所以高频频谱的多径效应差，用户间的相关性降低，更有利于多用户的复用，这也是5G采用NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access，非正交多址）的原因之一。

鉴于高频频谱的这些传播特性，在发展规划5G高频通信时应该充分注意到：

（1）混合组网

混合组网包括密集、超密集、扁平异构等组网方式。高频频谱大尺度损耗综合较大，带来的直接后果便是覆盖距离小、网络密集或超密集，因此无法单独组网。高频网络重点照顾室内外的热点区域，吸收话务，网络主体覆盖主要由低频完成，同时借助飞蜂窝、皮基站等技术完成回传或辅助覆盖，形成一个结构差异化、层次不同的异构网络。

（2）无线传输

正如上文所述，高频频谱粒子性强、用户相关性低，非常适合MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）技术的使用。高频段首先带来设备尺寸的小型化，在相同规格的前提下可实现更多的增益，相关性低使得用户干扰小，大规模阵列成为可能。同时，为物联网应运而生的5G，由于高频的短距离传输，也使得D2D（Device to Device，设备到设备）短距离通信能够实现低时延、高吞吐率。

（3）产业化困难

现有移动通信系统更多集中在2 GHz—5 GHz，这意味着大多数的硬件，如双工器、功放、高性能滤波器等，甚至是电磁兼容技术都是中低频段的。在高频通信普及之前，必须保证高频器件应用的理想性，包括能耗与稳定。

3 高频段频谱利用方式

研究高频谱只是针对现有中低频谱资源日益稀缺且现有频谱未能及时释放的情况。拓展高频的利用包括两个方向：发展适用高频段频谱的5G技术以及提高高频的频谱效率。前者包括高级物理层（多址、调制、编码等）、MIMO、双工通信、干扰控制技术等，后者则包括多制式接入、自适应感知，载波聚合等技术。

高频5G技术可以参考之前对5G技术的介绍[11]，这里不再多述，只重点阐述如何提升高频频谱的频谱效率。

（1）多制式接入

多制式接入指用户可随意接入任意制式的通信网络，尤其在高频网络覆盖盲区或热点忙区，通过接入其它制式网络的方式来达到提高资源利用率的目的。多制式接入需要实现数据面与控制面的分离，毕竟统一接入多网络需要实现核心控制网络的透明化。

（2）自适应感知

高频网络除了5G外，也有可能应用在诸如蓝牙、卫星通信等场景。为了提同高频频谱的利用效率，需要让高频通信具备自适应感知能力，即通过监听当前高频频谱的使用状态，自动发现处于空闲状态的频谱资源，加快数据传输。

（3）载波聚合

载波聚合通过将两个及两个以上的载波单元进行捆绑，形成新的频带资源。这种捆绑可以是连续的，也可以是非连续的；既可以是系统内的，也可以是跨系统的；可以是授权频段间的聚合，也可以是非授权频段间的聚合，甚至是授权与非授权频段间的聚合。载波聚合可以理想地实现提高吞吐量的目的，但必须考虑系统内或系统间的负载均衡。

（4）物联网

高频频谱的应用会极大促成物联网的发展。区别于传统的网络形态，物联网的通信方式将直接通过设备间进行交互，而不是经过基站设备经由核心网交换。毕竟物联网数据是海量的，传统的通信方式将直接导致设备压力过大。高频通信距离短、信道条件好、连接限制少使得将高频通信应用于物联网更能进一步提升频谱效率。

当然，发展高频频谱与充分利用中低频谱并不矛盾，这里有一个频谱精细化管理的问题。一方面，在高频演进的前期，充分利用频谱重耕等技术尽可能让5G翻频到6 GHz以下频段，充分利用产业链的成熟性；另一方面，在中远期，在高频频谱划分落地后，积极谋求与国际上统一的高频规划频谱，保证真正全程全网的实施。

4 结束语

高频频谱目前是一个熱点话题，尤其在目前4G网络已经全面部署，以及智能终端日渐普及的前提下，随着移动互联网、车联网和物联网的崭露头角，需要提前对5G适用的高频频谱进行全新规划，对如何提升高频频谱的效率展开研究。本文只是简单地讨论了目前高频频谱的分布空间以及几种可能的利用方式，后续更详细的探索还需要更细密地挖掘。

参考文献：

[1] 詹文浩，戴国华，王朝晖. 高频段频谱现状与技术分析[J]. 移动通信， 2016，40（3）： 7-12.

[2] 吕邦国，杨健，于涛. 5G标准进展及关键技术[J]. 电信工程技术与标准化， 2016，29（8）： 39-43.

[3] 方箭，李景春，黄标，等. 5G频谱研究现状及展望[J]. 电信科学， 2015（12）： 1-8.

[4] 何廷润. 美国抢跑5G高频段规划，我国需合力挑战[J]. 通信世界， 2016（21）： 40-41.

[5] 刘婧迪，李男，潘峮，等. 5G频谱策略研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2015（6）： 19-25.

[6] 刁兴玲. 5G频谱稀缺亟待解决，6GHz以上将成为重点候选频段[J]. 通信世界， 2015（30）： 34.

[7] 郑毅，王锐. 高频道特性对5G系统设计的影响[A]. 2015LTE网络创新研讨会论文集[C]. 2015： 325-328.

[8] Report ITU-R M.2135. Guidelines for Evaluation of Radio Interface Technologies for IMT-Advanced[R]. 2015.

[9] CJK-IMT33-004_TTA Channel. Measurement on mmWave[Z]. 2015.

[10] 方箭，王坦，黄标，等. 高频段宽带无线通信前瞻[J]. 电信科学， 2014（3）： 108-113.

[11] 肖清华. 蓄势待发、万物互连的5G技术[J]. 移动通信， 2015，39（1）： 33-36. ★