5G授权频谱分配及非授权频谱利用技术的研究

周宇，陈健，高月红

（北京邮电大学，北京 100876）

1 引言

5G作为下一代移动通信系统，其主要针对3种应用场景：增强移动宽带（eMBB），大规模机器类通信（mMTC）和超可靠低时延通信（URLLC）。其中，增强移动宽带的主要目的是对目前移动用户的体验做进一步提升；大规模机器类通信则是对目前的连接终端数大的物联网业务提供更好的支持；而超可靠低时延通信的目标是为智能驾驶，无人机控制等对精度和时延要求较高的业务提供良好的支持。

国际电信联盟（ITU）曾对2020年中国频谱需求总量做过一个预测，当时认为中国到2020年时，城区国际移动通信的频谱需求量为1 864 MHz，当时就有1 177 MHz的频谱缺口[1]。随着5G通信系统的应用场景的提出和发展，5G通信系统对峰值速率、用户体验速率、时延等关键指标提出了更高的要求。因此，5G通信系统对可用频谱有着更加迫切的需求。在2017年IMT-2020（5G）峰会上，IMT-2020工作组根据研究结果，对5G的频谱需求进行了更加详细的说明：在6 GHz以下的中低频段，频谱的需求总量在808-1 078 MHz之间；在大于6 GHz的高频段，频谱的需求总量在14-19 GHz之间。可以看出，5G对频谱资源的需求量十分巨大，为了满足5G系统对频谱资源的需求，5G系统被设计成一个不仅可以利用授权频谱，也可以利用非授权频谱和共享频谱进行数据传输的通信系统[2]。但是，目前低频段的可用频谱已经十分紧张，所以，如何分配5G系统的频谱就成为了一个十分重要的问题。目前，随着5G系统商用期限的临近和5G标准化进程的不断推进，5G系统的频谱分配方案也逐步明确，不同国家和地区的分配方案之间既有相似之处，又有不同之处。

目前，5G的频谱分配方案可以分成三大阵营：美国、欧盟和中国。3个阵营在高、中、低3个频段上为5G通信系统分配了一定的带宽，不同的是，3个阵营给5G分配的带宽的侧重有所不同，美国和欧盟阵营通过频谱的拍卖和再分配等一系列政策，为5G通信系统在低频段上分配了一定的频谱，与欧盟阵营不太相同的是，美国阵营的频谱分配方案中，共享频谱和非授权频谱占据了更大的比例，而欧盟阵营则更倾向于使用传统意义上的独占授权频谱。我们国家同欧盟阵营在频谱分配上比较相似，主要也是使用专用授权方式进行5G频谱的分配，不过我们国家的关注点更多的位于中高频段，在低频段的频谱的使用还处于研究讨论阶段，也许在接下来的几年里，我们国家也会为5G通信系统在低频段分配一定的专用授权频谱。

非授权共享频谱接入方案上的讨论也非常热烈，目前主要分成3个方向，一个方向是由LTE和LTE-A中的授权频谱辅助接入（LAA）继续进行演进，发展成5G-NR下的feLAA；一个方向是由高通公司和诺基亚公司提出的MulteFire方案，这套方案和feLAA相比，主要的不同在于MulteFire方案可以不使用授

权频谱而在非授权共享频谱上单独存在；还有一个方向是5G NR系统下的多连接技术（Multi-connectivity），这种技术不仅可以实现5G通信系统使用非授权共享频谱，还可以让5G通信系统使用现行的4G LTE系统的频谱进行数据的传输。

本文主要是对目前5G通信系统的频谱分配方案进行一定的介绍，主要内容包括授权频谱分配和非授权共享频谱接入两部分。授权频谱分配部分主要是对授权频谱的划分和三大阵营的授权频谱分配方案做具体详细的介绍，非授权共享频谱部分主要是对目前讨论比较热烈的几种非授权共享频谱接入技术做简要的介绍。

2 授权频谱分配

在无线通信过程中，电磁干扰会对通信质量产生十分重大的影响，因此，频谱在无线通信行业中是十分重要的资源。世界上的主要国家都设立有对频谱进行管理的国家机构。在我国，这一部分的工作由工业和信息化部下辖的无线电管理局完成。在美国，这一工作由联邦通信委员会（FCC）完成。如果不进行适当的频谱分配，不同的系统之间会产生无线频谱混叠，从而造成双方的数据都无法进行正确传输。为了避免这种现象，各国的组织机构都会为不同系统分配不同频段，不同带宽的频谱资源， 对于5G通信系统也是一样。

5G通信系统的授权频段大概可以分成3个频段：低频段、中频段、和高频段。

文献[2]中对3个频段在整体频段范围中的位置和它们所表征的具体频率范围进行了图形化的总结，如图1所示。

图1 各个频段的位置及其频率范围

从图1中我们可以看出：低频段所代表的频率范围为0-1 GHz，中频段所代表的频率范围为1-6 GHz，高频段所代表的频率范围为6-100 GHz。其中，高频段中包含毫米波频段。

2.1 低频段

目前最广泛的对于低频段的定义是小于1 GHz的频段。根据电磁波的基本传输公式可知，频率越低，电磁波在传输过程中的衰减越小。所以，低频段的电磁波可以提供更好的覆盖。但是，低频段也有其对应的缺陷，低频段的可用频谱资源少，对高速业务的支持有限。低频段的这些特点使得这部分频谱在对移动宽带和大规模物联网这两个业务的支持上有着得天独厚的优势，两者都是对覆盖有着比较高的要求而对速率的要求则相对宽松。到目前为止，美国联邦通信委员会计划把600 MHz的频谱划分给5G系统使用[3]。欧盟也已经批准把700 MHz的频谱进行释放，以促进5G通信系统的发展。我国与其他国家相比，情况要复杂一些，我们国家700 MHz以下的民用频谱主要是被广电掌握着，800-900 MHz的频谱主要被各家运营商用于部署GSM系统，所以，如果我们国家想要使用低频段频谱进行5G系统的部署，一种可能是广电能将700 MHz的频谱让给各家运营商，另外一种可能是各家运营商对自己的2G GSM系统进行清退，把清退出来的频谱用于5G系统的部署。不管哪种方案，都需要长时间的协商和讨论，我国在低频段上进行5G系统的部署依旧任重而道远。

2.2 中频段

中频段主要指的是电磁波频率在1-6 GHz之间的频段。这一部分的频谱和低频段频谱相比，可用频谱资源明显增多，但同时，其在传输过程中的衰减和路径损耗也有所增大。这一部分频谱资源的各项指标在整个频谱范围内属于比较均衡的范畴，因此，这一部分频谱主要用于给5G的增强移动宽带（eMBB）和关键业务提供大带宽支持。这两种业务对覆盖和速率都有一定的要求，使用这一部分频谱资源来支持这两种业务是比较适宜的。目前，美国在该频段范围内，将3.5 GHz周围，宽度为150 MHz的频谱资源分配给5G系统使用。欧盟将3.4-3.8 GHz，宽度一共为400 MHz的频谱资源交给5G系统使用，这一部分频段也被作为是欧盟的5G系统重点部署频段。通信作为一个国家基础支柱行业，我们国家也对5G的发展给予了很大的重视，我国工业和信息化部在2017年6月发布文件，对将3.3-3.6 GHz和4.8-5.0 GHz，宽度一共为500 MHz的频谱资源分配给5G通信系统的方案向大众征求意见[4]。中频段与之前的低频段相比，可以进行分配的带宽有了明显的增长，同时，又不像之后的高频段那样，覆盖范围过小，基站部署需求量大，因此，中频段目前一般是作为5G通信系统的重点部署频段。

2.3 高频段

在定义中，高频段主要指的是电磁波频率大于6 GHz，小于100GHz的频段，不过在实际使用和讨论中，高频段一般指的是大于24 GHz，小于100 GHz的毫米波频段。这一部分频段大多开发利用的较少，可用频谱资源充足，能够有效的支持大带宽，高速率的业务。但是这一部分频谱的传输损耗太大，容易受到墙壁、建筑、甚至雨滴的阻挡，覆盖范围小，如果想覆盖一定范围的区域，需要大量的基站部署，因此，目前最广泛的对毫米波的使用场景的讨论主要集中于室内高速率下。不过，因为毫米波的波长小，在单位空间内可以放置更多的天线，因此，如果合理的使用MIMO技术，再加上对毫米波信道的精确测量，把毫米波引入更多的使用场景也并非不可实现。到目前为止，世界各个国家和地区都给5G系统分配了一定的毫米波频谱资源。美国将 27.5-28.35 GHz、37.6-40 GHz， 宽度一共为3.25 GHz的频谱分配给5G系统作为专用资源[5]。欧盟将24.5-27.5 GHz，宽度为3GHz的频谱资源规划给5G系统使用。我们国家也在今年8月就5G系统使用24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz，宽度一共为 8.25 GHz的频谱资源的方案向公众征求意见[6]。随着技术的不断发展进步和有关标准的不断完善，高频段频谱资源的使用会成为5G通信系统在一些场景和应用下不可或缺的一部分。

文献[2]中对上文所讲的三大阵营的频谱分配进行了图形化的总结，如图2所示。

其中，深蓝色线段为各个阵营为5G系统分配的授权频谱频段，而浅蓝色线段表示的是接下来要介绍的非授权和共享频谱频段。

3 非授权频谱接入

图2 三大阵营的频谱分配

使用专用的授权频谱比起使用非授权的频谱有着得天独厚的优势，如：不存在争抢，可以避免潜在的感染，而且性能更加稳定。但是，专用的授权频谱也面临着一个十分严峻的问题：频谱资源稀缺。5G通信系统对系统的容量、速率和时延的要求比起上一代通信系统来说有了很大的提高，其隐含要求了更多的频谱资源，但是，低频段、中频段频谱资源的稀缺和高频段乃至毫米波频段的利用技术的不成熟等问题对其产生了一定的限制。为了使5G通信系统可以对不同的业务和使用场景提供更好的支持，5G通信系统的频谱资源设计中也加入了对共享频谱和非授权频谱的使用。在目前的讨论中，Wi-Fi使用的2.4 GHz和5 GHz的非授权频段成为了重点关注的对象，这也引出了蜂窝通信系统如何和Wi-Fi等使用非授权频谱的技术和平共存的问题。很多LTE-A中的非授权频谱接入技术在5G系统中得到了进一步的发展，同时，也有一些新的非授权频谱接入技术被提出和讨论。

3.1 5G NR下的授权频谱辅助接入

授权频谱辅助接入（LAA）是4G LTE系统使用非授权频段的一种技术手段，其具体细节已经写入3GPP的Realase-13标准中。其主要的方式是把授权频段和非授权频段进行载波聚合（CA），在授权频段上设置锚点，也就是在授权频段上对关键信息和一些对非授权频段的控制信息进行传输，来保证通信质量。在非授权频段上传输辅助信息，提升传输信息的速率。蜂窝通信系统对信道的使用是独占方式的，而Wi-Fi需要通过竞争机制对信道进行竞争，在这样的情况下，如果把蜂窝通信系统和Wi-Fi部署在同一非授权频段上，蜂窝通信系统会使得Wi-Fi系统很难获得接入信道的机会，从而对Wi-Fi系统的性能产生严重的影响[7]，为了避免上述情况，LAA在信道选择方面也采用了和Wi-Fi相同的先侦听后传输（LBT）的机制，保证它和Wi-Fi在对非授权频谱的使用上的竞争是公平的。LBT具体的实现方式为通信系统在使用信道之前先采用空闲信道检测技术（CAA）对信道上的能量进行检测，并同标准中的能量门限值进行对比，如果检测到的能量低于门限值，则认为该信道目前没有被占用。此时系统才可以在这个信道上进行信息的传输，并且，系统占用信道的时长不能超过10 ms，之后，信道将被释放，系统需要重新进行LBT机制来进行信道的选择和占用[8，9]。在3GPP的Relase-13中，只对LAA的下行的标准进行了规定，在Relase-14中，eLAA加入了对上行的支持。目前，3GPP正在对Relase-15中的feLAA进行讨论，以使其能够更好的同5G-NR系统的使用场景和关键指标相结合。

3.2 5G NR下的MulteFire[10]

Multefire是由通信厂商提出的一种对非授权频谱的使用方案，目前由MulteFire联盟进行推进。和LAA以及LWA不同，Multefire对非授权频谱的使用不需要先在授权频谱中设置锚点，换句话说，MulteFire是一种独立的方案，其可以在没有授权频谱辅助的情况下独立使用。在这一情况下，这种技术方案可以使授权频谱上接入更多的用户。并且，这种技术方案不仅适用于对5G NR的授权频谱进行拓展，它在5G的mMTC应用场景下也可以有广泛的应用，它也可以建立一个私有的网络，用于连接大规模的物联网设备。Multefire的标准发展自3GPP的Relase-13和Relase-14标准，它同样采用了LBT的信道选择机制，可以保证它和Wi-Fi信号之间不会产生干扰，并且当空闲信道足够的时候，这种技术还可以进行多个信道的聚合，如图3所示。在高通发布的一系列对Multefire的仿真测试报告中，这种技术方案甚至可以在某种程度上提升该非授权频段的吞吐率。

图3 MulteFire技术对空闲信道进行聚合

3.3 5G NR下的多连接技术

多连接技术(Multi-connectivity)发展自3GPP在Relase-12标准中提到的Dual-connectivity[11]。通过3GPP的TR 36.842文档可知，Dual-connectivity技术主要是使用户和网络中两个网元进行连接来进行更好的资源聚合。在3GPP的Relase-13标准中，这个概念被引入了使用WLAN所在的非授权频谱进行LTE信息传输的LWA技术中。在5G NR系统的设计中，这个概念进一步发展，成为了5G NR系统中的Multiconnectivity技术，在Multi-connectivity技术中，5G系统的终端不仅可以通过和WLAN的设备进行连接从而在WLAN的非授权频段上进行5G信息的传输，而且可以通过和4G LTE的eNode B进行连接从而在4G的频段上进行5G信息的传输[12]。多连接技术不仅可以使5G系统的可用频段大大拓宽，并且因为目前4G系统和Wi-Fi系统有着比较广泛的部署，所以5G系统在部署的初期需要的资金量能够在很大程度上减少。对于各个运营商来说，快速部署5G NR系统的压力也会减轻。

4 到目前为止的标准化进程

4.1 ITU

ITU-R WP5D的会议主席在2014年2月的会议上提出了IMT-2020工作计划的讨论稿，并在2014年10月成为最终方案。其内容主要为：在2015年之前先对5G技术进行展望和研究；2015年中开始对5G的国际标准进行制定，首先对关键指标和评估方法进行研究；2017年底开始对5G的候选技术进行征集；2018年底对候选技术进行评估和标准化；希望在2020年底之前，5G技术具备商业能力。

2017年3月，ITU公布了一份关于5G系统的最低标准草案。2017年4月，ITU发布了第一份和5G系统有关的标准。2017年12月，ITU正式确定5G系统最低标准的正式方案。

4.2 3GPP

3GPP组织把Release-15作为5G系统的第一个标准，并且，3GPP把5G标准分成了两部分，一部分是非独立标准，即利用4G的核心网（EPC）来实现5G的空口，这一部分的核心标准已经在2017年12月2日冻结；另外一部分是独立标准，即用5G的核心网来实现5G的空口，这一部分3GPP计划于2018年6月完成。上面的两部分都是3GPP组织对5G进行标准化的第一阶段，之后3GPP组织会在Release-16版本的标准中继续对5G进行研究和标准化。

5 总结

目前，全球的通信业界对5G频谱使用达成了一定的共识：应该以6GHz以下的频段，也就是中低频段为5G系统的主要部署频段，而高频段作为辅助频段为中低频段提供带宽和速率的支持。这样看来，虽然5G系统的授权频段相比于4G系统有了一定的提升，但考虑到主力部署频段和关键指标要求之后，分配给5G的频段就稍显不足了，因此，为了使5G通信系统可以提供满足要求的服务，各家公司、组织提出了各种各样的非授权频谱利用技术，充分利用未授权的频段，结合分配给自己的专用频段，来满足5G通信系统的关键指标要求。就目前来看，各个国家和阵营对5G通信系统的授权专用频谱的分配已基本完成，之后的变动不会太大。非授权频谱接入方面，各个标准化组织目前都在积极讨论，制定一套能被广泛认同的标准，这一部分距离成熟还有一定的距离。近期，5G的非独立组网的核心标准已经完成并冻结，随着各项技术和标准的不断推进和成熟，5G通信系统会离我们越来越近。

[1] 焦岩, 高月红, 杨鸿文，等. D2D技术研究现状及发展前景[J].电信工程技术与标准化, 2014,(6):83-87.

[2] Qualcomm Technologies. Spectrum for 4G and 5G[Z/OL]. (2017/12)[2018/1/24]. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/spectrum-for-4g-and-5g.pdf

[3] FCC. Order on reconsideration and further notice of proposed rulemaking[EB/OL]. (2017/7/14) [2017/12/6]. https://apps.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/FCC-17-95A1.pdf

[4] 中华人民共和国工业和信息化部. 公开征求对第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段的意见[EB/OL]. (2017/6/5) [2017/11/18]. http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057735/n3057748/c5672371/content.html

[5] FCC. FCC takes steps to facilitate mobile broadband and next generation wireless technologies in spectrum above 24GHz[EB/OL].(2016/7/14) [2017/12/6]. https://apps.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/DOC-340301A1.pdf

[6] 中华人民共和国工业和信息化部. 公开征集在毫米波频段规划第五代国际移动通信系统（5G）使用频率的意见[EB/OL].(2017/8/7) [2017/11/18]. http://zmhd.miit.gov.cn:8080/opinion/noticedetail.do?method=notice_detail_show¬iceid=1781

[7] 王爽, 张萌, 董宏峰, 等. 基于Licensed Assisted Access技术的退避算法设计与优化[J]. 电信工程技术与标准化,2015,(12):83-87.

[8] 龚碧梦, 许九旭, 高月红, 等. 基于非授权频段的LTE技术综述[J]. 现代电信科技, 2015,45(05):60-63.

[9] 顾向锋, 马涛. 非授权频谱LTE技术特点及应用场景研究[J].移动通信, 2015,39(22):50-53+58.

[10] Qualcomm Technologies. MulteFire Technology Progress and Benefits,and How It Enables A New Breed of Neutral Hosts[Z/OL]. (2016/5)[2017/11/18]. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/multefire-technology.pdf

[11] 3GPP TR 36.842. Study on Small Cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN; Higher layer aspects V12.0.0[S]. 2013.

[12] Qualcomm Technologies. Making 5G NR a reality[Z/OL]. (2016/9)[2017/12/6]. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/making-5g-nr-a-reality.pdf