5G 系列文章(四):移动系统的频谱划分

阅读数:947 2019 年 11 月 22 日 16:26

5G系列文章(四):移动系统的频谱划分

随着 5G 频谱划分和商用牌照正式确定,中国在标准制定层面的现阶段工作已经准备就绪,未来两年将会迎来 5G 商用场景的集中落地,技术实力会在这个阶段起到至关重要的作用。那么,几经更迭的移动通信技术的频谱划分依据是什么?全球 5G 频谱划分状况又是什么?本文或许可以揭晓答案。

5G系列文章(四):移动系统的频谱划分

本系列节选自《5G NR 标准:下一代无线通信技术  [5G NR: The Next Generation Wireless Access Technol]》,上一篇文章主要讲述了 5G 的标准化,本文主要讲述频谱划分。

5G 频谱

3.1 移动系统的频谱

第一代和第二代移动业务的频段分配在 800〜900MHz,但也有少数在更低或更高频率的频段。当 3G(IMT-2000)开始部署时,主要使用 2GHz 频段,随着 3G 和 4G 的 IMT 业务不断发展,新的更低和更高频段也被采用,目前已横跨 450MHz〜6GHz 的范围。虽然对每一代新的移动通信都会定义新的、以前未采用的频段,但用于前几代移动通信的旧的频段也会被用于新的一代。3G 和 4G 引入时是如此,5G 也是如此。

不同频率的频段特点不同。较低频率的频段,其传播特性适合城市、郊区和乡村环境的广域覆盖部署场景。高频的传播特性使它较难用于广域覆盖,并且正是出于这个原因,高频频带更多是用于在密集部署场景中增加容量。

随着 5G 的引入,更具挑战的 eMBB 使用场景和相关的新业务在密集部署场景中需要更高的数据速率和更大的容量。许多早期的 5G 部署将会使用前几代移动通信的频段,而 24GHz 以上的频段被视为对 6GHz 以下频段的补充。出于 5G 对极高数据速率和局部地区超高流量的要求,更高频段甚至高于 60GHz 的频段在部署时也会考虑。鉴于它们的波长,这些频段通常称为毫米波频段。

3GPP 一直在定义新的频段,主要是为 LTE 规范服务,但现在也要为新的 NR 标准做定义。许多新频段是专为 NR 定义的。NR 标准对于上下行链路隔离的对称频段,以及上下行链路共享单个频段的非对称频段都有定义。对称频段用于频分双工(Frequency Division Duplex,FDD),而非对称频段用于时分双工(Time Division Duplex,TDD)。NR 的双工方式在第 7 章中有进一步描述。请注意,一些非对称频段被定义为补充下行链路(Supplementary Downlink,SDL)频段或补充上行链路(Supplementary Uplink,SUL)频段。这些频段通过载波聚合与其他频段的上下行链路配对,如 7.6 节所述。

3.1.1 ITU-R 为 IMT 系统定义的频谱

ITU-R 规定供移动业务使用的频段,特别是用于 IMT 的频段。其中许多频段最初是分配给 IMT-2000(3G)的,新的频段则是随着 IMT-Advanced(4G)引入随后增加的。事实上,这些规定对于具体技术和哪一代而言是“中性”的,因为所做的规定都是针对 IMT 总体,无关哪一代或者哪种无线接口技术。ITU-R 针对不同业务和应用进行全球频谱指派的工作,结果体现在国际电联无线电监管中。全球 IMT 频段的使用在 ITU-R M.1036 建议书的中描述。

国际电联无线电监管的频率列表中没有直接列出 IMT 使用的频段,而是列出为移动业务分配的频段,然后在脚注里说明该频段可供希望部署 IMT 的管理部门使用。规定主要是按区域划分,但在某些情况下也按国家和地区进行。所有脚注仅提及 IMT,因此没有具体提及是哪一代的 IMT。一旦 ITU-R 分配了一个频段,区域的或者地方的主管部门应该据此为所有的或者特定的某一代 IMT 技术定义一个频段。在许多情况下,区域的或者地方的管理部门是“技术中立”的,即他们允许频段用于任何类型的 IMT 技术。这意味着所有现有的 IMT 频段都是 IMT-2020(5G)的潜在频段,正如这些频段已用于之前的几代 IMT 系统。

世界无线电管理大会 WARC-92 确定了频段 1885〜2025 和 2110〜2200MHz 可用于 IMT-2000。在这 230MHz 的 3G 频谱中,MHz 用于 IMT-2000 的卫星部分,其余用于陆地部分。这一频谱中的部分频段在 20 世纪 90 年代用于部署 2G 蜂窝系统,特别是在美洲。2001〜2002 年日本和欧洲 3G 的首次部署是在这个频段中完成的,因此它通常被称为 IMT-2000“核心频段”。

考虑到 ITU-R 的预测,即 IMT-2000 还需要 160MHz 频谱,世界无线电通信大会 WRC-2000 为 IMT-2000 确定了附加频谱。它包括之前用于 2G 移动系统的 806〜960 和 1710〜1885MHz 频段,以及 2500〜2690MHz 的“新”的 3G 频谱。对之前分配给 2G 的频段的重新指派也表明了对现有 2G 移动系统向 3G 演进的认可。WRC07 确定了 IMT 的附加频谱,包括 IMT-2000 和 IMT-Advanced。增加的频段为 450〜470、698〜806、2300〜2400 以及 3400〜3600MHz,但频段具体的适用性因地区和国家而异。WRC12 没有为 IMT 确定额外的频谱划分,但该议题列入了 WRC15 的议程。WRC12 还决定需要研究 694〜790MHz 频段在 1 区(欧洲、中东和非洲)的移动业务中的使用。

WRC15 是一个重要的里程碑,它为 5G 奠定了基础。首先它为 IMT 确定了一组新的频段,其中许多频段在全球范围或几乎是全球范围被确定为 IMT 所用:

  • 470〜694/698MHz(600MHz 频段):确定在美洲和亚太的一些国家使用。对于 1
  • 区,它被列为 WRC-23 的 IMT 新议程,即将在 WRC-23 上讨论。
  • 694〜790MHz(700MHz 频段):此频段确定用于 1 区,因而成为全球 IMT 频段。
  • 1427〜1518MHz(L 波段):为所有国家和地区确定的新的全球波段。
  • 3300〜3400MHz:为许多国家和地区确定的全球频段,欧洲和北美除外。
  • 3400〜3600MHz(C 波段):为所有国家和地区的全球频段。之前已经在欧洲使用。
  • 3600〜3700MHz(C 波段):为许多国家确定的全球波段,但非洲和亚太地区的一些国家除外。在欧洲自 WRC07 开始已经在使用。
  • 4800〜4990MHz:为亚太地区少数几个国家确定的新频段。

特别是 3300〜4990MHz 的频率范围,对于 5G 很有意义,因为它是更高频段中的新频谱。这意味着它非常适合需要高数据速率的新的应用场景,并且也适用于大规模 MIMO 的实现,因为含有多个单元的天线阵列在这类频段上的实际尺寸可以设计得很合理。由于这一频率范围是目前尚未广泛应用于移动系统的新频谱,因此在此频谱中分配较大的频谱块将会更加容易,从而提供更宽的射频载波并最终达到更高的终端用户数据速率。

WRC15 关于 IMT 的第二个主要成果是为下一届 WRC 确立的新议程项(即 1.13 项),即确定 5G 移动业务在 24GHz 以上的高频频段。ITU-R 将对这些频段进行研究,并考虑在 WRC19 上为 IMT 做规定。这些频段的主要目的就是部署 IMT-2020。今天,大多数要研究的频段已经优先划分给移动业务,同时也包括固定和卫星业务。它们包含以下频段范围:

  • 24.25〜27.5GHz;
  • 37〜40.5GHz;
  • 42.5〜43.5GHz;
  • 45.5〜47GHz;
  • 47.2〜50.2GHz;
  • 50.4〜52.6GHz;
  • 66〜76GHz;
  • 81〜86GHz。

还存在一些有待研究的频段,目前还没有成为 IMT 移动业务可使用的首要资源,或者说移动业务还没有成为这些频段的首要分配对象:

  • 31.8〜33.4GHz;
  • 40.5〜42.5GHz;
  • 47〜47.2GHz。

完整的频段集如图 3-1 所示。

5G系列文章(四):移动系统的频谱划分

ITU-R 成立了一个特别任务组(TG 5/1)对新频段进行共用和兼容性研究,并为 WRC19 议程项 1.13 准备输入文稿。该任务组将根据研究结果,澄清频谱需求、技术和运营特性,包括对在所研究频段内或附近分配的现有业务的保护准则。研究的输入需要 IMT-2020 的技术和运营特性。NR 的特性由 3GPP 提供并已经在 2017 年 1 月的标准化早期阶段提供。

值得注意的是,还有大量其他频段被确定为移动业务所用,但并非专门针对 IMT。这些频段通常也用于某些地区或国家的 IMT 系统。在 WRC15 上有把 27.5〜29.5GHz 用于 IMT 的研究兴趣,但最终未被纳入 5G/IMT-2020 频段的研究中。不过,至少美国和韩国有在该频段推出 5G 移动服务的计划。还有提议对 20GHz 以下的频段用于 5G/IMT-2020 进行研究,但最终未被包括进去。除了 ITU-R 所研究的频段,预计 6〜20GHz 范围内的若干频段也将被用于移动业务,包括 IMT 的移动业务。比如 FCC 在调研 5925〜7125MHz 频段的新用途,包括用于下一代无线宽带业务。

地区之间对分配给 IMT 的频段的使用各有不同,这意味着没有一个单独的频段可用于全球漫游。不过,各地区经过大量努力已定义了可用于全球漫游的最小频段集。通过这种方式,多频段终端可以提供有效的全球漫游能力。由于 WRC15 确定的许多新频段是全球性的或近乎全球性的,因此,终端只要支持较少的频段就可以实现全球漫游,这还有助于扩大设备和部署的规模效益。

3.1.2 5G 的全球频谱状况

世界各国都有强烈的意愿为 5G 的部署提供频谱。这是由运营商和行业组织推动的,比如全球移动供应商联盟(Global mobile Suppliers Association)和 DIGITALEUROPE ,但也得到了各个国家和地区的监管机构的支持。在标准化方面,3GPP 活动的重点放在明显引起兴趣的频段上(完整的频段列表见 3.2 节)。令人感兴趣的频谱可以分为低频、中频和高频频段:

低频频段对应于 2GHz 以下现有的 LTE 频段,适用于覆盖,即提供广域和深度的覆盖,包括室内覆盖。它的令人感兴趣的频段是 600 和 700MHz,对应于 3GPP NR 频段 n71 和 n28(更多细节见 3.2 节)。由于该频段不是很宽,因此预计最大的信道带宽是 20MHz。

对于 5G 的早期部署,美国考虑把 600MHz 频段用于 NR,而 700MHz 频段被欧洲定义为所谓的先锋频段之一。此外,在 3GHz 以下的许多额外的 LTE 频段被标记为可能的“重耕”频段并且已为它们分配了 NR 频段号。由于这些频段通常已经部署用于 LTE,因此预计 NR 将在后期逐步部署在这些频段上。

中频频段在 3〜6GHz 的范围内,它可以通过更宽的信道带宽提供覆盖、容量和高数据速率。全球最感兴趣的是 3300〜4200MHz 这一段,3GPP 已指定的 NR 频段 n77 和 n78 就在其中。由于频段较宽,信道带宽可高达 100MHz。长期来看,可以在该频率范围内为每个运营商分配高达 200MHz 的频率,然后通过使用载波聚合可以达到整个带宽的部署。

3300〜4200MHz 的范围受全球关注,虽然各地区略有不同:3400〜3800MHz 是欧洲的先锋频段,而中国和印度正在计划分配 3300〜3600MHz,日本正在考虑 3600〜4200MHz。北美(3550〜3700MHz 和初步讨论中的 3700〜4200 MHz)、拉丁美洲、中东、非洲、印度、澳大利亚等地也考虑了类似的频率范围。WRC-15 上共有 45 个国家签署了为 IMT 确定的 3300〜3400MHz 频段。中国(主要是 4800〜5000MHz)和日本(4400〜4900MHz)对更高的频段也很感兴趣。此外,在 2〜6GHz 范围内许多潜在的 LTE“重耕”频带已被确定为 NR 频段。

高频频段指位于 24GHz 以上的毫米波。它们最适合于具有超高容量的本地热点覆盖,并且可以提供非常高的数据速率。最令人感兴趣的是 24.25〜29.5GHz 的范围,其中 3GPP 为 NR 分配了频段 n257 和 n258。这些频段的信道带宽高达 400MHz,而且通过载波聚合可以实现更高的带宽。

如前所述,毫米波频段对于 IMT 部署而言是新的。美国在较早时就确定了 27.5〜28.35GHz 用于 5G,而 24.25〜27.5GHz 这一段,也称为“26GHz 频段”,是欧洲的先锋频段,注意并非所有 26GHz 频段都可用于 5G。全球各国也正在考虑使用更大的 24.25〜29.5GHz 范围内的不同部分。日本首先计划使用 27.5〜29.5GHz 的范围,韩国计划使用 26.5〜29.5GHz。总的来说,这个频段可以被视为具有地区性差异的全球频段。美国也计划使用 37〜40GHz,包括中国在内的许多其他国家也在考虑大约 40GHz 的范围。

3.2 NR 的频段

NR 可以部署在现有的 IMT 频段上,也可以部署在 WRC 或地区性机构所确定的未来频段上。全球移动业务的一个基本特点就是无线接入技术能工作在不同频段上。大多数的 2G、3G 和 4G 终端都有多频段支持能力,它们涵盖了世界不同地区所使用的频段,以提供全球漫游能力。从无线接入功能的角度来看,频段的影响有限,而且 NR 的物理层规范并不对频段做假定。不过,由于 NR 将横跨如此大范围的频谱,因此某些配置将仅适用于某些频率范围。这包括 NR 参数集的差异化应用(见第 7 章)。

许多 RF 要求都是针对不同的频段提出的。对于 NR 来说是这样,对前几代移动通信也是如此。频段特定 RF 要求的例子包括允许的最大发射功率、带外(Out-Of-Band,OOB)发射的要求和限制以及接收机阻塞水平。造成这种差异的原因是外部的限制,通常是由监管机构提出来的,还有一些限制是标准化过程中考虑运营环境的不同造成的。

对 NR 而言,由于频段范围非常宽,因此频段间差异更为明显。对于 24GHz 以上的毫米波频段上的 NR 工作,终端和基站都将采用部分新技术,并且将更多地使用大规模 MIMO、波束赋形和高集成度的高级天线系统。这就造成了 RF 要求的差异对性能评估进行测量的差异以及对要求的取值范围的差异。因此,目前 3GPP 在 Release 15 中,将频段划分为两个范围:

  • 频率范围 1(FR1)包括 6GHz 以下的所有现有的和新的频段。
  • 频率范围 2(FR2)包括 24.25〜52.6GHz 范围内的新的频段。

在未来的 3GPP 版本中,这些频率范围可以被扩展或者会增加新的频率范围。第 18 章将进一步讨论频率范围对 RF 要求的影响。

NR 使用的频段包括对称和非对称频谱,要求灵活的双工配置。因此,NR 既支持 FDD 也支持 TDD。NR 还为 SDL 或 SUL 定义了一些频段。7.7 节将对这些功能做进一步描述。

3GPP 定义了工作频段(operating band),一个工作频段是指由一组 RF 要求所规定的上行链路或下行链路,或者上下行链路的一个频率范围。每个工作频段都有一个编号,其中 NR 频段的编号为 n1、n2、n3 等。当相同的频率范围被定义为不同无线接入技术的工作频段时,它们使用相同的编号,但以不同的方式书写。4G LTE 频段用阿拉伯数字(1、2、3 等),而 3G UTRA 频段用罗马数字(Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ等)。被重新分配给 NR 的 LTE 工作频段通常称作“LTE 重耕频段”。

3GPP 为 NR 制定的 Release 15 规范包含频率范围 1 中的 26 个工作频段和频率范围 2 中的 3 个工作频段。NR 频段从 n1 到 n512 的编号方案遵从以下规则:

1. 对于 LTE 重耕频段中的 NR 频段,NR 复用 LTE 的频段号,只需在前面添加“n”。

  1. NR 的新频段使用以下数字:
  • n65〜n256 预留给频率范围 1 中的 NR 频段(其中某些频段可以额外用于 LTE)。
  • 范围 n257〜n512 预留给频率范围 2 中的 NR 新频段。

该方案为 NR“预留”了频段号并且向后兼容 LTE(和 UTRA),并且不会造成任何新的 LTE 编号超过 256,这是目前可能的最大值。任何新的仅用于 LTE 的频段也可以使用小于 65 的未使用的数字。在 Release 15 中,频率范围 1 中的工作频段在 n1〜n84 的范围内,如表 3-1 所示。频率范围 2 中的频段在 n257〜n260 的范围内,如表 3-2 所示。图 3-2、3-3 和 3-4 对 NR 的所有频段进行了总结,它们还显示了相对应的 ITU-R 所定义的频率分配。

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某些频段部分地或完全地重叠。大多数情况下,这可以解释为各地区对 ITU-R 定义的频段实施上的差异。同时,为实现全球漫游,频段之间尽可能地有重叠又是所期望的。通过最初全球的、区域性的以及当地的频谱管理工作,首批频段被指派给 UTRA。随后整个的 UTRA 频段在 3GPP Release 8 被转移到 LTE 的规范中。后续版本中又为 LTE 增加了其他频段。在 Release 15 中,许多 LTE 频段被转移到 NR 的规范中。

3.3 6GHz 以上的射频暴露

随着 5G 移动通信的频率范围扩展到 6GHz 以上,现有的关于人体暴露在 6GHz 以上的射频电磁场(Electromagnetic Fields,EMF)中的规定,可能将用户终端的最大输出功率限制在了一个远低于低频辐射允许的水平。即现有的规定对于 6GHz 以上的频段可能过于苛刻。

国际 RF EMF 暴露限值,例如国际非电离辐射委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation,ICNIRP)推荐的限值和美国联邦通信委员会(FCC)规定的限值,已经设定了足够宽的安全边际,以防止人体组织由于能量的吸收而过度发热。在 6〜10GHz 的频率范围内,基本限值从特定的吸收率(w/kg)变为入射功率密度(w/m2)。这主要是因为随着频率的增高,人体组织中的能量吸收变得越来越微不足道,因而也更加难以测量。

事实证明,对于靠近身体使用的产品,最大允许输出功率是不连续的,因为暴露测度已从特定吸收率变成了基于功率密度的限值。为了符合更高频率下 ICNIRP 的暴露限值,发射功率可能要比当前蜂窝技术使用的功率水平低 10dB。为 6GHz 以上频率设定的暴露限值,其安全边际甚至大于较低频率的安全边际,这没有任何明确的科学依据。

对于较低频段,多年来已有大量工作来描述暴露的情况并设定相关的限值。随着对使用 6GHz 以上频段进行移动通信的兴趣日益增加,研究工作可能也会增多,最终可能导致对暴露限值的修订。在 IEEE 公布的最新 RF 暴露标准(C95.1-2005,C95.1-2010a)中,频率转换处的不一致性不太明显。但是,这些限值尚未被任何国家的法规所采用,所以其他标准化组织和监管机构也必须努力解决这一问题。否则的话,这可能对较高频率的覆盖范围产生很大的负面影响,特别是对于那些在身体附近使用的用户终端,比如可穿戴设备、平板电脑和移动电话,其最大发射功率可能受到目前的射频暴露规定的极大限制。

作者简介:

埃里克·达尔曼(Erik Dahlman)

爱立信公司研究院高级专家,从事移动通信研究 20 多年,参与 2G、3G、4G、5G 的研究和标准化工作,拥有多项通信技术专利和奖项,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

斯特凡·巴克浮(Stefan Parkvall)

爱立信公司研究院高级专家,IEEE Fellow,从事移动通信研究 20 多年,参与 2G、3G、4G、5G 的研究和标准化工作,拥有多项通信技术专利和奖项,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

约翰·舍尔德(Johan Skld)

爱立信公司研究院主任工程师,从事移动通信研究 30 多年,参与 2G、3G、4G、5G 的研究和标准化工作,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》、《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

译者简介:

朱怀松,2004 年毕业于北京邮电大学并获硕士学位。 现任爱立信中国研发部多天线高级专家。长期从事无线基站的开发工作,主要研究领域包括多天线信号处理和系统性能分析等。工作期间获得专利 100 余项。

王剑,1994 年毕业于西北工业大学计算机系并获硕士学位。 现任爱立信中国研发部无线基带产品研发经理。从 2G 开始从事移动通信核心网和无线接入网产品管理、研发及标准化工作。工作期间获得多项国际专利。

刘阳,2003 年毕业于西安交通大学电信学院并获硕士学位。现任爱立信中国研发部主任系统工程师,从事无线接入网产品研发,经历了 3G、4G 到 5G 一系列基站产品,主要负责无线资源管理等算法的研究和产品化。

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