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全球5G频谱研究及启示

2019年4月12日 08:16  ?#23454;?#35774;计技术  作 者周瑶 尹安祺

摘要5G系统是我国实施网络强国制造强国战略的重要信息基础设施更是发展新一代信息通信技术的高地频率资源是研发部署5G系统最关键的基础资?#30784;?#26681;据ITU-R 5G愿景建议书本文分析了5G系统所需要的频谱结构并结合ITU3GPP相关研究情况和全球主要国家5G频谱策略提出了我国5G频率规划建议

0  前言

近年来智能终端的广泛应用以及移动互联网应用的多样化促使全球移动数据业务进入高速增长模式为了应对未来移动数据流量爆炸式的增长海量的设备连接不断涌现的各类新业务和应用场景在全球4G商用方兴未艾之时5G系统将应运而生

5G系统将不仅仅立足于移动通信本身还将渗透到未来社会的各个领域与传统制造服务行业的融合创新促成互联网+新形态构建以用户为?#34892;?#30340;全方位信息生态系统改变人们的生产工作生活方式为当今中国经济和社会的发展带来无限生机

相较于以往的各代移动通信系统5G需要满足更加多样化的场景和极致性能要求频率资源是研发部署5G系统最关键的基础资?#30784;?/P>

本文根据国?#23454;?#20449;联盟ITU 5G愿景建议书分析了5G系统所需要的频谱结构并结合ITU3GPP相关研究情况全球主要国家5G频谱策略提出了我国5G频率规划在高中低频段的建议

1  基于5G愿景的频谱框架

国?#23454;?#20449;联盟无线电通信部门ITU-R发布的5G愿景ITU-R M.2083建议书定义5G系统将满足增强的移动宽带海量的机器间通信超高可靠?#32479;?#20302;时延通信三大类主要应用场景

在系统性能方面5G系统将具备10~20 Gbit/s的峰值速率100 Mbit/s~ 1 Gbit/s的用户体验速率相对4G系统提升3~5倍的频谱效率百倍的能效500 km/h的移动性支持1 ms的空口时延100万/km2的连?#37038;?#23494;度以及10 Mbit/s/m2的流量密度等关键能力指标

基于上述的愿景及关键性能指标要求为满足5G系统不同场景下的应用需求支持多元化的业务应用满足差异化用户需求5G系统的候选频段需要面向全频段布局低频段和高频段统筹规划?#26376;?#36275;网络对容量覆盖性能等方面的要求

6 GHz以下中低频频谱可兼顾5G系统的覆盖与容量面向eMBBmMTC和uRLLC三大应用场景构建5G基础移动通信网络6 GHz以上高频频谱主要用于实现5G网络的容量增强面向eMBB场景实现热点极速体验

2  全球5G频谱动态

2.1  5G标准化进程

2.1.1  ITU开展5G?#30053;?#39057;谱研究

从历史来看世界无线电通信大会WRC大约每隔8年将进行一次重大的移动通信频谱划分1992年WRC-92划分了3G核心频段成为3G发展的基础2000年WRC-2000划分的2.6 GHz频段是我国发放4G牌照的重要频段2007年WRC-07划分了3.5 GHz频段和数字红利频段这些频段是当前全球4G发展的热点频段2015年WRC-15将470~694 MHz1 427~ 1 518 MHz3 300~3 400 MHz3 600~3 700 MHz 4 800~4 990 MHz频段划分给部分区域或国家的IMT使用是5G发展的重要中频段资?#30784;?015年无线电通信全会RA~15批准IMT-2020作为5G正式名称至此IMT-2020将与?#24310;?#30340;IMT-20003GIMT-A4G组成新的IMT系列这标志着在国?#23454;?#32852;无线电规则?#20998;?#29616;有标注给IMT系统使用的频段均可考虑作为5G系统的中低频段见图1

图1 WRC会议?#30053;IMT标识频谱

同时为了积极应对未来移动通信数据流量的快速增长WRC-15大会上确定了WRC-19 1.13议题根据第238决议WRC-15审议为国际移动通信IMT的未来发展确定频段包括为作为主要业务的移动业务做出附加划分的可能性并请ITU-R开展研究包括在24.25~86 GHz频率?#27573;?#20869;开展IMT地面部分的频谱需求研究并在8个移动业务为主要划分的频段24.25~27.5 GHz 37~40.5 GHz42.5~43.5 GHz45.5~  47 GHz47.2~50.2 GHz50.4~52.6 GHz66~76 GHz和81~86 GHz和3个尚未有移动业务划分的频段31.8~33.4 GHz40.5~42.5 GHz和 47~47.2 GHz开展共存研究

该议题的研究内容具体包括3方面的内容频谱需求预测研究候选频段研究以及系统间干扰共存分析

a 频谱需求预测主要是分析?#30053;?#39057;谱的必要性具体而言频谱需求研究基于历史数据综合未来发展各种影响因素结合移动通信数据增长预测趋势考虑特定技术系统的?#24615;?#33021;力分析未来频率需求问题给出不同阶段的所需频谱总量作为?#30053;?#39057;谱的基础

b 候选频段研究基于频谱需求的研究结论选择并提出合?#23454;?#30446;标频段需要充分考虑业务划分情况移动通信系统需求设备器件制造能力等综合因素初步选择合?#23454;?#30446;标频段各国各标准化组织立足于本国本地区的频率使用现状提出初步的候选频段

c 系统间共存研究主要评估所选目标频段的可用性主要根据所提候选频段的业务划分系统规划和使用现状并基于现有业务或系统的技术特性部署场景等因素开展移动通信系统与现有或拟规划的其他系统之间兼容性研究毫米波频段主要以空间业务为主

在WRC15之后的WRC-19第1次筹备组会议CPM19-1会议上确定了ITU-R负责该议题的研究组是5G毫米波特设工作组TG5/1负责兼容性共存分析并形成CPM报告给出全球5G频率规划建议同时进一步确定由ITU-R WP5D完成24.25~86 GHz频段?#27573;?#20869;IMT频谱需求预测IMT技术与操作特性参数研究由ITU-R SG3负责共存研究所需要的传播模型ITU-R其他组包括SG4SG5SG6SG7负责向TG51提供相关频段上原有业务的参数及保护准则等内容WRC19 1.13议题在ITU-R层面的组织架构及推进关系如图2所示

图2  WRC19 1.13议题在ITU层面的组织架构及推进关系图

?#37038;?#38388;进度来看TG51先后召开6次国际研究及协调会议在2018年9月完成相应的共存分析及CPM报告其中一些关键时间点为第2次会议之前为准备阶段TG51等待?#37038;?#26469;?#20113;?#20182;研究组提供的用于开展兼容性共存分析的系统参数传输模型等之后的5次会议根据各国及研究组织提交的研究结果进行?#33268;ۡ?#34701;合提炼形成最终的结论见图3

图3  TG51工作时间计划

WRC19 1.13议题的主要目标是致力于为5G寻求全球或区域协调一致的毫米波频段是全球开展5G毫米波研究的重要依托因此该议题研究走向对全球5G频率规划有重要影响多数国?#19968;?#22320;区将根据议题进展及结果开展规划从?#25345;?#24847;义上说一个国?#19968;?#22320;区要引领全球5G频谱发展走向就需要依托1.13议题通过议题研究将国?#19968;?#21306;域观点全球化

2.1.2  3GPP已加速5G新无线系统NR频段研究

2016年3月3GPP第71次RAN全会上通过了Study on New Radio Access Technology的研究课题以研究面向5G的新无线系统NR接入技术目前根据3GPP 5G路标基于部署需求的5G NR标准制定分为2个阶段第1阶段的标准在2018年6月Rel. 15完成制定?#26376;?#36275;2020年之前的5G早期网络部署需求第2阶段的标?#21450;?#26412;需要考虑与第1阶段兼容计划在2019年底Rel.16完成制定并作为正式的5G版本提交ITU-R IMT-2020

在5G NR的研究课题阶段3GPP开展了关于6 GHz以上信道模型的研究3GPP TR 38.900同时研究并确定了NR的需求及场景3GPP TR 38.913并基于此启动了NR技术方案评估提出一系列NR接入技术方案以支持Rel 15标准制定2017年3月举行的3GPP RAN 75次全会通过了5G NR接入技术的研究项目SI结题并正式启动了 5G新无线系统接入技术的Rel.15标准制定工作立项建议书中列出了拟定义的NR频段包括新NR频段?#27573;?#21450;LTE重耕频段以及NR与LTE的双连接或CA的频段组合并再根据需求?#20013;?#26356;新根据2018年2月86次RAN4会议的输出目前3GPP TR 38.817中列出的NR频段如表1所示

表 1 3GPP R15中引入的NR频段

2.2  各国政府纷纷制定5G频谱政策加速5G规划

频谱作为无线通信的基础战略资源对5G产业发展至关重要为引导5G产业发展抢?#38469;?#22330;先机从2016年开始包括美国欧盟韩国日本等在内的全球主要国?#19968;?#21306;域纷纷制定5G频谱政策

2.2.1  美国实现5G高低频频谱布局

美国联邦通信委员会FCC分别在高中低频段开放频谱资源用于5G技术总结主要有3点

a 规划丰富高频资?#30784;?016年7月14日美国全票通过将24 GHz以上频谱用于无线宽带业务的规则法令共规划10.85 GHz高频段频谱用于5G无线技术包括28 GHz27.5~28.35 GHz37 GHz37~38.6 GHz39 GHz38.6~40 GHz共3.85 GHz许可频谱和64~71 GHz共7 GHz免许可频谱同时2017年11月16日FCC发布新的频谱规划批准将24.25~24.45 GHz24.75~25.25 GHz和47.2~48.2 GHz频段共1 700 MHz频谱资源用于5G业务发展至此美国FCC共规划了12.55 GHz的毫米波频段的频谱资?#30784;?/P>

b 重视中频频段共享2015年4月美国FCC为公众无线宽带服务CBRS在3.5 GHz频段3 550~3 700 MHz提供150 MHz的频谱建立了3层频谱共享接入体系SAS监管模式并?#24066;?#36827;行试验SAS在保护?#24310;?#19994;务的基础上发?#37038;?#22330;机制引入公众无线宽带服务AT&T已经正式向FCC提出在3.5 GHz频段进行5G设备测试的特殊临时权限

c 释放低频资?#30784;?#32654;国在WRC15会议上通过添加脚注方式标识了2阶段数字红利频段470~698 MHz为IMT系统使用2017年4月完成600 MHz频段的拍卖T-Mobile成最大赢家并计划用于5G部署

2.2.2  欧盟发布5G频谱战略力争抢占5G部署先机

2016年11月10日欧盟委员会无线频谱政策组RSPG发布?#20998;?G频谱战略明确提出3 400~3 800 MHz频段将作为2020年前?#20998;?G部署的主要频段1 GHz以下700 MHz将用于5G广覆盖在毫米波频段方面明?#26041;?6 GHz24.25~27.5 GHz频段将作为?#20998;?G高频段的初期部署频段RSPG建议欧盟在2020年前确定此频段的使用条件建议欧盟各成员国保证26 GHz频段的一部分在2020年前可用于满足5G市场需求此外欧盟将继续研究32 GHz31.8~33.4 GHz40 GHz40.5~43.5 GHz频?#25105;?#21450;其他高频频段

2.2.3  日本发布无线电政策报告明确5G频谱?#27573;?/STRONG>

2016年7月15日日本总务省MIC发布了面向2020年无线电政策报告明确5G候选频段低频包括3 600~3 800 MHz和4 400~4 900 MHz高频包括27.5~29.5 GHz频段和其他WRC-19研究频段面向2020年5G商用日本主要聚焦在3 600~3 800 MHz4 400~4 900 MHz频段和27.5~29.5 GHz频段

2.2.4  韩国变更C频段规划明确5G频谱高低频并重

2016年11月7日韩国未?#21019;?#36896;科学部MSIP宣布原计划为4G准备的3.5 GHz3 400~3 700 MHz频谱转成5G用途2017年回收已发放的3.5 GHz频谱后续作为5G频谱重新发牌2018年韩国平昌?#30053;?#20250;期间3个运营商在26.5~29.5 GHz频段部署5G试验网络展示5G业务

2.2.5  德国发布5G频谱规划涵盖高中低频4个频段

德国于2017年7月13日宣布了国家5G战略发布更多5G频谱规划具体涉及4个频段2 GHz频段即1 920~1 980 MHz/2 110~2 170 MHz该频段在德国主要用于3G业务目前的许可将在2020年或者2025年到期到期回收以后德国计划继续用于移动通信作为5G的工作频段3.4~3.8 GHz频段用于移动通信对于700 MHz频段德国已经在2015年6月完成拍卖下一步将继续把738~753 MHz作为SDL补充下行链路划分给5G使用对于26和 28 GHz频段与欧盟不同德国已经确定采用28 GHz频段作为5G频段具体为27.828 5~28.444 5 GHz和28.948 5~29.452 5 GHz同时德国也没有完全将   26 GHz频?#38395;?#38500;在外继续将其作为研究频段

2.2.6  英国发布5G频谱规划征求意见稿

Ofcom在2017年2月发布的5G频谱规划报告中表明其5G频谱将与欧盟无线频谱政策小组RSPG一致选择700 MHz3.4~3.8 GHz24.25~27.5 GHz作为高中低频段频谱目前英国已经完成了3.4~3.6 GHz频段的清理工作并开展700 MHz频段的清理工作

整体来看全球对5G的频谱构架?#29616;?#22522;本趋同统筹高中低频段的频谱资?#30784;?#26410;来5G网络将是高低频谱协同组网中频段主要指C频段3 400~3 800 MHz将是全球5G部署的核心频段是5G网络的主要覆盖与容量层高频段24.25~27.5 GHz28 GHz和40 GHz频段是高频段方面的热点是5G网络超大容量层用于满足大容量高速?#23454;?#19994;务需求1 GHz 以下如700 600 MHz为5G网络的覆盖层主要满足广域和深度室内覆盖

3  国内5G频谱规划及分配启示

3.1  尽快完成5G中频分配引领全球5G发展

为适应和促进5G系统在我国的应用和发展我国于2017年底发布5G系统在3000~5000 MHz频?#25991;?#30340;频率使用规划规划明确了3 300~3 400 MHz原则上限室内使用3 400~3 600 MHz和4 800~5 000 MHz频段作为5G系统的工作频段明确了5G部署的中频资?#30784;?/P>

从全球的趋势来看各运营商加速了5G商用计划平昌冬奥会上韩国展示5G业务美国运营商AT&T计划在2018年底前在12个城?#22411;?#20986;5G商用服务2018年即将开启5G商用元年据GSA统计截至2018年1月初全球共有56个国家/地区的113家移动运营商正在对5G支持和候选技术进行测试试验或获得许可开始现场试验已经有17个国家/地区发布了5G频谱拍卖或5G商用牌照发放计划

我国要实现5G全球引领作为5G部署的首发频段需要尽快完成5G中频的分配为运营商部署5G网络落实频率资?#30784;?#22312;5G中频分配时建议重点考虑以下2点

a制定方案解决3 400~3 600 MHz及4 800~5 000 MHz频段上与卫星固定业务FSS下行的干扰问题制定协调机制解决运营商与卫星操作者频率使用协调问题以便运营商在此频段上进行5G规模部署

b 为单运营商初期部署分配至少100 MHz连续带宽5G愿景和需求白皮书提出5G系统需要提供比4G更高的性能5G需支持大于100 Mbit/s的单用户体验速率真实网络环境下用户可获得的最低传输速率?#20197;?#28909;点地区需满足1 Gbit/s用户体验速率从连?#37038;?#23494;度和用户体验等KPI角度评估为了达到0.1~1 Gbit/s用户体验速率至少需要100 MHz连续带宽同时配合5G关键技术包括Massive MIMO等才能在复杂环境下?#34892;?#20445;证小区峰值速率平均速率以及小区边缘速率

3.2  明?#27867;?#31859;波频段资源发布高频规划

在高频段方面我国主管机构也是依托WRC191.13议题研究组IMT20205推进组等平台开展了相关的工作依托WRC19 1.13议题平台由频率主管机构牵头组织相关单位开展24.75~27.5 GHz及37~42.5 GHz频段上5G系统与其他业务的兼容性分析2017年6月工信部对24.75~27.5 GHz37~42.5 GHz或其他毫米波频段用于5G系统进行了公开意见征集在2017年7月召开的亚太区域组织会议APG19~2上我国阐述了在议题候选频段中优先研究24.75~27.5 GHz及37~42.5 GHz频段的观点2017年7月3日工信部?#30053;?.8~5 GHz24.75~27.5 GHz和37~42.5 GHz频段用于中国5G技术研发试验但总的来说还没有明确的规划文件发布对于产业界来说频段信息不明确

从目前毫米波频段产业发展的情况来看设备及芯片方面国内已经有高频技术及制造能力之前的?#26412;?#24576;柔外场测试也显示出国内厂商具备高频技术能力并已提供相应高频样机但距离规模商用还需芯片产业链培育?#28909;?#21457;展?#32479;?#26412;高工艺的芯片测试仪器及仪表方面目前阶段还没有可支持5G毫米波商用的测试仪表需要尽快明确频谱规划?#28304;?#36827;仪器仪表厂商投入开发

尽早频率规划可?#28304;?#36827;产业链成熟及完善建议国家能够尽快明确高频资源以引导产业化布局促进产业链成熟从国际上高频的研究进展和各国对高频规划及发布的观点来看24.75~27.5 GHz 和37~42.5 GHz被广泛认为是高频早期商用频?#25105;?#21450;潜在全球5G一致频段建议国家能够平衡IMT和卫星国防科学研究广播等业务的发展争取24.75~27.5 GHz 和37~42.5 GHz频段资源用于未来5G发展

从频率需求的角度分析根据ITU预测结果为支持5G系统20 Gbit/s峰值速率和1 Gbit/s体验速率高频需要14.7~19.7 GHz带宽其中43.5 GHz以下频率需要5.8~7.7 GHz带宽以支持室外高频及室内灵活部署从单运营商用频需求来看毫米波频段各频段上至少需要800~1 600 MHz连续频谱资源满足2~4个载波的部署需求具体在24.75~27.5 GHz26 GHz频段?#27573;?#20869;至少需要800 MHz连续频谱资源在37~42.5 GHz40 GHz频段?#27573;?#20869;至少需要1 600 MHz连续频谱资?#30784;?#22240;此建议规划全部24.75~27.5 GHz 和37~42.5 GHz频段资源用于5G发展

3.3  规划低频资源

低频段尤其是1 GHz以下频谱资源是移动通信系统的?#24179;?#39057;率相对于中频段高频段可以获得更好的室内和广域覆盖效果历界WRC会议为支持移动通信的发展已经标识了总带宽约510 MHz的1 GHz以下IMT频谱资源主要包括450470 MHz698960 MHz470698 MHz 3个频段其中各国标识用于IMT的频谱资源不同从移动通信的发展历程来看低频在不同网络时代都发挥着不?#21830;?#20195;的作用2G时代850及900 MHz频段用于CDMA及GSM网络的部署3G时代在部署后期多数运营商选择重耕850及900 MHz满足广域场景覆盖需求4G时代数字红利频段798~806 MHz在全球得以广泛应用作为运营商实现4G大覆盖和室内穿透的骨干频谱5G即将开始欧盟5G战略规划明确提出采用700 MHz进行5G广覆盖美国2阶段数字红利频段470~698 MHz拍卖完成用于5G低频部署韩国日本在2016年均进行了700 MHz频段的拍卖为提供5G服务做准备由此可以看出主要国家的低频资源是非常丰富的也为5G发展储备了低频资?#30784;?/P>

我国目前规划并分配给运营商的1 GHz以下频谱资源共72 MHz包括中国电信825~835/870~880 MHz共210 MHz中国移动889~909/934~954 MHz共2 20 MHz中国联通909~915/954~960 MHz共26 MHz且目前频段上不同程度?#24615;?#30528;2G/3G/4G业务并计划部署NB-IoT等物联网技术预计3~5年内难以完全清退用于5G eMBB网络部署为更好满足未来5G 网络的发展我国亟需1 GHz以下的低频谱资源如700 MHz需要尽快推动相关频段的规划

4  结束语

频谱资源是推动5G标准与产业进程的关键因素在寻找新的频谱资源的过程中移动通信产业受到来?#20113;?#20182;行业的巨大阻力为实现国家十三五规划信息产业发展目标保障我国在5G时代的引领地位我国需要平衡IMT和卫星国防科学研究广播等业务的发展为5G未来发展提供资源保障

参考文献

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作者简介

周瑶高级工程师硕士主要?#37038;?#39057;率干扰共存频率申请及规划频率相关国际国内标准组织研究工作

尹安祺主要研究方向为移动通信技术移动互联网物联网IT应用等 

编 辑?#36335;?/div>
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