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全球5G频谱研究概述及启迪

【字体: 2017年09月12日 09:04 来源:国家无线电监测中心 作者:李芃芃 方箭 伉沛川 郑娜

移动通信在当代社会中发挥着重要作用,与时代的进步相辅相成、演进不息。从上世纪80年代第一代移动通信系统(the first generation of mobile communication, 1G)诞生至今,移动通信技术从最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话发展到满足各种多媒体接入的4G宽带网络。移动网络以前所未有的速度向各行各业渗透,成为连接人类社会的血管与经脉[1]。

目前,4G网络部署方兴未艾,5G研究已经在全球范围内如火如荼开展。5G系统可以为用户提供超高速率数据传输、小于4G系统10倍的低延迟通信体验,支持海量设备接入、具有高安全性和灵活性,并将与物联网、工业互联网和车联网等领域融合发展,构建泛在高效的信息网络。同时,将促进超高清视频、虚拟现实(Virtual Reality, VR)和增强现实(Augment Reality, AR)等媒体类业务,无人驾驶汽车、实时交通管控、智能电网、电子医疗、远程设备控制、高精度定位系统等物联网和云计算业务蓬勃发展[2]。

据预测,未来20年,全球无线数据流量将增长至现在的1000倍,在移动通信业务量爆炸式增长的背后,除了通信技术亟待演进与革新,频谱资源作为实现信息无所不在的载体和具有重要战略意义的稀缺资源,也面临着巨大的缺口与压力。为了在国际博弈和竞争中获取有利地位,加快5G网络试验和商用的进程,各国纷纷着手为5G谋划频率资源,我国也于近期发布的《国家无线电管理规划(2016-2020年)》中,明确表示将“适时开展公众移动通信频率调整重耕,为 IMT-2020(5G)储备不低于500MHz 的频谱资源”[3]。

本文根据国际电信联盟(ITU) 5G愿景建议书,分析了5G系统所考虑的候选频段;结合ITU相关议题研究情况,给出了全球5G频率的最新动向,并基于各国频率使用情况、产业格局等方面着重分析了高、中、低候选频段的现状和未来使用趋势;最后,提出了我国5G频率研究建议和启迪。

1  基于5G愿景的频谱架构

自2012年以来,ITU启动了5G愿景、未来技术趋势和频谱规划等方面的前期研究工作。2015年,ITU发布了5G愿景建议书,提出了IMT-2020系统的目标、性能、应用和技术发展趋势、频谱资源配置、总体研究框架和时间计划[4],以及后续研究方向。

在应用场景方面,未来的5G系统将支持增强的移动宽带(Enhance Mobile Broadband, eMBB)、具有高可靠性和超低时延的通信(Ultra Reliable and Low Latency Communication, uRLLC)以及大规模机器间通信(Massive Machine Type of Communication, mMTC)三大类主要应用场景[5]。


图1  IMT-2020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,每平方公里100万的连接数密度,1 ms的空口时延,500km/h的移动性支持,每平方米10 Mbit/s的流量密度等关键能力指标(如图2所示),相对4G提升3到5倍的频谱效率、百倍的能效。

图2  IMT-2020不同应用场景下的关键性能指标

为满足上述愿景,5G频率将涵盖高、中、低频段,即统筹考虑全频段,高频段一般指6GHz以上频段,连续大带宽可满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求,但是其覆盖能力较弱,难以实现全网覆盖,因此需要与6GHz以下的中低频段联合组网,以高频和低频相互补充的方式来解决网络连续覆盖的需求[6]。

2全球5G频谱研究动态

全球5G频率规划工作主要在ITU等国际标准化组织的框架下开展。相关工作进展如下:

对于5G高频段而言,为满足国际移动通信(International Mobile Telecommunication, IMT)系统在高频段的频率需求,2019年世界无线电通信大会(WRC-19)研究周期内新设立了1.13议题[7],在6GHz以上频段为IMT系统寻找可用的频率,研究的频率范围为24.25-86GHz。其中,既包括24.25-27.5GHz、37-40.5GHz、42.5-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-50.2GHz、50.4-52.6GHz、66-76GHz 和 81-86GHz上述8个已有移动业务为主要划分的频段,还涵盖31.8-33.4GHz、40.5-42.5GHz 和 47-47.2GHz 这3个频段尚未划分给移动业务使用的频段。

对于5G中低频段而言,2015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将与已有的IMT-2000(3G)、IMT-A(4G)组成新的IMT系列。这标志着在国际电联《无线电规则》[8]中现有标注给IMT系统使用的频段,均可考虑作为5G系统的中低频段;同时,WRC-15大会通过相关决议,以全球、区域或部分国家脚注的形式新增了部分频段,供有意部署IMT系统的主管部门使用。具体如表1[9]

表格1 5G系统中低频候选频率及相关脚注

对于世界上的主要国家和地区,其重点关注和规划的频段与ITU的标准频段基本相符;此外,各国也可根据自身频率划分和使用现状,将部分ITU尚未考虑的频段纳入5G用频范畴。近期,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)[10]通过了将24GHz以上频谱规划用于无线宽带业务的法令,包括27.5-28.35GHz、37-38.6GHz和38.6-40GHz频段共计3.85GHz带宽的授权频率,以及64-71GHz共计7GHz带宽的免授权频率。2016年9月,欧盟委员会正式发布了5G行动计划《5G for Europe: An Action Plan》[11],表示将于2016年底前为5G测试提供临时频率,测试频率将由1GHz以下、1-6GHz和6GHz以上频段共同组成;并将于2017年底前确定6GHz以下的5G频率规划和毫米波的频率划分,以支持高低频融合的5G网络部署。欧盟将为5G重点考虑700MHz、3.4-3.8GHz、24.25-27.5GHz、31.8-33.4GHz、40.5-43.5GHz等频段;2016年11月,在征求意见基础上,经过三个月的研究和协商,欧盟委员会无线电频谱政策组(RSPG)正式发布5G频谱战略[12],明确24.25-27.5GHz、3.4-3.8GHz、700MHz频段作为欧洲5G初期部署的高中低优先频段。在亚洲地区,韩国计划2018年平昌冬奥会期间,在26.5-29.5GHz频段部署5G试验网络;日本总务省(MIC)发布了5G频谱策略,计划2020年东京奥运会之前实现5G网络正式商用,重点考虑规划3.6-4.2GHz、4.4-4.9GHz、27.5-29.5GHz等频段。

2016年11月,中国在第二届全球5G大会上陈述了5G频率规划思路,将涵盖高中低频段所有潜在频率资源。具体而言,2016年初批复了3400-3600MHz频段用于5G技术试验,并依托《中华人民共和国无线电频率划分规定》修订工作,积极协调3300-3400MHz、4400-4500MHz、4800-4990MHz频段用于IMT系统。并 2017年6月就3300 ~3600 MHz、4800 ~5000 MHz 频段的频率规划公开征求意见。 同时,梳理了高频段现有系统,并开展了初步兼容性分析工作,并于 2017 年 6 月就24. 75 ~27. 5 GHz、37 ~ 42. 5 GHz 或其他毫米波频段的频率规划公开征求意见。针对于物联网的应用,允许5905-5925MHz频段用于LTE-V试验,确定了窄带物联网(Narrow Band-Internet of Things, NB-IoT)应用的用频思路,其将为5G物联网未来应用提供先导示范。

3 潜在候选频段现状及分析

3.1高频候选频段分析

5G高频候选频段的形成主要取决于WRC-19 1.13议题研究情况。从全球来看,该议题所提出的11个潜在候选频段涉及固定、卫星固定、卫星间、卫星地球探测、无线电导航、无线电定位等多种业务,主要应用于卫星、航天、导航、军事等多个领域,复杂的频谱使用情况使协调面临很大难度。此外,5G系统的技术参数、部署场景、传播模型仍在研究之中,候选频段也无法最终确定。

尽管ITU的高频段议题研究尚需时日,为在全球5G发展中占得先机,以美国、欧洲、日本、韩国为首的国家,目前,已聚焦或发布了各自的5G高频规划,基于电波传播特性考虑,主要重点关注45GHz以下频段。

具体而言,美国在统筹考虑国内的卫星、航天、军事系统后,率先将27.5-28.35GHz、37-38.6GHz、38.6-40GHz频段以频率授权管理的模式规划给5G使用。其中,在27.5-28.35GHz频段,将固定无线接入扩展为移动接入应用,同时,为实现IMT与卫星固定业务的兼容,对该频段卫星地球站的规模进行了限制;在37-38.6GHz和38.6-40GHz频段,以200MHz为带宽对频率进行划分,并要求IMT系统与现有军事等应用共存。规划出台后,美国的Verizon和AT&T两大运营商表示将于2016年底至2017年初在上述频段启动5G技术试验。此外,美国还以频率非授权管理的模式将64-71GHz频段规划给5G,将其作为57-64GHz频段的扩展,以形成14GHz带宽的连续频谱资源,主要用于支持IEEE 802.11ad以及后续演进的IEEE 802.11ay协议的无线局域网;同时,美国在WRC-15大会上积极推动设立相关WRC-19议题[13],以形成5150-5925MHz近800MHz的连续频谱,用于更好地支撑基于IEEE 802.11ac以及后续演进的IEEE 802.11ax协议的无线局域网。上述无线局域网的频率规划工作将成为美国为在5G时代全球竞争中的重要举措。

在欧洲,基于其现有的卫星、军事等应用,欧洲邮电管理委员会(Confederation of European Posts and Telecommunications, CEPT)聚焦于24.25-27.5GHz、31.8-33.4GHz和40.5-43.5频段,明确24.25-27.5GHz频段为24GHz以上频段的现行频段,并对其他高频段的适用性开展研究,从而建立相应的时间表。此外,英法等国也根据本国现状,确立了优先研究频段。目前,欧盟委员会正在对5G频段进一步广泛征求意见,预计于2017年确定后续高频候选频段。

亚太地区的观点形成主要依托于世界无线电通信大会亚太电信组织筹备组(The Asia-Pacific Telecommunity Conference Preparatory Group for WRC, APG)平台,目前,APG19-1会议确定了WRC-19研究周的组织结构、工作计划、工作方法等,对于高频段议题的研究尚未启动。中国明确了高频段全球一致性和ITU框架下开展的基本原则,并重点强调20-40GHz频段在eMBB场景特别室外覆盖的重要意义。对于日本和韩国,由于高频段现有业务使用较少,基本确定在25GHz和28GHz等频段。

对于中国、美国、欧洲等国家和地区而言,既是移动通信应用大国,又是航天军事大国,其高频段的结论和观点对全球5G高频确立影响深远。中国高频策略需要立足于本国使用和产业现状,也需要紧跟欧美步伐,统筹兼顾合理利用,在兼容基础上为5G寻找更多的资源。同时,相比于传统移动通信, 5G系统使用高频段将对其芯片和仪表制造、组建网络等方面都带来极大挑战,从另一个角度看,各种新技术的诞生也将孕育出机遇和潜能。

3.2中频候选频段分析

中频段相对于高频段有较好的传播特性,相对于低频段有更宽的连续带宽,可以实现覆盖和容量的平衡,满足5G某些特定场景的需求,同时,也可作为部分物联网场景(例如uRLLC等)。目前,全球大部分国家和组织对于中频段的具体范围没有确切的定义,但普遍认为3-6GHz作为中频段重要资源。ITU将3400-3600MHz标识用于IMT,并逐渐成为全球协调统一频段,同时,WRC-15大会新增了3300-3400MHz 、4400-4500MHz、4800-4990MHz等频段。

对于3GHz附近频段而言,现有主要业务为卫星固定、固定、航空移动等业务,5G系统使用需要与之进行协调。因此,各国在此频段释放的频谱资源数量和具体频段,尤其与卫星、军事的应用现状密切相关。

具体而言,在美国,3550-3700MHz频段的使用与全球大部分国家有所区别,其现有应用主要为军用雷达(海岸警卫队雷达),为在该频段引入移动通信系统,采取了基于三层架构的频谱接入系统(Spectrum Access System, SAS),采用LTE-U等技术实现服务,难以直接将该频段用于5G系统,此外,考虑到美国划分和使用情况,也难以在3GHz附近频段释放出其他的频谱资源。在欧洲,由于其C波段卫星使用较少,早前已将IMT系统的使用频段聚焦于此,现有少部分国家使用其中的3400-3600MHz频段用于部署LTE系统,但未形成规模。目前,欧盟已将3400-3800MHz频段用于5G系统面向公众广泛征求意见,经研究,明确该频段为2020年前欧洲部署5G的主要频段,连续400MHz带宽有利于欧盟在全球5G部署中占得先机。在亚洲,由于卫星产业、卫星轨道资源、使用现状等因素,C波段卫星在中国、越南、马来西亚等国,协调难度较大,对于日本、韩国而言,其卫星使用已经逐步转向Ka、Ku等频段,所以均在C波段扩展了较大的潜在资源。如日本聚焦于3600-4200MHz、4400-4990MHz频道(3480-3600MHz频段已用于LTE),韩国聚焦于3400-3700MHz频段。另外,5.8GHz、5.9GHz频段在部分国家作为车联网(包括802.11p和LTE-V)的使用频率,其也将成为5G系统V2X潜在频率资源。

在全球,中国、日本、韩国、欧洲等均对将C波段作为5G系统候选频段表现出了极大关注度。考虑到我国目前高频产业现状,C频段也将成为我国5G潜在用频的重要组成部分,而且可能成为2020年前先期使用频段,需要积极协调各方诉求。另外,需要重点关注和推动5.9GHz频段在物联网特别是车联网上的使用。

3.3低频候选频段分析

低频段一般是指3GHz以下频段,目前2-3GHz频段已有部分资源规划用于IMT,并且部署了相关系统,未来可重耕用于5G系统。本节重点关注1GHz以下频段,其有良好的传播特性,可以支持5G广域覆盖和高速移动下的通信体验,以及海量的设备连接。在ITU层面,主要包括已标注给IMT的450-470MHz和698-960MHz频段,同时,WRC-15大会新增了470-698MHz频段,上述频段构成了5G系统的1GHz以下的潜在频率资源。

从应用角度分析,1GHz以下的5G频谱主要来源于两部分:数字红利[14]释放的频谱和现有系统部署的频谱。对于数字红利频段,由于全球经济和社会发展的差异性,特别是广播电视业务现状、模数转换方案、移动通信发展诉求等方面世界各国千差万别,导致所释放数字红利频段的数量、具体频段都不尽相同。另外,1GHz以下频段作为传统移动通信的重要频段,已经部署和运营了GSM、CDMA、WCDMA、LTE等多种系统,这些频段何时能用于5G,取决于用户需求、网络运营周期、5G与现有网络的衔接等多种因素。

具体而言,美国在850MHz频段上原来主要部署的是CDMA系统,现已逐步重耕用于LTE系统,而释放的700MHz数字红利频段也被广泛用于LTE系统,在WRC-15上,美国成功将470-608MHz、618-698MHz频段标注给IMT系统,同时,FCC采用激励拍卖方式调整目前地面电视的600MHz频段用于公众移动通信。上述频段中600MHz频段极有可能作为美国5G低频先发频段。在欧洲,900MHz频段原主要用于GSM,现在已逐步重耕用于WCDMA和LTE系统,而数字红利释放的800MHz频段成为欧洲LTE系统的重要组成部分,另外,WRC-15 1.2议题确立了700MHz频段的规划方案以及使用条件,700MHz频段也作为欧洲5G用频先发频段的重要组成,其将成为欧洲5G低频解决广域覆盖的重要拼图。在亚洲,800MHz和900MHz作为传统的CDMA与GSM频段,目前也逐步重耕到LTE系统,而700MHz频段作为数字红利释放频段,在部分国家也逐步用于LTE,例如日本。

为提高频谱使用效率,满足应用需求,国内积极支持800MHz和900MHz部分频段升级到LTE系统,并引入NB-IoT等4G演进技术,在未来将根据网络发展现状和需求,适时用于5G系统。

4 5G频率研究建议和启迪

4.1 5G频率工作应融入国家重大战略部署

《国家十三五规划纲要》[15]指出,要加快构建高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施,积极推进5G发展,于2020年启动5G商用。2016年7月,我国发布了《国家信息化发展战略纲要》[16],要求“协调频谱资源配置,科学规划无线电频谱,提升资源利用效率”,并明确将频率作为国家信息化发展的重要基础设施,强调要积极开展5G技术研发、标准和产业化布局,并在2025年建成国际领先的移动通信网络。上述文件作为推动国家经济社会以及我国信息化发展的纲领性文件,充分表明5G系统将成为信息化驱动现代化、建设网络强国、提供普遍服务的重要基础设施。而5G频率作为基础资源,应着眼于新一代信息基础设施建设和国家信息化发展的大局。

相对于以往的历代移动通信系统,5G不仅满足人和人之间的通信,还将渗透到未来社会的各个领域,形成以用户为中心的全方位信息生态系统。5G系统将助力“宽带中国”、《中国制造2025》、“互联网+”行动计划等国家重大战略的实施,因此,在制定5G频率规划时,可以重点支持我国优先发展的领域和方向,比如工业物联网、车联网等,为其试验和商用提供资源保障,推动产业成熟。

总体而言,5G频率工作不仅要符合我国无线电管理的新方向和新思路,同时,还应立足于国家经济社会发展的重大政策。

4.2  5G频率规划和使用需深耕细作

(1)建立基于频谱需求预测的精准供给机制

频谱需求预测分析是基于历史数据[17],综合考虑未来各种影响因素,结合行业发展情况,采用合适的科学分析方法,提出切合实际的频谱需求目标,为行业的中长期发展提供资源储备。合理的需求分析是保证各行业用频和发展的前提,是频率合理有效利用的基础。做好各行业频谱前期需求论证工作,可为无线电管理部门制定中长期规划提供依据。由于5G系统应用呈现出多样化、个性化、差异化的特点,不同的应用场景在频段选择、带宽需求上都有较大差异,需要综合考虑不同频段的电波传播特性、应用需求、产业趋势等因素,开展更加精细化的需求预测,在总量有限的情况下优先保证基本需求和重点发展方向,鼓励采用载波聚合、混合组网技术,整合碎片化零散频率资源,实现5G频率的精准供给。

(2)建立协同合作的频谱使用共享机制

目前,频率资源已应用于多个行业和部门,规划调整涉及军地、多个行业和部门利益,5G频率规划难度加大。应不断加强军地、空地间协调和合作,在兼顾各行业规划发展需要基础上,综合考虑经济社会发展和国防建设等因素,从国家层面统筹频率资源,实现优化配置和高效利用。从美国高频使用方式可以看出,其通过法规制定、技术约束等条件鼓励频率资源实现共用。而5G系统相比于原来移动通信系统,应用更加细化,特别是对于中高频使用,不再要求全程全网、连续覆盖,将呈现出区域化、集中化的特性,同时,考虑到其电波传播特性,为5G系统与其他系统共享创造条件。目前,我国公众移动通信主要以独占方式使用频率资源,考虑到5G系统部署特点和候选频段特性,在5G频率规划时,频率管理模式将是独享执照、共享执照、轻执照、免执照等多种管理模式的合理结合。我们应秉承创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,积极加强行业和部门间协作,特别利用国家军地融合发展的契机,促进规划、台站等数据资源共享和使用,利用大数据、云计算思路,实现5G系统与现有其他系统的兼容共用,精细化使用频率资源。

4.3 5G频率工作应加强全球合作

5G标准化工作是在ITU和3GPP等国际标准化组织下统一开展的,频率工作虽然需要考虑各国、各地区众多自身因素,但由于移动通信的产业和使用具有全球化的特征,5G 频率工作也具有全球化的属性。对于5G频率规划工作,应充分利用ITU 、APT等平台,加强国际频率协调,在兼顾我国优先频段基础上,推动形成5G 全球统一工作频率。另外,依托政府层面的国际合作机制,加强IMT-2020与欧盟5G科研项目组METIS、5G公私合作联盟(5G Public-Private Partnership Association, 5G-PPP)、下一代移动通信网(Next Generation Mobile Networks, NGMN)联盟、无线世界研究论坛(Wireless World Research Forum, WWRF)等国际组织在频率方面的合作。

5  结束语

5G建设是实现制造强国和网络强国的重要着力点,而频谱作为5G网络发展的基础资源,更需要深耕细作,在全面评估频谱需求的基础上,提高存量资源利用效率,合理规划、配置增量资源。


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原文刊登于《电讯技术》2017年第六期,如需转载请与《电讯技术》杂志社联系。


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