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5G频谱研究现状及展望

【字体: 2017年07月12日 10:03 来源:国家无线电监测中心 作者:方箭 李景春 黄标 冯岩

1 引言

近年来,全球信息通信产业移动化、宽带化和智能化的发展趋势日益明显。随着传统工业与互联网的融合、物联网的蓬勃发展,无线数据流量快速增长,信息消费将成为经济增长新引擎。移动通信的发展不仅深刻地改变了人们的生活方式,并且已经成为推动国民经济发展、提升社会信息化水平的重要驱动力。  

与此同时,面向2020年及未来的第五代移动通信(5G)系统的研发已在全球范围内如火如荼地开展。为了在未来5G发展中抢占先机,世界主要国家及相关企业纷纷加大5G研发投入,致力于5G需求、关键技术、标准及频谱研究等方面,日本、韩国等国家也提出了本国5G商用时间表。同时,世界三大主流标准化组织ITU、3GPP、IEEE也先后启动了面向5G概念及关键技术的研究工作,旨在加速推动5G标准化进程。

相对于以往的各代移动通信系统,5G不仅是立足于移动通信产业本身,实现信息沟通的桥梁,还将与物联网、工业互联网和车联网等领域融合发展,带来海量接入和极速速率需求,引发网络管道流量的爆炸增长。据分析,2010年到2020年全球移动数据流量的增长将超过200倍,2010年到2030年的增长将接近2万倍。

利用新技术提高频谱效率和拓展新的频谱资源是满足增长业务需求两种最重要的途径。在5G新技术方面,大规模天线阵列、超密集组网、非正交传输和全双工等技术的应用将会极大提升系统频谱效率。在5G频谱方面,将根据系统的应用特点,拓展更多、更合适的频谱资源。

本文将依据5G应用场景分析5G频谱总体框架,立足于5G频谱核心工作内容,概述国内外5G频谱的研究进展,给出未来5G频谱研究的方向,最后结合无线电管理实践工作,说明5G对未来无线电管理工作的影响和挑战。

2 5G频谱框架

2015年6月,ITU-R 5D完成了5G愿景建议书,定义5G系统将支持增强的移动宽带、海量的机器间通信及超高可靠和超低时延通信等三大类主要应用场景,如图1所示。同时,5G系统将支持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,相对4G提升3到5倍的频谱效率、百倍的能效,50 0km/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。


图1  ITU定义的5G主要应用场景


图2  ITU定义的5G能力指标

为达到上述ITU相关建议书描述的愿景,结合国内和国际所提出的应用场景,5G将很有可能包括三类不同空中接口,而不同空口技术与频段选择是相关的,具体如图3所示。第一类为支持超大带宽以毫米波为典型的高波频段新空口,具有连续大带宽的频谱,能够实现5G超高的峰值速率能力;第二类为支持中、低频段的新空口,其传播特性具有较强的穿透和广域覆盖能力,能够实现连续广覆盖、低时延高可靠性、海量机器的通信能力,并可兼顾部分场景容量需求;第三类为LTE-Advanced及其演进,考虑到4G系统现部署在3 GHz频段以下,主要提供无处不在的100 Mbit/s用户体验,也兼顾其他场景需求。因此,为满足5G的场景和需求,未来的5G系统将是多种空口技术的组合,其频率框架将涵盖高中低频段,即着眼于全频段:高频段大带宽来解决热点地区的容量需求,但是其覆盖能力弱,难以实现全网覆盖,需要与中低频段联合组网,而中低频段来解决网络连续覆盖的需求,对用户进行控制、管理,实现高频段和低频段相互补充。


图3  5G频谱架构

从资源供给角度而言,5G频谱一方面应源于目前已规划给IMT系统的频谱,既包括现有2G/3G/4G系统在用频谱,又包括部分规划未分配的频谱。另一方面应源于拓展新的频谱,既需挖掘低端频谱,又着眼于高端频谱。

3 5G频谱核心工作内容

从WARC-92到刚刚召开的WRC-15大会上,ITU多次设立议题为公众移动通信寻求更多频谱资源,所划分的新频段目前已应用到全球3G、4G的网络部署中。一般地,所设议题的研究内容包括频谱需求预测研究、候选频段研究、系统间共存研究3个方面。世界各国和各标准化组织也基本在ITU框架下开展研究工作。这三方面研究内容按照“需求→供给→评估”的技术路线,遵循循序渐进的科学方法。

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承载能力,分析未来频率需求问题,给出不同阶段的所需频谱总量;候选频段研究基于频谱需求的研究结论,将充分考虑业务划分特性、移动通信系统需求、设备器件制造能力等因素,初步选择合适的目标频段;系统间共存研究主要评估所选目标频段的可用性,通过开展移动通信系统与现有系统之间电磁兼容研究工作,分析系统共存所需的条件,结合移动通信系统的网络部署需求,充分考虑两系统部署场景等特点,综合评估频段的可用性,最后,在共存研究基础上,以法规、规则等方式给出频段的使用要求和条件。

同样,5G频谱研究也将聚焦于上述三方面内容。但考虑到5G面向于移动互联网和物联网,应用场景呈现出多样化、差异化的特性,因此,开展5G频谱研究工作时需要充分考虑5G自身特点。

IMT频谱需求预测工作一般是在ITU框架下开展的。建议书ITU-R M.1768中提出了一套针对全球范围、较为完备的频谱预测方法。其核心特点主要包括两个方面:一是通过调查研究,对未来无线通信业务种类与市场需求进行了详细的调查统计工作;二是依据乘法原理建立了一整套“业务需求—业务环境—部署场景—接入技术”的映射关系。另外,立足于自身网络建设和发展现状,美国、中国等国家和GSMA等组织也提出了频谱需求预测方法。在3G/4G发展阶段,频谱需求结果基本以总量的形式给出。5G应用场景的差异性将导致不同场景有不同的适配频段,若仅仅以总量形式给出,则不能合理的反映5G频率需求。 因此,5G频谱需求预测需对不同应用场景、不同空中接口,分别估算出可能的带宽需求及适应的工作频段,这将更能够真实的反映未来网络的频率需求。

在候选频段研究方面,往往是基于业务划分情况,全球各国、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。之后,ITU对所提候选频段统筹分析,将合适的频段实现全球或区域性规划,例如中国曾经向ITU提交的2.3 GHz频段,逐步成为全球4G重要频段。在3G/4G时代,基于组网需求和制造能力,候选频段主要集中在3 GHz以下频段,如700 MHz、800 MHz、900 MHz、2 GHz、2.6 GHz频段等。在后4G时代,也逐渐提出了3~6 GHz频段的候选频段。而对于5G系统而言,为了满足不同场景需求,候选频段将面向全频段选择,综合满足网络对容量、覆盖、性能等需求,候选频段不仅包括3 GHz频段以下低频,还将包括3~6 GHz中低频段,同时覆盖6 GHz以上的毫米波频段等。

在共存研究方面,主要是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。在3G/4G时代,主要集中在移动业务与其他地面业务共存研究,少部分与空间业务共存研究,如700 MHz频段与广播系统、2.3 GHz频段与雷达系统、3.3 GHz频段与雷达系统,与空间业务共存也主要集中在空对地划分的空间业务,如3.5 GHz频段与卫星固定(空对地),大部分研究具有国内或区域性特点。而对于5G系统而言,共存研究除考虑上述相关场景外,特别在6 GHz以上频段,存在大量空间业务的划分。如图4~7所示,在《无线电规则》中,对6~100 GHz频段进行统计,在1区,移动业务为主要业务的划分总带宽为62.825 GHz,其中,空间业务同为主要业务的总带宽为57.98 GHz,占比约为92.29%,在2区,移动业务为主要业务的划分总带宽为62.125 GHz,其中,空间业务同为主要业务的总带宽为56.73 GHz,占比约为91.32%,在3区,移动业务为主要业务的划分总带宽为63.675 GHz,其中,空间业务同为主要业务的总带宽为58.13 GHz,占比约为91.29%;在《中华人民共和国无线电频率规划规定》中,移动业务为主要业务的划分总带宽为60.905 GHz,其中,空间业务同为主要业务的总带宽为55.71 GHz,占比约为91.47%。综上,若在6~100 GHz频段考虑移动业务作为主要划分的频段,其中约有91%左右的空间业务划分,因此,未来5G高频段需要重点研究与空间业务的共存问题。考虑到空间业务部署全球化的特点,共存研究必将更加注重国际规则角度。


图4  6~100 GHz频段1区移动业务与空间业务占比图


图5  6~100 GHz频段2区移动业务与空间业务占比图


图6  6~100 GHz频段3区移动业务与空间业务占比图


图7  6~100 GHz频段中国移动业务与空间业务占比图

4 5G频谱研究现状及展望

频谱工作是整个5G研究的重要环节,与需求、技术、组网等其他工作息息相关,因此在分析和展望5G频谱研究现状及未来发展时,需要立足整个5G工作的开展情况。

4.1国际5G频谱研究现状及展望

自2012年以来,ITU启动了5G愿景、未来技术趋势和频谱等5G国际标准化研究,拉开了全球5G研究的序幕,主要国家、标准化组织、企业也加速推动了5G的研究工作,成立一系列5G相关的研究组织,形成了以ITU为导向的全球研究框架。


图8  全球5G研究框架

近期ITU确定并发布了5G工作计划,将于2016年初启动5G技术性能需求和评估方法的研究工作,2017年底正式启动5G候选方案征集工作,2020年完成标准制定工作。同时,2015年6月,ITU确认将“IMT-2020”作为唯一的5G候选名称上报至2015年无线电通信全会(RA 15)审批。RA -15形成三项ITU-R决议:一是规定了后续开展IMT-2020技术研究所应当遵循的基本工作流程和工作方法,为研究组持续开展IMT-2020研究工作指明了方向;二是强调ITU-R在推动IMT持续发展中的作用;三是正式将5G命名为“IMT-2020”,这使得此前工作组对5G的命名得到了正式确认。由此,IMT-2020与IMT-2000、IMT-Advanced共同构成了代表移动通信发展历程的“IMT家族”。在3GPP中,业务和需求工作组已开展了5G网络需求研究工作,无线接入工作组也计划在2016年3月启动5G技术研究工作。2015年9月,3GPP RAN召开5G讨论会,认同5G不仅引入未考虑后向兼容的新空口,LTE-A也应保持演进,会议从场景和业务、新空口和演进、标准工作计划等角度给出5G标准化路标。IEEE也积极探索5G标准化路线,推动下一代无线局域网(802.11ax)标准研制,并希望将其与5G发展路线融合。

在频谱方面,全球业界对5G的频谱构架认知基本趋同:涵盖高中低频段的频谱资源。目前阶段,ITU已完成5G愿景和关键性能要求,而5G的具体场景、仿真参数和方法尚未完成,因此,目前难以科学、有效地开展5G频谱研究工作。总体而言,国际上对频谱的研究仍处于起步阶段。

由于6 GHz以下频段难以完全满足5G的频谱需求,世界各国及相关产业一致支持在WRC-19设立新议题“在6~100 GHz频段为IMT寻求新频率资源”。同时,考虑到6~100 GHz频段候选频段较宽,各国、各地区及产业界也建议提出了更为聚焦频段。例如,欧盟METIS在2013和2014连续两年梳理分析了6~100 GHz频段的划分、分配以及当前使用情况,按高、中、低优先级给出了一系列可用于未来IMT系统的候选频段。英国OFCOM和美国FCC等机构和组织对于5G用频特别是高频段可用性问题也通过其网站广泛征求意见,形成了初步候选频段。APT、CEPT、CITEL、ASMG、RCC等组织已形成了区域性关注的重点频段,提交给WRC-15大会,世界各国还将根据自身诉求提交相关候选频段。基于刚刚结束WRC-15大会议题10的讨论,新设立了WRC-19议题1.13:根据第COM6/20号决议(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,在24.25GHz至86GHz频率范围内开展IMT地面部分的频谱需求,并在8个移动业务为主要划分的频段(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)和3个尚未有移动业务划分的频段(31.8-33.4GHz、40.5-42.5GHz 和 47-47.2GHz)开展共存研究。

对于低频段,RA-15上,IMT-2020被正式确认为5G名称后,其已被纳入原有的IMT家族系列,从规则上允许其使用原有规划给IMT(3G/4G)的频率,丰富了5G低端频率。WRC-15会议决定将470-694/698 MHz、1 427-1 518 MHz、3 300-3 400 MHz、3 400-3 600 MHz、3 600-3 700MHz、4 800-4 990 MHz频段或其部分频段确定给有意部署国际移动通信(IMT)的主管部门使用。

3GPP作为ITU后续工作的承载,实现产业化的标准组织,其频率工作将依托于ITU的研究成果。目前,3GPP RAN明确2015年12月完成对高频段通信现状的调研,确定主要频段并于2016年3月在RAN1开展信道建模工作。

随着WRC-15的召开,WRC-15议题1.1的成果和WRC-19议题1.13的未来研究,将对5G未来频率使用影响深远。

4.2国内5G频谱研究现状及展望

在国内,5G工作主要依托于IMT-2020推进组。在2013年2月,三部委成立了IMT-2020(5G)推进组,包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构,以聚合中国产学研用力量,并设立相关子研究组,联合开展5G策略、需求、技术、频谱、标准、知识产权研究及国际合作,并取得了阶段性的研究成果。目前,推进组已发布《5G愿景与需求》、《5G概念》、《5G网络技术架构白皮书》、《5G无线技术架构白皮书》四个白皮书,部分研究成果已形成产业界共识,并被ITU等国际标准化组织采纳。

5G频谱研究工作主要在IMT-2020推进组频率子组中开展。目前,频率工作组在5G频率需求、高频段可行性及候选频段等方面开展了一系列研究准备工作。在频谱需求方面,结合需求组的研究成果,采用不同的预测方案,按照不同场景、不同频段初步估算出未来分阶段的带宽需求,后续工作将充分结合5G国际标准化工作,考虑物联网等方面的场景,对频谱需求预测结果继续完善和和收敛。在初步候选频段方面,对6~100 GHz频段划分、使用、拟规划的情况进行了调研,结合产业制造水平,在借鉴部分共存研究结论基础上,形成了初步候选频段,并对部分重点频段开展了共存研究分析。在后续工作中,依托于形成的WRC19新议题,国内将成立相关研究组积极开展6~100 GHz频段的频谱研究工作。

由于5G (IMT-2020)将被统筹到IMT系列中,我国已为IMT规划的687 MHz频谱资源均属于5G可用频谱资源。未来的IMT网络必将是多种通信系统并存的异构网络,资源配置需要综合考虑网络发展状况、产业投资周期、用户规模等方面因素,同时兼顾5G系统的技术特性。后续重点研究将现有系统频率重耕用于未来IMT(含5G)的时间周期和系统间兼容性。在WRC-07上,450~470 MHz、698~806 MHz、3 400~3 600 MHz等频段被确立为新的IMT频段,我国也引入了相关国际脚注,成为我国未来IMT系统使用的潜在发展频段。同时,考虑到这些频段国内系统仍有部署,需要研究该频段已划分业务的应用模式、频率使用规划、业务间的兼容共存条件及协调程序。尤其对于3 400~3 600 MHz频段具有较大的连续带宽,特别适合扩展系统的容量,但需要考虑与同频以及邻频卫星业务的兼容性,研究合适的干扰协调规避方法。我国将根据WRC-15 1.1议题形成的决议,同时根据国内用频现状,寻找合适的频段开展频率划分和规划研究。

5 对无线电管理影响和挑战

由于5G在频率使用、系统部署方面的独有特点,对传统无线电管理带来了影响和挑战。

在资源配置方面,由于5G具有与其他产业融合的特性,特别是在物联网、工业互联网、车联网、移动互联网等方面,因此,需要立足于《中国制造2025》、“互联网+”、“宽带中国”等国家重大战略,在统筹相关产业应用需求的基础上开展5G频率资源配置工作,为实现制造强国和网络强国提供频率资源支撑和保障。由于5G技术频谱资源需求大、频段宽的特性,在频率规划时,需要分阶段统筹高中低频段,逐步释放频率资源,保障5G用频需求。

在无线电监测方面,国内超短波监测能力基本集中在3 GHz频段以下,考虑到未来5G面向更高频段,监测设备需要扩展到6 GHz甚至更高频段;相对于3G/4G时代,5G支持超密集组网,传统的大距离固定站监测手段难以快速完成监测和定位,网格化频谱监测可以更加全面掌控频谱资源使用和演变动态,并且通过广域、全时监测,实现多域的统计和深度分析,获取频谱态势,对监测设备的连网、存储、数据处理也提出更高的要求;5G频段支持更宽的带宽,也将对接收机的实时带宽、处理分析能力提出新的挑战。

在台站管理方面,在未来5G系统中,为满足不同场景的应用需求,相当于宏站为主的3G/4G时代,将出现一系列的微站、微微站等特殊站型。为了更加科学有效地管理无线电发射台站,需要对不同类型台站类别制定相应的管理办法;另外,IMT系统逐渐考虑使用免执照频段,这也给传统台站管理带来新的挑战。

5G研究是面向未来2020年,5G研究周期与我国无线电管理“十三五”实施周期是一致的。因此,在5G频谱研究工作中,还应充分考虑与“十三五”无线电管理工作的衔接,研究动态频谱共享、频率评估、频率市场化在5G工作开展的可能性。

6 结束语

5G频率战略是5G发展战略的核心内容,需要及早谋划,为5G未来发展提供资源保障。5G频谱工作需要在ITU、3GPP等国际标准化组织的大框架下开展,同时要充分考虑国内用频和产业发展现状,联合产学研用各方力量,稳步适时推进。

7 结束语

5G频率战略是5G发展战略的核心内容,需要及早谋划,为5G未来发展提供资源保障。5G频谱工作需要在ITU、3GPP等国际标准化组织的大框架下开展,同时要充分考虑国内用频和产业发展现状,联合产学研用各方力量,稳步适时推进。


参考文献

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17 “5G网络技术架构白皮书” 白皮书,IMT-2020推进组,2015

18 China (People's Republic of), Document 4-5-6-7/198-E, Proposal on Potential Candidate Frequency Bands for Wrc-15 Agenda Item 1.1 . Geneva: ITU, 2013.


原文刊登于《电信科学》2015年第十二期,如需转载请与《电信科学》杂志社联系。


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