2018年將成為5G實現(xiàn)大規(guī)模試商用的“元年”，2018年也是實現(xiàn)萬物互聯(lián)大發(fā)展的“元年”。作為移動通信與物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最重要的基礎(chǔ)資源——無線電頻譜將迎來新的巨大挑戰(zhàn)。中國將充分發(fā)揮其在全球無線寬帶市場的引領(lǐng)作用，我國己經(jīng)確定了5G中低端頻譜配置，也規(guī)劃了5G的毫米波頻段，但仍面臨著頻譜資源科學高效利用、動態(tài)頻率共享、頻率評估、低端移動通信頻譜“重耕”、頻譜資源的市場化配置以及無線電環(huán)境保護新課題等一系列的嚴峻挑戰(zhàn)。

——國家無線電頻譜管理研究所何廷潤

【摘 要】

分析WRC對5G新增頻段的指配，給出國內(nèi)5G分別在中低和高頻段的狀態(tài)。區(qū)分這兩種頻段的協(xié)同定位，給出不同頻段間的兼容性研究內(nèi)容，并詳細地對5G頻段的衰減特性進行了評估。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合目前國內(nèi)三大運營商的頻譜現(xiàn)狀，考慮了5G的頻譜重耕，并重點針對2.6 GHz頻段，結(jié)合組網(wǎng)的差異化進行分析。所有結(jié)果均可給今后國內(nèi)5G的試驗推動提供一定的參考建議。

【關(guān)鍵詞】5G；WRC；衰減；頻譜重耕

Analysis and Advices on 5G Frequency Allocation in China

XIAO Qinghua

[Abstract] The allocation of newly added 5G frequency band by WRC is analyzed， and the domestic allocation status of low& medium band and high frequency band is presented. Based on the co-location of these two bands， the research contents of compatibility between different bands are presented. The attenuation characteristics at 5G bands are evaluated. Based on the results， we considered the 5G frequency re-farming according to the frequency allocation status of domestic network operators. Emphatically， 2.6 GHz frequency band combined with the differentiated networking is analyzed. All results can provide referential suggestion to the experimental promotion of domestic 5G in the future.

[Key words]5G； WRC； attenuation； frequency re-farming

1 引言

5G[1]是面向2020年以后移動通信的需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)將滿足人們超高連接數(shù)密度、超高流量密度以及超高移動性的要求，能夠為用戶提供包括車聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、云桌面、智能家居控制等極致的業(yè)務(wù)體驗?？梢灶A測，下一代的信息網(wǎng)絡(luò)將無處不在，無時不在。為此，5G構(gòu)建了eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增強的移動寬帶）、uRLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communication，高可靠和超低時延的通信）和mMTC（Massive Machine Type of Communication，大規(guī)模機器通信）等三大類應用場景[2]。為滿足上述愿景，5G需要統(tǒng)籌考慮涵蓋低、中、高頻段在內(nèi)的全頻段。低、中頻段一般指6 GHz以下的頻段，以高低頻互補的方式來解決網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋的問題；而高頻段則指6 GHz，甚至24 GHz以上的頻段，因其覆蓋能力有限，但具備大帶寬，可滿足熱點區(qū)域極高的用戶速率和系統(tǒng)容量需求[3]。為此，本文結(jié)合目前國內(nèi)外對5G頻譜分配研究的現(xiàn)狀，以及國內(nèi)三大運營商現(xiàn)有的頻譜使用情況，根據(jù)5G組網(wǎng)架構(gòu)的需求，提出國內(nèi)在5G頻譜指配上的一些建議。

2 5G頻段劃分

作為ITU-R（International Telecommunication Union-Radio communication sector，國際電信聯(lián)盟無線電通信組）的最高級別會議，世界無線電大會（WRC，World Radio-communication Conference）一般3～4年召開一次，主要研究確定多種無線電地面業(yè)務(wù)和空間業(yè)務(wù)的新頻率劃分和修訂國際《無線電規(guī)則》的相關(guān)條款。而2015年的WRC15中產(chǎn)生的AI1.1議題為IMT新增了以下8個6 GHz以下的頻段：470 MHz—698 MHz、1 427 MHz—1 452 MHz、1 452 MHz—1 492 MHz、1 492 MHz—1 518 MHz、3 300 MHz—3 400 MHz、3 400 MHz—3 600 MHz、3 600 MHz—3 700 MHz、4 800 MHz—4 990 MHz，并專門設(shè)立了WRC19的AI1.13議題，為未來IMT2020（即5G）尋求新的頻譜資源[4-5]。針對此次新增的8個頻段，國內(nèi)外的應用情況分別如表1所示。

本文分析的目標是國內(nèi)頻段應用，工信部早在2016年8月發(fā)布的《國家無線電管理規(guī)劃（2016～2020）》中就明確指出2020年前為5G儲備不低于500 MHz的頻譜，并對6 GHz以下的3 300 MHz—3 400 MHz、3 400 MHz—3 600 MHz、4 400 MHz—4 500 MHz以及4 800 MHz—4 990 MHz等頻段進行統(tǒng)籌考慮。最終在2017年11月發(fā)文，明確了使用3 300 MHz—3 400 MHz和4 800 MHz—4 990 MHz作為5G中低頻段的頻譜，而對于4 400 MHz—4 500 MHz則只是于2017年9月在《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定（修訂征求意見稿）》中公布了其用于5G建設(shè)的意見。國內(nèi)5G中低頻段的情況如表2所示：

而在6 GHz以上的高頻段，WRC15為24.25 GHz—86 GHz研究了11個頻段對象，包括以移動業(yè)務(wù)為主的24.25 GHz—27.5 GHz、37 GHz—40.5 GHz、42.5 GHz—43.5 GHz、45.5 GHz—47 GHz、47.2 GHz—50.2 GHz、50.4 GHz—52.6 GHz、66 GHz—76 GHz、81 GHz—86 GHz的8個頻段，以及不以移動業(yè)務(wù)為主的3個頻段：31.8 GHz—33.4 GHz、40.5 GHz—42.5 GHz、47 GHz—47.2 GHz。由于歐盟、南非等國對FSS（Fixed Satellite Service，固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)）的頻段保護，導致最終只有24.25 GHz—27.5 GHz被列入可研究頻段。鑒于高頻段的衰減特性，除考慮24.25 GHz—27.5 GHz頻段外，運營商們還對31.8 GHz—33.4 GHz比較感興趣，而美國和韓國則在WRC15上力推27.5 GHz—29.5 GHz，這也有可能是今后的一個5G頻段。在國內(nèi)，2017年6月工信部結(jié)合國內(nèi)頻譜使用現(xiàn)狀，對24.75 GHz—27.5 GHz和37 GHz—42.5 GHz作為5G高頻頻率（>24 GHz）公開征求意見，一直至今。國內(nèi)5G高頻段的情況如表3所示：

3 5G頻段劃分要考慮的問題

由于5G頻譜橫跨高中低頻段，結(jié)合國內(nèi)eMBB、mMTC和uRLLC三大應用場景，需要著重考慮三個問題：高中低頻率協(xié)同定位、系統(tǒng)兼容性研究以及衰減特性綜合評估。

3.1 協(xié)同定位

鑒于我國5G試驗網(wǎng)的現(xiàn)狀，采取中低頻首發(fā)5G幾乎已成定局，即面向eMBB、mMTC和uRLLC分別構(gòu)建相應的基礎(chǔ)移動通信網(wǎng)絡(luò)。而高頻則主要面向容量增強，面向eMBB實現(xiàn)熱點的極速客戶體驗。高中低頻的協(xié)同定位情況如表4所示。

3.2 兼容性研究

主要分析已經(jīng)明確的中低頻段（不包括4 400 MHz—4 500 MHz），5G頻譜兼容性研究如表5所示。

3.3 衰減特性評估

5G組網(wǎng)需要考慮高中低頻段的差異化使用，以及5G與4G的混合組網(wǎng)方案。這其中，甚至要考慮1.8 GHz等頻段的頻譜重耕（見下文分析）。因此，對5G不同頻段的衰減特性進行評估分析就顯得很重要。

如上文分析，針對已經(jīng)明確的3.5 GHz和5 GHz頻段，以及超過24 GHz的毫米波，限于篇幅，以室外市區(qū)為例，可適用的傳播模型分別如下。

（1）3.5 GHz室外模型已經(jīng)超出Cost231的適用范圍，可以采取SUI模型[6]：

LOS=41+23.3lg（d） （1）

NLOS=12.7+37.9lg（d） （2）

其中，d為終端離天線的距離。

（2）5 GHz室外模型為[7]：

LOS=53.6+20.4lg（d） （3）

NLOS=30.9+32.7lg（d） （4）

據(jù)此，得到5G中低頻段（<6 GHz）的衰減特性如圖1所示。

從不同頻段的衰減來看，高頻段損耗明顯增加，稍有遮擋即可能形成篩形覆蓋，且NLOS比LOS損耗增加更多。

（3）對于超過6 GHz的高頻段，可參考孫健等人的研究成果，即利用無線電波在自由空間的衰落綜合得出[8]：

PL=20×lg（4π/λ）+10×PLE×lg（d） （5）

其中，PL為路徑損耗，為波長，PLE為距離因子，在不同的頻段與LOS及NLOS相關(guān)，可參考作者之前的研究[9]。

需要注意的是，隨著高頻通信越來越被關(guān)注，目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多研究機構(gòu)對PLE進行信道測量，并且已經(jīng)有了一些公開的結(jié)果。

在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，核算得到高頻段的衰減特性如圖2所示：

類似地，在高頻段中，頻段越高，衰減越厲害，NLOS與LOS相比中低頻段差異更大。這也印證了上文分析的在高頻段為什么國外運營商傾向于24.25 GHz—27.5 GHz和31.8 GHz—33.4 GHz的原因。

4 頻譜重耕及2.6 GHz的劃分

頻譜重耕是指將現(xiàn)有某種或某些通信網(wǎng)絡(luò)占用的頻譜遷移出來，讓其他制式來使用，從而獲取更高的網(wǎng)絡(luò)價值。之前根據(jù)現(xiàn)有三大運營商的頻譜詳細分析了基于4G的重耕[10]，但對于5G，則完全不同。

（1）不同于LTE，5G依據(jù)其頻譜差異化的衰減特性，將2 GHz以下頻譜（例如700 MHz）視為覆蓋層，將2 GHz—6 GHz頻段視為覆蓋與容量層，它能夠在網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍之間取得最佳平衡；將24 GHz以上頻譜視為超大容量層，用于滿足大容量、高速率的業(yè)務(wù)需求。

（2）雖然目前三大運營商都在籌建試驗網(wǎng)，但只有300 MHz的3.5 GHz頻段相對成熟，而5 GHz頻段并不成熟，運營商之間如何分配這些頻段還存在爭議。目前，鑒于中國移動雄厚的資金儲備，以及已經(jīng)積累了一定的技術(shù)和測試經(jīng)驗，輿論均傾向于讓中國移動主推國內(nèi)5G的發(fā)展，那么頻譜重耕自然會向其傾斜。

（3）5G發(fā)展的前期勢必要與4G混合組網(wǎng)。兩者之間無論是無線網(wǎng)還是核心網(wǎng)均存在獨立與依賴，升級與新建問題，在頻譜重耕的時候也務(wù)必要考慮周全。

為此，以中國移動為樣本，簡要分析5G頻譜如何重耕。正如之前的分析[10]，數(shù)字紅利頻段700 MHz仍然是兵家必爭之地，其覆蓋能力無與倫比，而國內(nèi)也規(guī)劃了3年內(nèi)釋放的目標。

中國移動目前承載的系統(tǒng)包括GSM/DCS、TD-LTE/LTE FDD，以及少量的TD-SCDMA。對于900 MHz的GSM承載頻譜，如同700 MHz一樣，可以作為uRLLC和mMTC的重耕。DCS所占用的1.8 GHz可以重耕至LTE FDD，考慮到中國移動LTE FDD用戶并不多，如果有富余的頻段，可以重耕至5G，進行上下行信道的解耦。而大量的TD-LTE可仍然使用F+A頻段。

而中國電信和中國聯(lián)通也比較類似，2G頻段重耕至5G，2.1 GHz重耕至LTE FDD。對于三大運營商而言，還有一個共同的頻段需要重點考慮，即2.6 GHz。

完整的2.6 GHz，包括A（2 500 MHz—2 555 MHz）、B（2 555 MHz—2 575 MHz）、C（2 575 MHz—2 635 MHz）、D（2 635 MHz—2 655 MHz）和E（2 655 MHz—2 690 MHz）等五個連續(xù)頻段共計190 MHz。目前，B、C、D已經(jīng)分別分配給中國聯(lián)通、中國移動和中國電信，只剩下A的55 MHz和E的35 MHz未實施分配。因此，對于2.6 GHz的頻譜重耕，需要考慮兩個問題：

（1）運營商的選擇

如果三家運營商在5G發(fā)展的前期都實施重耕，中國電信和中國聯(lián)通只有20 MHz，那么2.6 GHz的黃金頻段重耕則顯得僧多粥少，因此，作者也認同之前分析的讓中國移動擔當推動5G發(fā)展的大任。

（2）2.6 GHz重耕頻段的組網(wǎng)

2.6 GHz重耕后既可作為5G的優(yōu)質(zhì)覆蓋層，但顧及到4G仍然處于容量驅(qū)動期，考慮到性價比，需要選擇在該頻段上對5G和4G進行組網(wǎng)的抉擇：用于4G容量提升，預留給5G，還是支持混合組網(wǎng)。由于4G/5G混合組網(wǎng)需要考慮錨點以及產(chǎn)業(yè)鏈條的成熟度，其復雜度比3G/4G更大，需要慎重考慮。

5 結(jié)束語

5G將充分實現(xiàn)人類信息溝通的橋梁，頻譜分配是目前5G發(fā)展的一個關(guān)鍵舉措。5G特有的eMBB、uRLLC和mMTC切片，以及橫跨高中低頻段的特性，將對其頻譜分配帶來嚴峻的考驗和挑戰(zhàn)。與現(xiàn)網(wǎng)的協(xié)同，利用不同頻段覆蓋的差異化，以及業(yè)務(wù)需求的特征，甚至對現(xiàn)有頻率進行重耕，都是今后5G頻譜分配中需要考慮的問題。此外，動態(tài)頻率共享、頻率評估以及頻率市場化也有可能在以后的工作中開展。

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