【5G】Spectrum 频谱

        频谱是移动运营商的关键资产，可用的频谱是定义移动网络容量和覆盖范围的重要因素。本章讨论了5G的不同频谱选项、它们的特性以及5G早期部署阶段的预期频谱。5G是首个旨在利用大约400 MHz到90 GHz之间所有频段的移动无线系统。5G还设计用于在许可、共享和非许可频谱带中部署。5G可以利用频分双工（FDD）技术进行配对频谱的使用，也可以利用时分双工（TDD）技术进行非配对频谱的使用。当在不同频段部署相同的5G技术时，充分利用频段的容量和覆盖特性将更为高效。

        毫米波的高频段具有大量频谱，能够提供高容量和数据速率。低频段具有良好的传播特性，提供广泛的区域覆盖。毫米波通常指的是频率在30 GHz到300 GHz之间的频段，即波长在毫米级别的频段。实际上，5G的24–30 GHz频段也被视为毫米波频段。在24–39 GHz频段，每个运营商通常能获得最多800 MHz的频谱，这使得用户的数据速率能够达到5 Gbps。高于50 GHz的频段提供更多频谱，从而使得用户数据速率超过10 Gbps。然而，使用高频谱的挑战在于较短的传播距离。毫米波信号衰减较快，基站覆盖范围通常仅限于几百米。

        3.3–5.0 GHz频谱是一种具有高数据速率和广泛覆盖的理想组合。每个运营商的频谱通常为100 MHz。100 MHz与4×4大规模多输入多输出（Massive MIMO）技术的结合，使得峰值数据速率可达到2 Gbps。结合高增益基站天线和波束成形技术后，3.3–5.0 GHz频段的覆盖范围可以接近2 GHz频段的覆盖范围。该频段使用TDD技术。另一个主流的5G TDD频谱是2.5 GHz。

        1.5–2.6 GHz频谱被长期演进（LTE）网络广泛使用，特别是在城市区域的覆盖和容量上。每个频段的最大频谱通常为2×20 MHz。该频段大多使用FDD技术，而2.3和2.6 GHz的非配对频段也采用TDD技术。5G在这些频率上的部署可以通过将LTE频段重新分配为5G来实现。将LTE频段重新分配给5G的动机之一是5G设计支持大规模MIMO。

        1 GHz以下的频谱对于提供广域覆盖和深度室内穿透至关重要。因此，低频段可以用于广域网络中的关键通信，提供超高可靠性，甚至适用于农村地区。与TDD相比，FDD技术还具有低延迟的优势，因为FDD支持同时的发送和接收。1 GHz以下频段的总频谱通常为2×20–30 MHz，分布在两个或三个不同的频谱块上。

        频谱授权可以采用多种不同的模式：专用授权、共享授权或非授权频谱；如下图所示。2G和3G的无线电仅在授权频谱上部署，LTE也主要在授权频谱上部署。5G的起点是可以利用任何授权模式的频谱。5 GHz以下的大部分频率已经分配为专用授权。共享授权目前也在使用，例如美国3.5 GHz的公民宽带无线电服务（CBRS）频段。5G还将设计为可以在非授权频谱上运行，例如5 GHz频段。非授权5G允许在没有频谱许可的情况下提供本地5G网络。

        下图展示了5G早期部署阶段的典型频谱使用情况。全球范围内，6 GHz以下的主流频谱将是3.5 GHz，覆盖从3.4 GHz到3.8 GHz的最多400 MHz，未来可能扩展到4.2 GHz。3.5 GHz频段对5G具有吸引力，因为它在全球范围内可用，且频谱资源相对较大。运营商能够在许多国家获得100 MHz的连续频谱，这与5G设备的能力完美匹配。低频段通常每个频段最多有20 MHz的连续频谱。3.5 GHz的目标是通过使用高增益波束成形天线来补偿较高的路径损耗，从而提供与低频段类似的覆盖范围。因此，5G在3.5 GHz频段可以利用现有的基站站点。

        5G还需要1 GHz以下的低频段，以提供深度室内穿透和大范围覆盖。广泛的覆盖对物联网（IoT）和关键通信等新应用场景至关重要。低频段可以是700 MHz，这在许多国家与5G同时可用。另一个选择是900 MHz，该频段目前主要由2G和3G占用，或者是850 MHz。为适应5G的频谱分配，可以最小化传统技术的使用，或关闭传统网络。美国5G低频段的另一个选择是600 MHz。还可以通过动态频谱共享在LTE和5G之间共享频谱。24 GHz、28 GHz和39 GHz的毫米波用于为智能手机用户和固定无线用户提供极高的本地数据速率。

一、Millimeter Wave Spectrum Above 20 GHz

        20 GHz以上的毫米波频谱将在5G中发挥重要作用，以满足未来对容量和数据速率的需求。全球的监管机构目前正致力于开放6 GHz到100 GHz的新频谱带。这些更高的频率提供的带宽远大于当前6 GHz以下的频谱。如果其中仅一小部分94 GHz的频谱对移动行业开放，可能会为其提供20–30 GHz的新频谱，这远高于6 GHz以下所有可用频谱的总和。实际上，在40 GHz以下的早期阶段，每个运营商可以获得最多800 MHz的带宽，而在50 GHz以上的频段，后期可提供最多2 GHz的带宽。所有这些频谱块均使用TDD技术。以下是毫米波频谱块的可用频段，并在下图中有所展示：

• 24–29 GHz频段。该频段的上部分被称为28 GHz频段，覆盖26.5–29.5 GHz，下部分被称为26 GHz频段，覆盖24.25–27.5 GHz。
• 37–43.5 GHz频段，也称为40 GHz频段。
• 57–64 GHz频段，也称为V波段或60 GHz频段。
• 71–76 GHz和81–86 GHz频段，也称为E波段或70和80 GHz频段。
• 92–95 GHz频段，也称为W波段或90 GHz频段。

        60 GHz频段目前为非授权频段。这一频段具有较强的氧气吸收特性，但在小区内对通信的影响并不显著。60 GHz非授权频段可能是本地5G网络的一种选择，无需频谱许可。70 GHz和80 GHz频段在轻度授权模式下运行，这一频段可以聚合至总共2 × 5 GHz的带宽。随着距离的增加，雨衰减可能会很严重，但对于小范围的距离（如小于100–200米）并不会构成问题。任何在70 GHz和80 GHz频段运行的系统必须与固定卫星服务、汽车雷达（77–81 GHz）和无线电天文相共存。70 GHz和90 GHz频段通常用于微波回传。短期内，这些频段没有计划用于5G。90 GHz频段为非授权频段，但仅限于室内应用。该频段也可以用于室外点对点的轻许可操作。

        6 GHz以下频段的频谱特性基于现有的LTE部署已有很好的了解，而毫米波频谱则需要新的学习。低频段的部署相对较窄，通常下行链路的总频谱最大为100–200 MHz，而毫米波频段的频谱可达到1–2 GHz。低频段的基站覆盖范围较大：城市地区超过1公里，农村地区超过10公里。毫米波频段的基站覆盖范围通常为100米，或在开放区域为几百米。低频段通常受到干扰和带宽限制，需要解决小区间干扰最小化问题。而毫米波通常受噪声限制，需要解决小区范围最大化问题。毫米波可以更好地利用波束成形和大量天线单元，因为高频下天线尺寸变小。

        信号的衰减速度随着距离的增加而加快，这在视距（LOS）情况下成立，在非视距（NLOS）情况下更加明显。此外，墙壁的穿透损失通常随着频率的增加而增加。我们还需要考虑到毫米波的基站输出功率通常低于低频段。当考虑到所有这些因素时，毫米波的基站覆盖范围通常会非常小。另一方面，毫米波的天线增益可以增加，因为波长变小，这使得可以在更小的形态因子中使用更高增益的天线。

        在视距（LOS）情况下，不同频率（从2 GHz到38 GHz）的路径损失测量。无论距离如何，频率之间的路径损失差异是恒定的。在28 GHz与2 GHz之间，路径损失大约高出26 dB，而在38 GHz时又增加了2 dB。这些数值清楚地表明，毫米波的路径损失远高于低频段，这将影响小区的覆盖范围。

        当发射机与接收机之间存在障碍物时，信号衰减会进一步增加，而且这一影响通常随着频率的增加而加剧。下图展示了28 GHz频段在住宅家庭房屋中户外到室内的穿透损失。测量比较了接收机在窗外与距离窗户1.5米的室内时的路径损失。测得的中位数损失在普通玻璃窗情况下为9 dB。使用低辐射窗时，损失增加到15 dB，而使用铝箔背衬的墙体隔热材料时，损失增加到17 dB。测量所用的建筑材料为木材。如果设备位于建筑物更深处，且建筑材料为混凝土，穿透损失会更高。信号在建筑内部传播时，由于内部墙壁、家具等因素，损失会增加。这种额外损失似乎与频率的依赖性较弱，但与建筑物内部组成成分的关系较强。测得的损失在2–60 GHz范围内为0.2–2 dB/m。在混凝土建筑材料的情况下，室内穿透损失总量可能会增加到30–40 dB。

        60 GHz频段的信号会受到氧气的吸收。然而，这种吸收对小区覆盖范围的影响非常有限，因为其衰减低于10 dB/km。假设典型的小区覆盖范围远小于1 km，那么最坏情况下氧气吸收的影响仅为几分贝。由于氧气的存在在地面上的分布相对均匀，因此其对60 GHz无线电传播的影响可以很容易地进行建模。与天气相关的衰减在这些频段上更加微不足道。即使是每小时降水量为25 mm的暴雨，也只会造成5 dB/km的衰减，对60 GHz氧气吸收区域的总衰减贡献极小。

二、Mid‐Band Spectrum at 3.3–5.0 GHz and at 2.6 GHz

        3.3–5.0 GHz频段，也被称为C频段，是5G的主流频段，提供了带宽高、覆盖范围广和全球可用性的良好组合。这个频段正在成为5G的核心频段。

        一些监管机构将3.5 GHz频谱的一部分保留用于工业网络的本地和区域使用。目标是该部分频谱能够在工厂或其他类似场所的本地使用，提供用于超可靠低延迟通信的私人网络。例如，在德国，300 MHz的频谱被保留用于全国许可证，而100 MHz则分配给本地使用案例。

        至今，许多国家已经完成了3.5 GHz频谱的拍卖。在许多情况下，运营商能够获得100 MHz或接近100 MHz的连续频谱，这为5G提供了一个良好的起点。在一些情况下，分配给每个运营商的频谱少于100 MHz，尽管仍然能够运行5G网络，但数据速率和容量将较低。

        另一个重要的5G中频谱是2.6 GHz TDD频段，3GPP将其称为n41频段。该频段的总频谱为190 MHz，甚至从2496 MHz到2690 MHz为194 MHz，能够支持宽带5G应用。大多数国家已经在该频段部署了时分双工LTE（TD‐LTE）。因此，5G和TD‐LTE在实际网络中需要共存。一些国家使用FDD和TDD频段的组合，分别是7频段和38频段。

        频谱价格高度依赖于市场情况：运营商数量越多，可用频谱越少，且对更多频谱的需求越大，通常会导致频谱拍卖价格上涨。

        频谱价格高度依赖于频带：总的趋势是低频带每兆赫兹的价格高于高频带。第一个原因是低波段比高波段有更好的传播和覆盖率。第二个原因是低波段的频谱更少。

三、Low‐Band Spectrum Below 3 GHz

        低频带，特别是1 GHz以下的频带，对于提供广泛的5G覆盖至关重要。600 MHz频谱在3GPP中是n71频段。这两个频段如下图所示。这两个频段已经被LTE使用，因此会出现LTE和5G技术的共存问题。

        所有现有的LTE频段最终都会被重新分配给5G。如果低频带没有新的频率可供5G使用，那么在5G的早期阶段就需要进行频谱重分配。动态频谱共享可以用于灵活的频谱重分配。

        5G的一个潜在新频段是1500 MHz补充下行频总带宽为90 MHz。这个频段是一个具有吸引力的解决方案，能够提供更多的下行容量并覆盖广泛的区域。下图展示了相对覆盖范围。1500 MHz下行频段的覆盖范围与700和800 MHz上行频段相似或更好。因此，1500 MHz可以有效地用于在那些需要大范围覆盖和深度室内穿透的基站中进行容量增强。

四、未授权频段 Unlicensed Band

        如下图所示，未授权的5 GHz频段提供了大量的频谱，甚至超过500 MHz，远远超过任何运营商所拥有的授权频谱。3GPP已指定了46号频段，涵盖了5150–5925 MHz范围内的775 MHz频谱。未授权频谱的使用受到一些监管要求的限制，例如能够检测该频段是否有雷达系统在使用（动态频率选择，DFS），或能够与其他用户共享该频段。后者通常被称为清晰信道评估（CCA）或先听后讲（LBT），意味着当目标频道被占用时，不能立即进行传输。最大允许的传输功率也会根据地区和5 GHz频段的不同部分而有所不同。通常，频段的某些部分仅限于室内使用，最大传输功率为250 mW或更低。其他部分则允许更高的传输功率，通常约为1 W，因此也适合用于户外部署。在某些情况下，例如美国的5.725–5.850 GHz频段，除了传输功率的限制外，没有其他特别要求。

        2G 和 3G 技术只能在授权频段上运行。对于LTE来说，3GPP发布的8至12版本也是如此，而在13版本中增加了授权辅助接入（LAA），允许在授权频段的基础上利用5 GHz未授权频段，通过载波聚合实现更高的下行容量。未授权频段可以通过不同的方式进行利用。第一种方式是利用未授权频段来提升授权频段上的下行容量和数据速率，这种方案称为LAA，其中主小区使用授权频段，副小区使用未授权频段，从而提供更高的容量和数据速率。LAA包括符合5 GHz频段的辐射和共存规则的解决方案。第二种方式是通过使用未授权频段来提升上行数据速率，同时仍然保持主小区在授权频段上。第三种方式是独立的未授权频段版本，其中无线覆盖可以在没有任何频谱授权的情况下提供。独立的未授权版本可以提供局部连接，例如在工厂、办公室或校园区域。LTE的独立未授权版本在3GPP中并未定义，但技术工作由MulteFire联盟完成，解决方案称为MulteFire。MulteFire规范中包含了强制性的更改，以确保现有的Wi-Fi网络和MulteFire网络可以在同一频段和同一区域共存。

        5G在未授权频段的支持将在Release 16中定义。目标是包括所有这些部署选项。与LTE相比，5G在未授权频段运行时具有一些优势。LTE每个小区的带宽限制为20 MHz，这就需要在5 GHz频段进行频带内载波聚合。而5G带宽支持更宽的载波带宽，这在充分利用5 GHz频段时更加实用。另一个5G的优势是控制信道分配的灵活性。

        在未授权频段中，多个网络和技术可以共存，前提是遵守CCA和LBT规则。图4.19展示了Wi-Fi和5G-Unlicensed（5G-U）共享同一频段的共存仿真。这里的Wi-Fi系统是802.11ac。研究了20 MHz的情况，Wi-Fi和5G均进行分析，结果显示在中等负载情况下。总共研究了四种情况：分析了当干扰技术为另一个Wi-Fi或另一个5G时，Wi-Fi和5G的平均吞吐量。结果表明，当干扰系统从Wi-Fi切换为5G时，Wi-Fi的吞吐量略有提高。这意味着5G可以很好地与Wi-Fi共存，且对Wi-Fi的干扰甚至比另一个Wi-Fi系统更小。结果还表明，5G的吞吐量是Wi-Fi的3到4倍。

        为了了解5 GHz未授权频段的利用情况，我们在芬兰的一家大型购物中心进行了扫描测量。在5150–5350 MHz频段中，能够看到大量的Wi-Fi接入点，在5470–5725 MHz频段中也有相当多的接入点。从频域上看，似乎Wi-Fi信号占据了大量频谱。但仅仅检查接入点的数量是不够的，我们还需要分析网络的利用率，图4.20下部分展示了这一结果。测量中设定的利用率阈值为−85 dBm。结果显示，尽管购物中心内有很多接入点，但利用率非常低。即便如此，仍然有大量的空闲频谱，可以容纳更多的流量。因此，结论是，在这个特定区域内，未授权频段的5G网络可以用来提升授权频段网络的容量。

五、共享频段Shared Band

        共享许可目前已经在一些频段中应用，例如美国的3.5 GHz CBRS频段。共享接入通常被称为许可共享接入（LSA）。它允许有限数量的许可用户与已经存在的一个或多个现有用户共享频段。CBRS采用三层频谱授权框架，旨在将多个商业用途与该频段内的现有联邦和非联邦用户的使用结合起来。接入和操作将由动态频谱接入系统（SAS）进行管理。这三层包括：现有接入（Incumbent Access）、优先接入（Priority Access）和一般授权接入（General Authorized Access）。

        现有接入用户包括在3.5 GHz频段上目前运营的授权联邦用户和固定卫星服务用户，包括雷达服务。这些用户将受到优先接入和一般授权接入用户的干扰保护。

        优先接入层由优先接入许可证（PALs）构成，这些许可证将在3550–3650 MHz频段内通过竞争性拍卖分配。每个PAL被定义为一种不可续期的授权，允许在特定的普查区块内使用10 MHz的频段，授权有效期为三年。每个普查区块最多可分配七个PAL许可证，其中最多四个PAL可以分配给同一个申请者。申请者可以在第一次拍卖中获得同一许可区块的最多两个连续PAL许可证。

        一般授权接入层则是通过规则进行许可，允许尽可能多的潜在用户开放、灵活地接入该频段。一般授权接入用户可以使用3550–3700 MHz频段中未分配给高层用户的任何部分，也可以在未使用的优先接入频段上进行机会性操作。

频谱分配的过程是自动化的，通过多个频谱分配服务器（SAS）进行全国范围的协调。每个基站必须报告其位置信息。根据传播数据，SAS会估算新发射器对其他邻近小区的影响。同时，也使用额外的室外射频测量接收器来评估背景信号水平。如果射频功率密度低于−80 dBm，则SAS授权频谱使用。CBRS的详细规则见[4]。

六、3GPP频率变种

        3GPP为所有可能部署5G的相关频段定义了频率变种。每个频率变种的工作由移动运营商发起，由设备厂商完成。频率变种是独立发布的：厂商可以从Release 16规格中选择一个频率变种，但仍然使用Release 15的功能。在3GPP规格的演进过程中，定义了更多的频率变种。