技術(shù)
導(dǎo)讀:頻帶的帶寬越多,接收數(shù)據(jù)的量越大、速度越快。帶寬越多,下載大文件的用時(shí)越少。因此,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在盡一切可能,重構(gòu)、獲取或共享頻譜資源。
今天,我們將帶大家認(rèn)識(shí)一下5G 3GPP全球頻譜。所謂“頻譜”,是指特定類型的無(wú)線通信所在的射頻范圍。不同的無(wú)線技術(shù)使用不同的頻譜,因此互不干擾。由于一項(xiàng)技術(shù)的頻譜是有限的,因此頻譜空間存在大量競(jìng)爭(zhēng),并且人們也在不斷開(kāi)發(fā)和增強(qiáng)全新的、高效率的頻譜使用方式。本章將介紹5G 通信使用的第 3 代合作伙伴計(jì)劃組織(3GPP)全球頻譜。
1、介紹 5G 3GPP 全球頻譜
頻帶的帶寬越多,接收數(shù)據(jù)的量越大、速度越快。帶寬越多,下載大文件的用時(shí)越少。因此,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在盡一切可能,重構(gòu)、獲取或共享頻譜資源。
所謂“頻譜重構(gòu)”,是一種將一個(gè)現(xiàn)有應(yīng)用所使用的頻譜轉(zhuǎn)移到新應(yīng)用的方法(例如:2010 年,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將 2G 應(yīng)用使用的頻譜直接轉(zhuǎn)移到 4G LTE 應(yīng)用)。
在釋放頻譜資源上,盡管監(jiān)管機(jī)構(gòu)已有長(zhǎng)足進(jìn)步,但仍需采取其他措施。為適應(yīng) 5G 通信的眾多用例和性能需求,必須在所有頻率范圍都提供頻譜資源。另外,承運(yùn)商為支持 5G 需要增加容量,由于帶寬是提高數(shù)據(jù)率的關(guān)鍵,因此運(yùn)營(yíng)商必須取得更多寬帶。
3GPP 為全球各個(gè)地區(qū)分配國(guó)際移動(dòng)電信(IMT)頻帶。在第 1 章已經(jīng)說(shuō)明,3GPP 是一個(gè)由移動(dòng)系統(tǒng)制造商組成的集體性項(xiàng)目合作伙伴組織。過(guò)去幾年,3GPP 通過(guò)重構(gòu)和清理數(shù)字電視等現(xiàn)有服務(wù),穩(wěn)步增加新的時(shí)分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)3G 和 4G 頻帶。
甚至在 5G 到來(lái)之前,4G LTE 就已在許多方面完善了頻譜效率。隨著高位調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步,例如:64 和 256 正交波幅調(diào)制技術(shù)(QAM),以及多入多出(MIMO)和波束賦形技術(shù)的推出,每秒峰值數(shù)據(jù)率被推升至 2 吉比特。另外,LTE 載波聚合技術(shù)也為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商新增一個(gè)提高帶寬的選項(xiàng),即:將多個(gè) 20 MHz 帶寬的頻率載波合并,提供最高 140 MHz 可用頻譜。在美國(guó),當(dāng)非特許 LAA 和 CBRS 頻譜與 7 分量載波 CC)聚合時(shí),可實(shí)現(xiàn) 140 MHz 的聚合帶寬。5G 更進(jìn)一步,允許進(jìn)一步加大分量載波帶寬。在 7 GHz 以下的 FR1 頻段,能夠?qū)崿F(xiàn) 100 MHz 帶寬;對(duì)于 FR2 頻段毫米波,則可實(shí)現(xiàn) 400 MHz 的帶寬。如果個(gè)體移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商擁有足夠的頻譜許可證,5G 在 FR2 頻段能夠聚合達(dá)到 800MHz 的帶寬。
5G 頻譜目前劃分為兩個(gè)頻段:
7 GHz 以下頻段(FR1)
毫米波頻段(FR2)
圖 3-1 所示為世界各國(guó)被分配的 7 GHz 以下頻譜。
圖 3-1:全球 5G 7 GHz 以下頻帶使用情況。
在 6 GHz 以上,更容易在毫米波頻帶找到 100 MHz 或以上的連續(xù)帶寬。這種帶寬通常集中在 24 GHz、28 GHz、39 GHz 直至 80 GHz,5G 允許的 FR2 信道帶寬最高可達(dá) 400 MHz。
圖 3-2 所示為全球現(xiàn)有毫米波頻帶的可用情況。雖然 6 GHz 以上的頻譜資源更多,但這些頻率的傳播條件更為復(fù)雜,往往需要基站與設(shè)備之間滿足視距條件。另外,毫米波還需要高度方向性波束賦形和大規(guī)模 MIMO 天線,以便實(shí)時(shí)跟蹤用戶。
圖 3-2:全球 5G 毫米波頻帶使用情況。
2、認(rèn)識(shí)頻譜
5G 的部署將是在當(dāng)前頻譜資產(chǎn)基礎(chǔ)上的演進(jìn)。根據(jù)頻帶的不同,技術(shù)性能也不同。對(duì)某些用例而言,有些頻帶會(huì)比其他頻帶更適合。您可以主要通過(guò)兩種方式來(lái)考慮 5G:頻帶的分配和頻帶的特許(無(wú)論是非特許頻帶、特許頻帶,還是共享頻帶)。
(一)5G 頻帶
5G 頻帶分為三個(gè)明確類別:
低頻:410 MHz 至 1 GHz。
? 容量有限,但覆蓋面積大,室內(nèi)穿透率強(qiáng)。
? 峰值數(shù)據(jù)率最高約為 200 Mbps。
中頻:1 GHz 至 7 GHz。
? 適合城鎮(zhèn)部署,增加容量。
? 峰值數(shù)據(jù)率最高約為 2 Gbps。
高頻:24 GHz 至 100 GHz(毫米波)。
? 覆蓋面積有限,但可能達(dá)到極高容量。
? 峰值數(shù)據(jù)率最高約為 10 Gbps。
隨著運(yùn)營(yíng)商和原始設(shè)備制造商不斷完善毫米波技術(shù),7 GHz 以下頻率技術(shù)將在不久的將來(lái)成為首選 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。7 GHz 以下頻率技術(shù)能夠長(zhǎng)距離遞送高數(shù)據(jù)率,因此不僅適合農(nóng)村地區(qū),也適合城鎮(zhèn)地區(qū)(圖 3-3)。
圖 3-3:LTE-Advanced Pro 與 5G NR 生態(tài)系統(tǒng)。
毫米波等高頻率頻帶最適合增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)所需的短距離、低延時(shí)、超高容量傳輸。不過(guò),我們?cè)谏衔奶岬?,這些高頻率頻帶傳輸距離短,更容易因?yàn)樘鞖饣蛭矬w原因而產(chǎn)生信號(hào)損耗,并且室內(nèi)穿透率有限。這種毫米波蜂窩站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)就像 4G 的小型蜂窩,因?yàn)槎邠碛邢嗨频念l率范圍和覆蓋率。
中頻頻譜平衡了多項(xiàng)能力,在城鎮(zhèn)和郊區(qū)環(huán)境下能夠補(bǔ)充毫米波。中頻頻譜的傳輸距離更遠(yuǎn)、傳播特性更好,因此除了人口稠密地區(qū),中頻頻譜還能在其他地區(qū)提供 5G。另外,中頻部署還有一個(gè)優(yōu)勢(shì):運(yùn)營(yíng)商能夠?qū)⒅蓄l能力添加到現(xiàn)有的 4G 蜂窩站區(qū)域,從而減少了在建筑物頂部或周邊購(gòu)買(mǎi)或租用空間產(chǎn)生的額外支出。
2 GHz 以下的低頻提供優(yōu)秀的覆蓋率和移動(dòng)性。對(duì)于低頻用戶,可以使用載波聚合技術(shù)擴(kuò)大帶寬。低頻非常適合互動(dòng)通信和大規(guī)模機(jī)器類通信(mMTC)。低頻頻譜也很適合室內(nèi)穿透。
(二)頻譜特許
下面,我們來(lái)看以下三種頻譜分配方法:
非特許頻譜:LTE-U、LAA、eLAA、Wi-Fi、藍(lán)牙、C-V2X、DSRC、CBRS
特許頻譜:拍賣的已清理頻譜
共享頻譜:需要授權(quán)才能共享接入的頻譜
可用的非特許頻譜數(shù)量很大,遠(yuǎn)超特許頻譜。目前,非特許頻譜主要被用于 Wi-Fi、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、傳送或回傳、讀表及自動(dòng)化。另外,國(guó)際上的非特許頻譜還被預(yù)留給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療應(yīng)用。全世界的特許頻譜都由原產(chǎn)國(guó)進(jìn)行管理和管制;例如,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)管理著美國(guó)的頻譜。
非特許頻譜的頻帶通常是共享頻帶。但是,為確保共享秩序,非特許頻譜的使用存在一定限制。所有非特許頻譜的用戶都必須遵守相關(guān)規(guī)范,這些規(guī)范限制了允許的傳輸功率、輻射方向圖、工作周期及接入程序,并確保在服務(wù)全體用戶的同時(shí)減少干擾。共享 5 GHz 非特許頻帶的 LAA 和 Wi-Fi 就是其中一個(gè)例子。
(三)動(dòng)態(tài)頻譜共享
頻譜共享是向 5G SA 遷移過(guò)程中的一個(gè)重要組成部分。動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)是促使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商快速啟用 5G 的“催化劑”。有了動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù),承運(yùn)商能夠在當(dāng)前 4G LTE 使用的頻帶內(nèi)啟用 5G。動(dòng)態(tài)頻譜技術(shù)讓現(xiàn)有的 LTE 運(yùn)營(yíng)商能夠同時(shí)運(yùn)營(yíng) 5G NR 和 LTE。有了動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù),運(yùn)營(yíng)商不必為 4G LTE 或 5G 分割頻譜,而是可以在這兩種技術(shù)之間共享頻譜。這讓運(yùn)營(yíng)商能夠智能化地、靈活地、快速地在現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)推出和增加 5G。動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)讓 5G 和 4G LTE 能夠同時(shí)在同一頻帶運(yùn)行,它是一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)。