5G频谱：需求、挑战与新模型探索

# 5G频谱：需求、挑战与新模型探索 ## 1. IMT - 2020频谱需求 ### 1.1 基于不同指标的频谱需求示例 根据相关标准和测试环境，IMT - 2020的频谱需求有多种情况： |示例|频谱需求| | ---- | ---- | |基于小区边缘用户吞吐量和频谱效率目标（ITU - R M.2083建议，N个同时服务的用户/设备在小区边缘）|用户体验数据速率为1 Gbps：3.33 GHz（N = 1），6.67 GHz（N = 2），13.33 GHz（N = 4），如室内场景；用户体验数据速率为100 Mbps：0.67 GHz（N = 1），1.32 GHz（N = 2），2.64 GHz（N = 4），用于广域覆盖| |基于小区边缘用户频谱效率（3GPP技术规范）和数据速率目标（ITU - R M.2083建议）在两个给定测试环境中|0.83 - 4.17 GHz（用于eMBB密集城市）；3 - 15 GHz（用于eMBB室内热点）| |延迟、频谱效率目标和典型用户吞吐量值对频谱需求的影响|单个用户在小区边缘1 ms内传输10 Mb文件：33.33 GHz（单向）；单个用户在小区边缘1 ms内传输1 Mb文件：3.33 GHz（单向）；单个用户在小区边缘1 ms内传输0.1 Mb文件：333 MHz（单向）| ## 2. 目标频谱 ### 2.1 5G频谱范围需求 从5G应用和需求的早期设想阶段开始，不同的用例类别及其相关的用户体验目标就已被提出，这些会对无线电接口设计产生潜在影响。一般来说，与4G相比，5G除了需要低频和中频范围外，还需要更高的频谱范围。 - **低频范围**：例如低于1 GHz，具有更广泛的覆盖范围，适用于宏蜂窝、障碍物穿透、传感器网络和汽车领域等。 - **中频范围**：例如低于6 GHz，可在覆盖范围和容量之间进行权衡，适用于小蜂窝和容量提升。 - **高频范围**：例如毫米波，可实现更高的吞吐量，适用于热点、超高清（UHD）视频流、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等。 ### 2.2 世界无线电通信大会（WRC - 19）成果 WRC - 19特别重要，其议程包括24.25至86 GHz的毫米波频率。经过数周的审议和激烈谈判，ITU - R的管理成员同意为IMT确定超过17 GHz的新频谱，具体频段如下： - 24.25 - 27.5 GHz - 全球识别 - 37 - 43.5 GHz - 全球识别 - 45.5 - 47 GHz - 区域/国家特定识别 - 47.2 - 48.2 GHz - 区域/国家特定识别 - 66 - 71 GHz - 全球识别 此外，WRC - 19同意进一步研究低于10.5 GHz的几个频段用于IMT的识别，以便在WRC - 23做出决定。 ### 2.3 4G与5G频谱对比 目前，大多数运营商持有的频谱约为几十兆赫兹（通常在10至50 MHz之间），通常用于4G和3G。一般认为，大部分5G频谱将分为中频段（例如3.5 GHz）和高频段（例如28 GHz）两类。虽然很难预测每个国家的5G频谱的确切可用性，但合理的假设是，5G网络需要在中频段使用约100 MHz的频谱，在毫米波或亚毫米波频段使用约1 GHz的频谱，这可能是在运营商现有的低于1 GHz频谱范围基础上的增加。中频段的额外频谱相当可观，而高频段的增加可能比运营商目前拥有的频谱大一个数量级，并且超出了其网络（特别是RAN）的设计支持能力。 ## 3. 频谱影响 ### 3.1 对RAN的影响 可用频谱的大幅增加将直接影响RAN。与4G相比，5G网络必须支持更高的吞吐量，这不可避免地会影响传输前传和回传网络以及RAN架构。特别是，这会影响基站架构，使通用公共无线电接口（CPRI）的使用变得不可行，并引发不同的拆分gNB架构设计。此外，高频段甚至中频段频谱需要比目前更高的网络密集化（即大规模部署小蜂窝），这也可能影响RAN架构和部署考虑。 ### 3.2 5G系统面临的挑战 5G系统的实施和发展面临几个挑战，这些挑战直接或间接影响无线电接口设计，主要分为以下三类： - **保护现有系统**：各种现有系统对其保护有不同的技术和/或监管要求，解决这些要求需要技术和监管解决方案。 - **克服传播障碍**：在毫米波频段，大气效应（如雨和气体损耗）会限制传播和小区范围。此外，由于毫米波中反射和散射是主要的传播现象，而低频段中衍射是主要现象，障碍物穿透也是一个限制因素。 - **开发经济高效的天线和RFIC技术**：由于毫米波的路径损耗过大，相对较小的天线元件鼓励使用高增益阵列和波束成形。然而，在如此高的频率下设计经济高效的商业组件是移动行业面临的一个新挑战。例如，开发具有陡峭滚降特性的滤波器技术以抑制不需要的发射，在高频段比在传统的3G/4G频段更具挑战性。 ## 4. 新频谱模型 ### 4.1 技术中立监管 过去几十年，北美和欧洲等地区的一些监管机构已转向技术中立的监管方式，即在满足一组最宽松的技术条件的前提下，为许可证持有者在服务分配范围内部署其选择的技术提供最大的灵活性。技术中立的两个重要要素——灵活性和最宽松条件，是辩证相关的。灵活性要素使许可证持有者能够在许可证有效期内根据指定规则对其选择的技术做出决策，而最宽松条件要素确保所给予的灵活性是有限度的，仅为防止对该频段或相邻频段的其他服务造成有害干扰所必需的最低限度。技术中立通常导致市场驱动的部署，并使许多国家的2G向3G和4G技术过渡，而无需对蜂窝频段进行大量的重新规划、重新分配和重新监管。 ### 4.2 传统频谱使用方式及其问题 频谱传统上以两种方式用于商业用途：独家许可和免许可。独家许可通常用于低频和中频范围的各种无线电服务，许可证的排他性是保护许可证持有者免受该频段（相邻区域）或相邻频段（相同或相邻区域）其他服务干扰的主要监管措施。每个许可证持有者必须遵守其频谱块之外、许可证区域边界之外或两者的特定发射水平。在授予地面移动许可证时，过去几十年使用功率通量密度（PFD）值或场强值来抑制在给定许可证区域边界或国际边界对其他许可证持有者的干扰。虽然这种方法有很多优点，并导致了蜂窝技术在全球的普及，但在某些情况下可能导致频谱利用率不足。免许可方式最适合Wi - Fi接入，但在免许可频段中，随着其他用户的增加，用户体验通常会下降。因此，免许可服务不能为用户提供任何级别的服务质量（QoS）保证，仅限于尽力而为（BE）方法。 ### 4.3 新的频谱共享方式 #### 4.3.1 频谱共享的意义 一种有助于解决低频至中频频谱紧张问题的方法是通过新的频谱资源共享方法，在多个服务之间共享频谱，以保证一定的QoS水平。这种方案可以在不影响现有系统运行的情况下，为蜂窝通信提供新的频谱，同时提高整体频谱利用率，并为许可证持有者提供在使用该频谱建设网络时获得投资回报（ROI）的保证。 #### 4.3.2 频谱共享案例 - **电视空白频段（TVWS）**：TVWS允许无执照的二级设备在特定位置和时间间隔访问广播许可的频谱，而不会干扰现有系统的运行。然而，TVWS技术的采用水平仍然较低。 - **LSA和CBRS**：欧洲电信标准协会（ETSI）和欧洲邮政和电信管理会议（CEPT）开发了LSA，美国的CBRS联盟开发了CBRS。这些举措显示出很大的潜力，在撰写本文时，许多公司已申请CBRS许可证并开始测试CBRS网络。美国联邦通信委员会预计到2020年开始拍卖CBRS频段的优先接入许可证（PAL）部分。 #### 4.3.3 LSA与CBRS的比较 |比较项|LSA|CBRS| | ---- | ---- | ---- | |层级访问|第一层：现有用户；第二层：（共同主要）许可证持有者|第一层：现有用户；第二层：优先接入许可证用户；第三层：一般授权访问用户| |运营频段|2.3 - 2.4 GHz（LTE频段40）|3.55 - 3.7 GHz（LTE频段42/43）| |现有系统保护|使用数据库|使用传感和数据库| |许可期限|待协商（目标：>10年）|10年（PAL）| #### 4.3.4 CBRS网络架构特点 CBRS网络架构基本基于3GPP，但有一些差异，例如使用频谱接入系统（SAS）来控制对CBRS频谱的访问。CBRS基站通电时会连接到SAS，并向SAS提供其坐标和标识符。SAS使用这些信息为基站提供其可以使用的CBRS频率，即当前未被第一层现有用户使用的频率。此外，这里描述的共享频谱可能会带来新的RAN部署选项，如中立主机。中立主机网络（NHN）运营商（如场地所有者）可以以相对较低的投资构建在CBRS频谱中运行的网络，然后将网络容量租赁给其他运营商（如传统的移动网络运营商MNO），这对双方都有利，既为场地所有者提供了新的收入来源，又减轻了MNO获取基站站点的负担，这也是目前小蜂窝部署相对较少的主要原因之一。 ### 4.4 本地化许可 #### 4.4.1 本地化许可的发展 欧洲已经开始为特定行业领域（如工业物联网（IIoT）、智能交通系统（ITS）等）提供频谱，这些行业可以从5G中受益，但有严格的性能要求（如极低的延迟）。例如，德国监管机构Bundesnetzagentur（BNetzA）已为私人网络提供3.7 - 3.8 GHz频段的频谱，这将与一般5G移动宽带使用的频谱拍卖分开。亚洲的一些监管机构也开始考虑类似的方法，以促进5G在许多垂直行业的引入。 #### 4.4.2 技术中立框架下的本地化许可 技术中立并不要求许可证持有者仅提供广域服务。例如，使用分布式天线系统（DAS）可以利用为广域使用而许可的频率在建筑物内提供本地覆盖。在美国，技术中立的许可证在许可区域大小方面有很大的差异，所有这些都是独家许可证，对使用特定的无线技术或特定技术的用例没有强制要求。实际上，各种5G应用的某些关键绩效指标（如峰值和平均吞吐量）决定并推动了对从极低到极高各种频谱范围的需求，而网络架构和其他一些关键绩效指标（如端到端延迟）除了广域eMBB应用所需的大许可区域外，还需要非常小的许可区域。技术中立的许可证对许可区域大小、网络拓扑和结构没有要求，成熟的技术中立框架同样适用于所有许可区域大小和网络拓扑。本地、私有运营的网络也可以在技术中立的监管制度下进行监管。 ## 5. 促进5G应用的监管 ### 5.1 监管新思路 为了使未来的分布式通信和计算架构帮助垂直市场细分领域最大限度地从5G技术中受益，可能需要重新审视监管。越来越重要的是，未来的监管制度不仅应允许独家许可（全广域QoS）和传统的免许可（BE）操作，还应考虑本地许可和半调度免许可操作。这后两类许可需要监管机构进一步关注，它们在为垂直市场带来好处方面有相似之处，但在QoS、可靠性、成本和可寻址市场方面有所不同。 ### 5.2 监管措施建议 监管机构应考虑创造有利的监管条件，并以技术中立的方式提供频谱，以促进工业和企业应用（垂直行业）从即将到来的5G无线电和网络中受益。可以使用简单的措施来解决相关问题，例如，在国际或许可区域边界遵守广域许可证的相同指标/条件（即在地面上方一定高度遵守最大电场强度），也可以用作获取本地许可证的设施边界的合规条件。此外，没有理由认为不需要的发射指标应根据许可区域的大小而变化。及时在合适的许可条件下提供频谱可以为经济创造一个主要的增长领域，同时推动5G的非eMBB方面向时间敏感网络（TSN）和服务的端到端集成发展。 下面用mermaid流程图展示5G频谱相关的主要流程： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(确定5G频谱需求):::process --> B(目标频谱规划):::process B --> C(评估频谱影响):::process C --> D(探索新频谱模型):::process D --> E(制定促进5G应用的监管措施):::process E --> F(实施与优化):::process ``` 综上所述，5G频谱的发展涉及到频谱需求的确定、目标频谱的规划、对网络架构的影响、新频谱模型的探索以及监管措施的制定等多个方面。只有综合考虑这些因素，才能推动5G技术的顺利发展和广泛应用。 ### 6. 频谱需求与应用场景的对应关系 #### 6.1 不同应用场景下的频谱需求 5G的多样化应用场景对频谱提出了不同的需求，具体如下： |应用场景|频谱需求特点|适用频段| | ---- | ---- | ---- | |广域覆盖（如农村、郊区）|需要较低频率以实现更广泛的覆盖和更好的障碍物穿透能力|低频范围（低于1 GHz）| |城市热点（如商场、体育场）|要求高吞吐量以满足大量用户的高速数据需求|高频范围（毫米波）| |小范围区域（如室内办公室、工厂车间）|在覆盖和容量之间寻求平衡，同时可能需要较低的延迟|中频范围（低于6 GHz）| #### 6.2 频谱需求与用户体验的关联 不同的用户体验目标也对应着不同的频谱需求。例如，用户期望的高速数据传输（如1 Gbps的用户体验数据速率）需要更宽的频谱带宽。以室内场景为例，当N个用户同时需要1 Gbps的数据速率时，频谱需求随着用户数量的增加而增加，如N = 1时需要3.33 GHz，N = 2时需要6.67 GHz，N = 4时需要13.33 GHz。 ### 7. 频谱资源的有效利用策略 #### 7.1 频谱共享的优势与挑战 频谱共享作为解决频谱紧张问题的重要手段，具有诸多优势。它可以提高频谱利用率，使不同的服务在同一频段内共存，同时为新的应用提供频谱资源。然而，频谱共享也面临一些挑战，如需要确保不同服务之间的干扰最小化，以及为每个服务提供一定的QoS保证。 #### 7.2 频谱共享的实施步骤 为了实现有效的频谱共享，可以采取以下步骤： 1. **需求分析**：了解不同服务的频谱需求和使用模式，确定哪些服务可以进行频谱共享。 2. **技术选择**：根据需求分析的结果，选择合适的频谱共享技术，如LSA或CBRS。 3. **系统部署**：部署相应的频谱共享系统，包括数据库、传感设备等，以确保对频谱的有效管理和控制。 4. **监测与优化**：持续监测频谱使用情况，及时调整共享策略，以优化频谱利用率和服务质量。 #### 7.3 本地化许可的作用 本地化许可可以为特定行业提供定制化的频谱解决方案，满足其严格的性能要求。例如，工业物联网（IIoT）和智能交通系统（ITS）等行业对低延迟和高可靠性有较高的要求，本地化许可可以为这些行业提供专用的频谱资源，促进其发展。 ### 8. 监管对5G发展的重要性 #### 8.1 监管的引导作用 监管机构在5G发展中起着关键的引导作用。通过制定合理的监管政策，可以促进频谱资源的有效利用，推动新频谱模型的应用，以及保障5G应用的顺利实施。例如，技术中立的监管方式可以鼓励市场竞争，促进创新，使运营商能够根据市场需求选择合适的技术和应用。 #### 8.2 监管的平衡考量 监管机构需要在不同的利益之间进行平衡考量。一方面，要确保频谱资源的合理分配，满足不同行业和用户的需求；另一方面，要保护现有系统的正常运行，避免有害干扰。此外，监管机构还需要考虑成本效益，制定既有利于行业发展又不会给运营商和用户带来过高负担的监管政策。 ### 9. 5G频谱发展的未来趋势 #### 9.1 频谱资源的持续拓展 随着5G应用的不断发展，对频谱资源的需求将持续增加。未来，可能会有更多的频段被开发和利用，包括更高的毫米波频段和更低的低频段。同时，频谱共享技术也将不断完善，进一步提高频谱利用率。 #### 9.2 网络架构的适应性调整 为了适应频谱资源的增加和变化，5G网络架构将进行相应的调整。例如，RAN架构将更加灵活，以支持更高的吞吐量和更密集的网络部署。基站架构也将不断优化，采用新的技术和接口，以提高性能和效率。 #### 9.3 行业应用的深度融合 5G频谱的发展将促进各行各业与5G技术的深度融合。工业、交通、医疗等行业将利用5G的高速、低延迟和高可靠性等特性，实现智能化升级和创新发展。例如，工业物联网可以实现设备的实时监控和远程控制，智能交通系统可以实现车辆的自动驾驶和交通流量的优化管理。 ### 10. 总结 5G频谱的发展是一个复杂而又关键的过程，涉及到频谱需求的确定、目标频谱的规划、频谱影响的评估、新频谱模型的探索以及监管措施的制定等多个方面。通过有效的频谱管理和合理的监管政策，可以实现频谱资源的高效利用，推动5G技术的广泛应用，为各行各业带来新的发展机遇。 下面用mermaid流程图展示5G频谱发展的未来趋势： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(频谱资源拓展):::process --> B(网络架构调整):::process B --> C(行业应用融合):::process C --> D(5G生态完善):::process ``` 总之，5G频谱的发展将为未来的通信和社会发展带来巨大的变革。我们需要不断探索和创新，以应对各种挑战，实现5G技术的最大价值。