5G服务、生态系统及频谱管理全解析

# 5G服务、频谱管理与带宽需求全解析 ## 1 5G服务类型与移动网络生态 ### 1.1 5G主要服务类型 5G主要有三种服务类型，分别是增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类型通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（URLLC）。 - **eMBB**：满足以人为中心的多媒体内容和数据服务接入用例。不同场景下需求差异大，如热点场景追求极高吞吐量和低延迟通信，广域覆盖则注重客户体验，保证覆盖区域内可靠且适度的数据速率。 - **mMTC**：特点是数十亿联网设备的无线连接，优先考虑广域覆盖和深度室内穿透，通常以低速率传输对延迟不敏感的数据。适用于智慧城市、智能建筑、农业传感器网络等场景。 - **URLLC**：对延迟和可用性有严格要求。例如生产设施的无线自动化、智能电网中关键基础设施的监控、远程医疗手术、远程机器人、触觉互联网以及车辆交通效率和安全等应用。 ### 1.2 移动网络运营商的生态关系 移动网络运营商（MNO）在网络生态中扮演着网络运营商和服务提供商的双重角色，其生态关系如下表所示： |角色|客户|竞争对手|供应商|互补者| | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | |网络运营商|MVNOs、PNVOs|其他MNOs、大型Wi-Fi玩家（如Google、Microsoft）|设备供应商（包括传统IT公司，如IBM、HP等）、网络运营与管理软件开发人员、数据中心玩家、资产提供商、频谱经纪人|内容提供商（如电视频道、Google Maps、Facebook等）、设备制造商、设备应用提供商、新兴垂直行业| |服务提供商|终端用户、直接购买连接服务的垂直行业|其他MNOs、MVNOs、OTT玩家（如Skype、Viber、Google）、PNVOs、MTC运营商|设备制造商、CDN内容托管玩家|内容提供商（如电视频道、Google Maps、Facebook等）、设备制造商、设备应用提供商、新兴垂直行业| ### 1.3 5G对移动网络生态的影响 5G用例的出现促使移动网络生态系统发生演变，新参与者的加入和现有参与者地位的变化，推动了移动网络运营商价值网络的转型。为了满足5G服务和用例的要求，实现价值网络的转变，5G架构必须从传统系统进行大幅演进。 ## 2 5G频谱管理 ### 2.1 频谱现状与挑战 5G网络需要处理从几kbps到数Gbps的移动数据速率，对无线接入可用性和链路可靠性的要求也会提高。目前国际电信联盟（ITU）无线电规则中分配给移动服务且低于6GHz的频谱总量为1886MHz，但各国实际可用或计划用于移动通信的频谱只是其中一部分。 增加移动网络容量的方式有三种： 1. 增加额外的频谱频段； 2. 通过部署更多接入点进行小区密集化； 3. 使用先进的无线电技术提高频谱效率。 由于小区密集化和提高频谱效率不足以应对特定5G使用场景下预计的极高移动流量，因此需要提供大量额外的移动通信用频谱，最好是在全球范围内进行协调。5G系统需要能够在从低于1GHz到100GHz的不同频段中利用各种运营带宽，频谱管理的主要挑战是整合广泛频谱范围内的众多频段，并处理不同的频谱接入方式，如个体（许可）或通用（共享）授权。 ### 2.2 频谱授权方案与使用场景 #### 2.2.1 频谱授权方式 无线电频谱的使用授权主要有两种方式： - **个体授权**：以颁发许可证的形式授予，许可证持有者在特定位置和/或时间内拥有排他性的频谱使用权。 - **通用授权**：也称为免许可或非授权，用户无需个体许可证，但频谱使用需遵守一定的技术限制或条件，如有限的发射功率、占空比或先听后说等缓解技术，且不能要求免受其他用户干扰。 #### 2.2.2 5G无线电接入系统的用户模式 根据相关定义，5G无线电接入系统有四种用户模式： - **服务专用用户模式**：指定用于公共移动通信以外的服务，如智能交通系统（ITS）或公共保护与灾难救援（PPDR）应用，只能用于特定的服务和应用。 - **排他性用户模式**：用于公共移动通信的频谱属于此模式。 - **许可共享接入（LSA）用户模式**：非移动通信许可证持有者（现有用户）与一个或多个LSA许可证持有者共享频谱接入权，后者在满足特定条件并获得相关监管机构许可的情况下使用频谱。 - **非授权用户模式**：即免许可使用，用户无个体许可证，受技术限制，不能要求免受干扰。 这些用户模式与两种授权方案的关系如下mermaid图所示： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(个体授权):::process --> B(服务专用用户模式):::process A --> C(排他性用户模式):::process A --> D(LSA用户模式):::process E(通用授权):::process --> F(非授权用户模式):::process B --> G(专用许可频谱):::process C --> G D --> H(有限频谱池):::process D --> I(相互租赁):::process F --> J(非授权水平共享):::process H --> K(水平共享):::process I --> K J --> K D --> L(垂直共享):::process ``` #### 2.2.3 不同5G使用场景的频谱要求 不同的5G使用场景对频谱的要求不同： - **eMBB应用**：需要多种频段的组合，低频段用于覆盖和中低数据流量，高频段用于处理极高的流量需求。排他性许可频谱对于保证覆盖义务和客户最低服务质量至关重要，其他许可制度（如LSA或非授权接入）可作为补充选项，以增加整体频谱可用性。 - **mMTC应用**：主要需要低于6GHz的频谱，特别是低于1GHz的频谱用于广域覆盖和可靠的室外到室内穿透。排他性许可频谱是首选，但根据具体应用需求，也可考虑更高频段和其他许可制度。 - **URLLC应用**：需要高可靠性的频谱可用性，许可频谱被认为最适合此类服务。对于汽车安全和效率通信，5875 - 5925MHz的ITS协调频段是一个选择，特别是对于高速车辆和农村环境，低于1GHz的频谱非常适合。 ## 3 5G频谱带宽需求确定 ### 3.1 主要参数 确定任何特定无线电通信网络（包括未来的5G网络）所需的带宽，主要取决于以下三个参数： 1. **目标服务质量（QoS）**：该参数因网络提供的服务而异，对于5G，需要考虑eMBB、mMTC和URLLC三种主要使用场景的组合。预测不同服务的流量模式是QoS需要考虑的一个关键方面。 2. **区域频谱效率**：以bit/s/Hz/cell表示，描述了每个小区每带宽的数据速率方面，可用频谱的使用效率。目前正在标准化或研究的创新将极大影响5G中可实现的区域频谱效率及其可预见的演变。可以通过提高单个传输接收点（TRP）内的单链路频谱效率（例如通过高阶调制和编码方案、大规模多输入多输出（MIMO）或干扰消除技术），以及协调区域内的多个TRP（例如通过先进的小区间干扰协调（ICIC）和协作多点（CoMP））来提高区域频谱效率。 3. **网络、TRP和用户分布的物理部署**：当前传统网络在高流量密度区域大幅增加了网络TRP的数量，通过提供不同级别的小小区来维持相同频谱带宽下的服务质量。然而，这种高密度部署对服务提供的资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）有明显影响，从经济角度来看可能不可持续。因此，需要对用户密度分布和TRP部署进行现实估计，以评估所需的频谱带宽。用户或移动TRP的速度等参数也会影响相关链路的最终可实现频谱效率，从而影响所需的带宽。 ### 3.2 需求确定方法 后续将对当前方法及其对5G的适用性进行概述，并介绍一种与技术和频段无关的统计程序来确定频谱带宽需求。 ## 4 5G频谱使用的其他方面 ### 4.1 高频段频谱使用分析 在高频段进行频谱使用时，需要考虑以下几个方面： - **传播特性**：高频段信号的传播特性与低频段不同，其传播损耗较大，覆盖范围相对较小。这意味着在高频段部署5G网络时，需要更多的基站来实现覆盖。 - **覆盖问题**：由于高频段信号的覆盖范围有限，需要采用一些特殊的技术来扩大覆盖范围，如波束赋形技术，通过将信号集中在特定的方向上，提高信号的强度和覆盖范围。 - **部署挑战**：高频段的基站部署需要考虑更多的因素，如天线的高度、位置等，以确保信号的传播和覆盖效果。同时，高频段的基站功耗也相对较高，需要解决好散热和电源供应等问题。 - **共存问题**：高频段频谱可能会与其他无线电系统产生干扰，需要采取相应的措施来确保5G系统与其他系统的共存，如采用干扰协调技术、频谱共享技术等。 ### 4.2 动态频谱管理的演进路径 动态频谱管理是未来5G网络频谱管理的重要发展方向，其演进路径如下： 1. **初始阶段**：主要依赖人工干预和简单的规则来进行频谱分配和管理，效率较低。 2. **自动化阶段**：引入自动化技术，如智能算法、机器学习等，实现频谱的自动分配和优化，提高管理效率。 3. **智能化阶段**：结合大数据、人工智能等技术，实现对频谱使用情况的实时监测和分析，预测频谱需求，从而实现更加智能化的频谱管理。 ### 4.3 可能的功能架构 为了实现动态频谱管理，需要构建一个合理的功能架构，以下是一个可能的功能架构： |功能模块|功能描述| | ---- | ---- | |频谱监测模块|实时监测频谱的使用情况，包括信号强度、频率占用等信息。| |频谱分析模块|对监测到的频谱数据进行分析，预测频谱需求和干扰情况。| |频谱决策模块|根据频谱分析结果，做出频谱分配和管理的决策。| |频谱执行模块|执行频谱决策，实现频谱的分配和调整。| mermaid图展示该功能架构的关系： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(频谱监测模块):::process --> B(频谱分析模块):::process B --> C(频谱决策模块):::process C --> D(频谱执行模块):::process ``` ## 5 总结 5G技术的发展带来了全新的服务类型和应用场景，对移动网络生态和频谱管理提出了更高的要求。 - **服务类型方面**：eMBB、mMTC和URLLC三种服务类型各有特点，满足了不同领域的需求。eMBB注重多媒体和数据服务的高速接入，mMTC强调大规模设备的无线连接，URLLC则对延迟和可靠性有严格要求。 - **频谱管理方面**：频谱授权有个体授权和通用授权两种方式，5G无线电接入系统有四种用户模式，不同的使用场景对频谱的要求也不同。频谱管理需要整合广泛频段，处理不同接入方式，以提高频谱使用效率。 - **带宽需求方面**：确定频谱带宽需求主要取决于目标服务质量、区域频谱效率和网络、TRP及用户分布的物理部署三个参数。 未来，随着5G技术的不断发展和应用，频谱管理将朝着更加智能化、动态化的方向发展，以更好地满足5G网络的需求，推动5G技术在各个领域的广泛应用。我们需要持续关注5G频谱管理的发展趋势，不断探索和创新，以应对未来可能出现的挑战。