5G通信使用的3GPP全球频谱究竟是什么?

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今天,我们将带大家认识一下 5G 3GPP 全球频谱。所谓“频谱”,是指特定类型的无线通信所在的射频范围。不同的无线技术使用不同的频谱,因此互不干扰。由于一项技术的频谱是有限的,因此频谱空间存在大量竞争,并且人们也在不断开发和增强全新的、高效率的频谱使用方式。本章将介绍 5G 通信使用的第 3 代合作伙伴计划组织(3GPP)全球频谱。

1介绍 5G 3GPP 全球频谱

频带的带宽越多,接收数据的量越大、速度越快。带宽越多,下载大文件的用时越少。因此,移动网络运营商和监管机构正在尽一切可能,重构、获取或共享频谱资源。

 

所谓“频谱重构”,是一种将一个现有应用所使用的频谱转移到新应用的方法(例如:2010 年,移动网络运营商将 2G 应用使用的频谱直接转移到 4G LTE 应用)。

 

在释放频谱资源上,尽管监管机构已有长足进步,但仍需采取其他措施。为适应 5G 通信的众多用例和性能需求,必须在所有频率范围都提供频谱资源。另外,承运商为支持 5G 需要增加容量,由于带宽是提高数据率的关键,因此运营商必须取得更多宽带。

 

3GPP 为全球各个地区分配国际移动电信(IMT)频带。在第 1 章已经说明,3GPP 是一个由移动系统制造商组成的集体性项目合作伙伴组织。过去几年,3GPP 通过重构和清理数字电视等现有服务,稳步增加新的时分双工(TDD)和频分双工(FDD)3G 和 4G 频带。

 

甚至在 5G 到来之前,4G LTE 就已在许多方面完善了频谱效率。随着高位调制技术的进步,例如:64 和 256 正交波幅调制技术(QAM),以及多入多出(MIMO)和波束赋形技术的推出,每秒峰值数据率被推升至 2 吉比特。另外,LTE 载波聚合技术也为移动网络运营商新增一个提高带宽的选项,即:将多个 20 MHz 带宽的频率载波合并,提供最高 140 MHz 可用频谱。在美国,当非特许 LAA 和 CBRS 频谱与 7 分量载波 CC)聚合时,可实现 140 MHz 的聚合带宽。5G 更进一步,允许进一步加大分量载波带宽。在 7 GHz 以下的 FR1 频段,能够实现 100 MHz 带宽;对于 FR2 频段毫米波,则可实现 400 MHz 的带宽。如果个体移动网络运营商拥有足够的频谱许可证,5G 在 FR2 频段能够聚合达到 800MHz 的带宽。

 

5G 频谱目前划分为两个频段:


7 GHz 以下频段(FR1)


毫米波频段(FR2)

 

图 3-1 所示为世界各国被分配的 7 GHz 以下频谱。

 

图 3-1:全球 5G 7 GHz 以下频带使用情况。

 

在 6 GHz 以上,更容易在毫米波频带找到 100 MHz 或以上的连续带宽。这种带宽通常集中在 24 GHz、28 GHz、39 GHz 直至 80 GHz,5G 允许的 FR2 信道带宽最高可达 400 MHz。

 

图 3-2 所示为全球现有毫米波频带的可用情况。虽然 6 GHz 以上的频谱资源更多,但这些频率的传播条件更为复杂,往往需要基站与设备之间满足视距条件。另外,毫米波还需要高度方向性波束赋形和大规模 MIMO 天线,以便实时跟踪用户。

 

图 3-2:全球 5G 毫米波频带使用情况。

 

2认识频谱
5G 的部署将是在当前频谱资产基础上的演进。根据频带的不同,技术性能也不同。对某些用例而言,有些频带会比其他频带更适合。您可以主要通过两种方式来考虑 5G:频带的分配和频带的特许(无论是非特许频带、特许频带,还是共享频带)。

 

(一)5G 频带

5G 频带分为三个明确类别:

 

低频:410 MHz 至 1 GHz。


• 容量有限,但覆盖面积大,室内穿透率强。


• 峰值数据率最高约为 200 Mbps。

 

中频:1 GHz 至 7 GHz。


• 适合城镇部署,增加容量。


• 峰值数据率最高约为 2 Gbps。

 

高频:24 GHz 至 100 GHz(毫米波)。


• 覆盖面积有限,但可能达到极高容量。


• 峰值数据率最高约为 10 Gbps。

 

随着运营商和原始设备制造商不断完善毫米波技术,7 GHz 以下频率技术将在不久的将来成为首选 5G 网络技术。7 GHz 以下频率技术能够长距离递送高数据率,因此不仅适合农村地区,也适合城镇地区(图 3-3)。

 

图 3-3:LTE-Advanced Pro 与 5G NR 生态系统。

 

毫米波等高频率频带最适合增强型移动宽带(eMBB)所需的短距离、低延时、超高容量传输。不过,我们在上文提到,这些高频率频带传输距离短,更容易因为天气或物体原因而产生信号损耗,并且室内穿透率有限。这种毫米波蜂窝站网络设计就像 4G 的小型蜂窝,因为二者拥有相似的频率范围和覆盖率。

 

中频频谱平衡了多项能力,在城镇和郊区环境下能够补充毫米波。中频频谱的传输距离更远、传播特性更好,因此除了人口稠密地区,中频频谱还能在其他地区提供 5G。另外,中频部署还有一个优势:运营商能够将中频能力添加到现有的 4G 蜂窝站区域,从而减少了在建筑物顶部或周边购买或租用空间产生的额外支出。

 

2 GHz 以下的低频提供优秀的覆盖率和移动性。对于低频用户,可以使用载波聚合技术扩大带宽。低频非常适合互动通信和大规模机器类通信(mMTC)。低频频谱也很适合室内穿透。

 

(二)频谱特许

下面,我们来看以下三种频谱分配方法:

 

非特许频谱:LTE-U、LAA、eLAA、Wi-Fi、蓝牙、C-V2X、DSRC、CBRS


特许频谱:拍卖的已清理频谱


共享频谱:需要授权才能共享接入的频谱

 

可用的非特许频谱数量很大,远超特许频谱。目前,非特许频谱主要被用于 Wi-Fi、点对点通信、传送或回传、读表及自动化。另外,国际上的非特许频谱还被预留给工业、科学和医疗应用。全世界的特许频谱都由原产国进行管理和管制;例如,美国联邦通信委员会(FCC)管理着美国的频谱。

 

非特许频谱的频带通常是共享频带。但是,为确保共享秩序,非特许频谱的使用存在一定限制。所有非特许频谱的用户都必须遵守相关规范,这些规范限制了允许的传输功率、辐射方向图、工作周期及接入程序,并确保在服务全体用户的同时减少干扰。共享 5 GHz 非特许频带的 LAA 和 Wi-Fi 就是其中一个例子。

 

(三)动态频谱共享

频谱共享是向 5G SA 迁移过程中的一个重要组成部分。动态频谱共享技术是促使移动网络运营商快速启用 5G 的“催化剂”。有了动态频谱共享技术,承运商能够在当前 4G LTE 使用的频带内启用 5G。动态频谱技术让现有的 LTE 运营商能够同时运营 5G NR 和 LTE。有了动态频谱共享技术,运营商不必为 4G LTE 或 5G 分割频谱,而是可以在这两种技术之间共享频谱。这让运营商能够智能化地、灵活地、快速地在现有 4G 网络范围内推出和增加 5G。动态频谱共享技术让 5G 和 4G LTE 能够同时在同一频带运行,它是一项改变游戏规则的技术。

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