一文看懂5G频谱

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一、频率范围。

5G频谱分为两个区域FR1FR2,FR就是Frequency Range的意思,即频率范围。

 

FR1的频率范围是450MHz到6GHz,也叫Sub6G(低于6 GHz)。

 

FR2的频率范围是24GHz到52GHz,这段频谱的电磁波波长大部分都是毫米级别的,因此也叫毫米波mmWave(严格来说大于30GHz才叫毫米波)。

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二、频谱优缺点。

FR1的优点是频率低,绕射能力强,覆盖效果好,是当前5G的主用频谱。FR1主要作为基础覆盖频段,最大支持100Mbps的带宽。其中低于3GHz的部分,包括了现网在用的2G、3G、4G的频谱,在建网初期可以利旧站址的部分资源实现5G网络的快速部署。

 

FR2的优点是超大带宽,频谱干净,干扰较小,作为5G后续的扩展频率。FR2主要作为容量补充频段,最大支持400Mbps的带宽,未来很多高速应用都会基于此段频谱实现,5G高达20Gbps的峰值速率也是基于FR2的超大带宽。

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三.利用波束赋形提高能量效率

在传统蜂窝网络中,与小区相关联的基站会向着相当广泛的区域传输能量(通常是基站前方120度角的弧形区域)。其中一部分能量会被基站小区内的用户接收,但绝大多数能量则被环境所吸收(建筑、行人、树木、汽车等)。这些耗损就意味着能量效率的降低和网络OPEX的提高(图5)。如果将单根基站天线替换为由120根天线向各个用户定向传输能量,那么基站所需的功耗将降低至原输出功率的0.1%(参考文献3)。然而这个下降幅度仅仅是理论值,从实际角度而言,由于基站内部射频元件的效能和损耗,相同容量下的输出功率只能降低到原功率的30%。

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四、我国三大运营商5G频谱划分。

目前我国仅对FR1中的频段进行了分配,其中

 

中国移动:2515MHz-2675MHz共160MHz,频段号为n41,以及4800MHz-4900MHz共100MHz,频段号为n79;

 

中国电信:3400MHz-3500MHz共100MHz,频段号为n78;

 

中国联通:3500MHz-3600MHz共100MHz,频段号为n78;

 

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从频谱划分来看,中国移动又一次担当了重任,因为n41频段和n79频段不管从芯片还是设备或是终端层面来讲,都不如n78成熟,这意味着中国移动需要花费很大的成本和精力去推动整个产业链条研发和应用的落地。同时,n41频段包括了目前4G在用的2.6GHz频段,5G要想在FR1使用到100Mbps的带宽,就必须将4G移到高频段以便腾出100M给5G用,相当于现在的2.6GHz 的D频设备需要报废更换。

 

而n78是全球主用频段,目前很多国家的5G试点均采用n78的3.5GHz频段,产业链条成熟,这意味着电信联通可以使用较低的成本部署5G网络。

 

这不仅让我想起了当年的TD-SCDMA,也许这就是为了促进三大运营商的“公平竞争”。

 

六、网络容量的决定因素和扩容方式

20世纪初,两位研究人员分别推导出了一个相对简单的公式,堪称通讯行业中的摩尔定律,即香农-哈特利定理。该定理给出了无线信道上能够传输的信息量上限,其中单个信道容量仅仅取决于两个参数:信道带宽(BW)和信噪比(SNR)。尽管容量与信道带宽成线性关系,但与信噪比之间仅是log2的比例关系:

 

根据香农-哈特利定理,增加网络容量有三种基本方法(图4):

 

1.增加信道带宽:4G中使用了载波聚合来增加可用的信号带宽,而5G FR2则使用毫米波频率来获得更大的容量。

 

2.增加信道数量:MIMO利用网络内部的多径发射,同时在多个信道上进行传输。与信道带宽类似,网络容量也与这一效应成线性关系,但上限却受限于网络内的多径相关性(或相似性)。5G FR1借助MIMO的优化提高数据速率。

 

3.增加网络输出功率:由于SNR中存在噪声、SNR的对数刻度接近、以及涉及高电磁能量的健康/安全问题,这种方式有其局限性。在覆盖率较低的区域使用家庭基站(Femtocell)是提升整个网络SNR较为安全的方式之一。但如果在同一区域中部署了过多全向天线家庭基站,则家庭基站间就会存在干扰,这无疑为网络容量增益带来了上限。然而,如果能够定向传输能量,就可以提高网络的能量效率,这种方式又称为“波束赋形”(5G FR1和FR2基站的一种关键技术)。

 

 

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