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[分享] 『这个知识不太冷』带宽的重要意义:5G频谱

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发表于 2023-10-18 14:39:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
有没有试过,曾经感受不深的课文诗句,某一天和你的现实际遇重叠?有没有试过,工作中的棘手难题,被一闪而过的小抄知识解答了疑惑?其实,那些背过的课文和知识并没有忘却,只是藏在脑海中等待重新被发现的那一天……

『这个知识不太冷』系列,旨在帮助小伙伴们唤醒知识的记忆,将挑选一部分Qorvo划重点的知识点,结合产业现状解读,以此温故知新、查漏补缺。第一期我们先聊一聊5G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。
本文将介绍5G通信使用的第3代合作伙伴计划组织(3GPP)全球频谱。

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。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20MHz带宽的频率载波合并,提供最高140MHz的可用频谱。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140MHz的聚合带宽。5G更进一步,允许进一步加大分量载波带宽。在7GHz以下的FR1频段,能够实现100MHz带宽;对于FR2频段毫米波,则可实现400MHz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:

7GHz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7GHz以下频谱。

图片1.png

图3-1:全球5G 7GHz以下频带使用情况,蓝色为特许频谱,灰色为非特许/共享频谱

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

图3-2所示为全球现有毫米波频带的可用情况。虽然6GHz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。

图片2.png

图3-2:全球5G毫米波频带使用情况,蓝色为特许频谱

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)。
015G频带

5G频带分为三个明确类别:

低频:410MHz至1GHz。   
• 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200Mbps。

中频:1GHz至7GHz。   
• 适合城镇部署,增加容量。
  • 峰值数据率最高约为2Gbps。

高频:24GHz至100GHz(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10Gbps。

随着运营商和原始设备制造商不断完善毫米波技术,7GHz以下频率技术将在不久的将来成为首选5G网络技术。7GHz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。

图片3.png

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。

2GHz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械类通信 (mMTC)。低频频谱也很适合室内穿透。
02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5GHz非特许频带的LAA和Wi-Fi就是其中一个例子。
03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。

下一期“这个知识不太冷”
5G NR及其射频前端核心技术有哪些要点?

本文转载自Qorvo半导体微信公众号
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