認識一下5G 3GPP全球頻譜

今天，我們將帶大家認識一下 5G 3GPP 全球頻譜。所謂“頻譜”，是指特定類型的無線通信所在的射頻范圍。不同的無線技術(shù)使用不同的頻譜，因此互不干擾。由于一項技術(shù)的頻譜是有限的，因此頻譜空間存在大量競爭，并且人們也在不斷開發(fā)和增強全新的、高效率的頻譜使用方式。本章將介紹 5G 通信使用的第 3 代合作伙伴計劃組織（3GPP）全球頻譜。

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介紹 5G 3GPP 全球頻譜

頻帶的帶寬越多，接收數(shù)據(jù)的量越大、速度越快。帶寬越多，下載大文件的用時越少。因此，移動網(wǎng)絡運營商和監(jiān)管機構(gòu)正在盡一切可能，重構(gòu)、獲取或共享頻譜資源。

所謂“頻譜重構(gòu)”，是一種將一個現(xiàn)有應用所使用的頻譜轉(zhuǎn)移到新應用的方法（例如：2010 年，移動網(wǎng)絡運營商將 2G 應用使用的頻譜直接轉(zhuǎn)移到 4G LTE 應用）。

在釋放頻譜資源上，盡管監(jiān)管機構(gòu)已有長足進步，但仍需采取其他措施。為適應 5G 通信的眾多用例和性能需求，必須在所有頻率范圍都提供頻譜資源。另外，承運商為支持 5G 需要增加容量，由于帶寬是提高數(shù)據(jù)率的關(guān)鍵，因此運營商必須取得更多寬帶。

3GPP 為全球各個地區(qū)分配國際移動電信（IMT）頻帶。在第 1 章已經(jīng)說明，3GPP 是一個由移動系統(tǒng)制造商組成的集體性項目合作伙伴組織。過去幾年，3GPP 通過重構(gòu)和清理數(shù)字電視等現(xiàn)有服務，穩(wěn)步增加新的時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）3G 和 4G 頻帶。

甚至在 5G 到來之前，4G LTE 就已在許多方面完善了頻譜效率。隨著高位調(diào)制技術(shù)的進步，例如：64 和 256 正交波幅調(diào)制技術(shù)（QAM），以及多入多出（MIMO）和波束賦形技術(shù)的推出，每秒峰值數(shù)據(jù)率被推升至 2 吉比特。另外，LTE 載波聚合技術(shù)也為移動網(wǎng)絡運營商新增一個提高帶寬的選項，即：將多個 20 MHz 帶寬的頻率載波合并，提供最高 140 MHz 可用頻譜。在美國，當非特許 LAA 和 CBRS 頻譜與 7 分量載波 CC）聚合時，可實現(xiàn) 140 MHz 的聚合帶寬。5G 更進一步，允許進一步加大分量載波帶寬。在 7 GHz 以下的FR1頻段，能夠?qū)崿F(xiàn) 100 MHz 帶寬；對于 FR2 頻段毫米波，則可實現(xiàn) 400 MHz 的帶寬。如果個體移動網(wǎng)絡運營商擁有足夠的頻譜許可證，5G 在 FR2 頻段能夠聚合達到 800MHz 的帶寬。

5G 頻譜目前劃分為兩個頻段：

7 GHz以下頻段（FR1）

毫米波頻段（FR2）

圖 3-1所示為世界各國被分配的7 GHz以下頻譜。

圖 3-1：全球 5G 7 GHz 以下頻帶使用情況。

在 6 GHz 以上，更容易在毫米波頻帶找到 100 MHz 或以上的連續(xù)帶寬。這種帶寬通常集中在 24 GHz、28 GHz、39 GHz 直至 80 GHz，5G 允許的 FR2 信道帶寬最高可達 400 MHz。

圖 3-2所示為全球現(xiàn)有毫米波頻帶的可用情況。雖然 6 GHz 以上的頻譜資源更多，但這些頻率的傳播條件更為復雜，往往需要基站與設備之間滿足視距條件。另外，毫米波還需要高度方向性波束賦形和大規(guī)模 MIMO 天線，以便實時跟蹤用戶。

圖 3-2：全球 5G 毫米波頻帶使用情況。

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認識頻譜

5G 的部署將是在當前頻譜資產(chǎn)基礎上的演進。根據(jù)頻帶的不同，技術(shù)性能也不同。對某些用例而言，有些頻帶會比其他頻帶更適合。您可以主要通過兩種方式來考慮 5G：頻帶的分配和頻帶的特許（無論是非特許頻帶、特許頻帶，還是共享頻帶）。

（一）5G 頻帶

5G 頻帶分為三個明確類別：

低頻：410 MHz 至1 GHz。

? 容量有限，但覆蓋面積大，室內(nèi)穿透率強。

? 峰值數(shù)據(jù)率最高約為 200 Mbps。

中頻：1 GHz 至 7 GHz。

? 適合城鎮(zhèn)部署，增加容量。

? 峰值數(shù)據(jù)率最高約為 2 Gbps。

高頻：24 GHz 至100 GHz（毫米波）。

? 覆蓋面積有限，但可能達到極高容量。

? 峰值數(shù)據(jù)率最高約為 10 Gbps。

隨著運營商和原始設備制造商不斷完善毫米波技術(shù)，7 GHz 以下頻率技術(shù)將在不久的將來成為首選 5G 網(wǎng)絡技術(shù)。7 GHz 以下頻率技術(shù)能夠長距離遞送高數(shù)據(jù)率，因此不僅適合農(nóng)村地區(qū)，也適合城鎮(zhèn)地區(qū)（圖 3-3）。

圖 3-3：LTE-Advanced Pro 與 5G NR 生態(tài)系統(tǒng)。

毫米波等高頻率頻帶最適合增強型移動寬帶（eMBB）所需的短距離、低延時、超高容量傳輸。不過，我們在上文提到，這些高頻率頻帶傳輸距離短，更容易因為天氣或物體原因而產(chǎn)生信號損耗，并且室內(nèi)穿透率有限。這種毫米波蜂窩站網(wǎng)絡設計就像 4G 的小型蜂窩，因為二者擁有相似的頻率范圍和覆蓋率。

中頻頻譜平衡了多項能力，在城鎮(zhèn)和郊區(qū)環(huán)境下能夠補充毫米波。中頻頻譜的傳輸距離更遠、傳播特性更好，因此除了人口稠密地區(qū)，中頻頻譜還能在其他地區(qū)提供 5G。另外，中頻部署還有一個優(yōu)勢：運營商能夠?qū)⒅蓄l能力添加到現(xiàn)有的 4G 蜂窩站區(qū)域，從而減少了在建筑物頂部或周邊購買或租用空間產(chǎn)生的額外支出。

2 GHz 以下的低頻提供優(yōu)秀的覆蓋率和移動性。對于低頻用戶，可以使用載波聚合技術(shù)擴大帶寬。低頻非常適合互動通信和大規(guī)模機器類通信（mMTC）。低頻頻譜也很適合室內(nèi)穿透。

（二）頻譜特許

下面，我們來看以下三種頻譜分配方法：

非特許頻譜：LTE-U、LAA、eLAA、Wi-Fi、藍牙、C-V2X、DSRC、CBRS

特許頻譜：拍賣的已清理頻譜

共享頻譜：需要授權(quán)才能共享接入的頻譜

可用的非特許頻譜數(shù)量很大，遠超特許頻譜。目前，非特許頻譜主要被用于 Wi-Fi、點對點通信、傳送或回傳、讀表及自動化。另外，國際上的非特許頻譜還被預留給工業(yè)、科學和醫(yī)療應用。全世界的特許頻譜都由原產(chǎn)國進行管理和管制；例如，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）管理著美國的頻譜。

非特許頻譜的頻帶通常是共享頻帶。但是，為確保共享秩序，非特許頻譜的使用存在一定限制。所有非特許頻譜的用戶都必須遵守相關(guān)規(guī)范，這些規(guī)范限制了允許的傳輸功率、輻射方向圖、工作周期及接入程序，并確保在服務全體用戶的同時減少干擾。共享 5 GHz 非特許頻帶的 LAA 和 Wi-Fi 就是其中一個例子。

（三）動態(tài)頻譜共享

頻譜共享是向 5G SA 遷移過程中的一個重要組成部分。動態(tài)頻譜共享技術(shù)是促使移動網(wǎng)絡運營商快速啟用 5G 的“催化劑”。有了動態(tài)頻譜共享技術(shù)，承運商能夠在當前 4G LTE 使用的頻帶內(nèi)啟用 5G。動態(tài)頻譜技術(shù)讓現(xiàn)有的 LTE 運營商能夠同時運營 5G NR 和 LTE。有了動態(tài)頻譜共享技術(shù)，運營商不必為 4G LTE 或 5G 分割頻譜，而是可以在這兩種技術(shù)之間共享頻譜。這讓運營商能夠智能化地、靈活地、快速地在現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡范圍內(nèi)推出和增加 5G。動態(tài)頻譜共享技術(shù)讓 5G 和 4G LTE 能夠同時在同一頻帶運行，它是一項改變游戲規(guī)則的技術(shù)。