《5G NR物理层技术详解：原理、模型和组件 》 —1.3.2　5G频谱

1.3.2　5G频谱

从前几代移动通信进入到5G的一个主要变化就是将使用很高频率的频谱—毫米波范围频谱。3GPP已经决定从第一个NR版本开始就支持从低于1 GHz到高达52.6 GHz范围的频谱[12]。这个变化最主要的原因是能得到大量的有几个GHz的超宽带频谱。虽然毫米波频谱看起来非常诱人，但是也面临众多挑战:

如果不使用多天线和波束赋形技术，传输损耗将大幅增加。

射频硬件性能下降，如相位噪声和输出功率。

没有未使用的频谱，意味着必须和其他系统（比如卫星系统）共存，必须确保将干扰水平控制在可接受的范围之内。

因此，5G NR在3GPP中被设计为可在全频带内灵活使用。低频段和高频段使用相结合来提供可靠的覆盖（利用比如低于6 GHz的频率），并且可以提供非常高的容量和比特率（当存在毫米波覆盖时）。

图1-5给出了5G的频谱概况。3 300～3 600 MHz频段是由ITU-R在世界无线电通信大会（World Radiocommunication Conference，WRC）-15指定的全球IMT频段。在WRC-19会议上通过了6 GHz以上频谱的全球规划。6 GHz以下有大量额外的地区性频谱。除了28 GHz和65 GHz之外，高于6 GHz的地区性频谱大部分和全球5G频段重合。很明显6 GHz以下的频谱比较紧缺，因此需要6 GHz以上的频谱资源来满足5G的需求。在5G的早期部署中，低于6 GHz的频段如600～700 MHz、3 300～4 200 MHz以及4 400～5 000 MHz都在考虑之列[11]。除了3 300～3 600 MHz频段已经被WRC-15指定为全球IMT频段之外，其他频段将纳入地区性法规。

图1-5　5G的全球（ITU）和地区性频谱规划

在欧洲，早期部署集中在3 600～3 800 MHz频段[3]。美国、日本、韩国和中国都在3 300～4 200 MHz上选择了不同的频段来进行早期5G部署，3GPP也为这段频段开发了相应的规范。

目前主要由中国和日本提倡使用4 400～5 000 MHz这段频谱，这段频谱有潜在的可能会被亚太地区的其他国家使用。

尽管600～700 MHz频段带宽有限，但是因为传输损耗很低，不需要先进的多天线技术也可以提供很好的网络覆盖。在700 MHz频段已经有LTE的频谱规划，这些频段到2020年或之后可以迁移到5G。而且，美国已确定将614～698 MHz用于移动通信。

在IMT分配6 GHz以上频谱进程中，WRC-15会议决定对处于24.5～86 GHz范围内的11个频段进行研究，并且将在WRC-19会议上做出决定。ITU-R估计5G的频谱需求将达到20 GHz[8]。目前的状况是大部分频谱已经被分配，这些频谱资源很难只供IMT使用，所以必须考虑共存。出于这个原因，在WRC-19会议之前关于频谱研究的很重要的一个方面就是评估哪些频段适合与现有系统共存，比如与卫星系统共存。

IMT和地球上其他系统间的干扰，在空中或者空间里，主要是远距离的。因此，研究主要是针对多个IMT发射机聚合的情况。在此种情况下，对天线在特定方向的指向性和增益进行平均化处理，等效为有效全向辐射。对于基站来说，辐射角度集中在下倾角方向。

为了更准确地确定IMT系统和其他系统之间的信号干扰，就需要合适的传播模型。ITU-R第三研究组提供了推荐模型。早期推荐的模型（详见P.619、P.2041、P.1409、P.452、P.2001 等）考虑了大气传播路径、地球传播路径和WRC-19考虑的全频段。但是在建模中缺失了两个重要的情况，没有考虑以下情况带来的额外的损耗：地物损耗（clutter loss）（植被和人造结构，比如建筑物）以及建筑物穿透损耗。2017年3月，ITU-R第三研究组引入了对额外损耗的考虑并且修正了模型[9-10]。城市地物损耗在低仰角时高达50 dB（中值）。高仰角的地物损耗很低，甚至低到0 dB，因为在空中没有建筑物阻挡信号。然而，在30 GHz频段，穿透到建筑物室内的损耗在40～60 dB（中值）之间。因为5G预计会在城市环境大规模集中部署，尤其是屋顶下以及室内，城市的地物损耗和建筑物穿透损耗极大地改善了IMT系统与现有系统共存的前景。

除了ITU进行的研究外，各个地区也在寻找更适合5G的频谱资源。美国、韩国、加拿大、日本、新加坡以及瑞典都在关注26.5～29.5 GHz频段。美国也在寻找37～40 GHz范围内可能的频谱资源，而加拿大在考虑更高频段，如64～71 GHz频段。欧洲和中国都指定了24.25～27.5 GHz内的频段。而且中国还在寻找37～42.5 GHz内的可用频谱，欧洲正在考虑31.8～33.4 GHz和40.5～43.5 GHz。图1-6总结了目前全球可用的5G频谱。

图1-6　全球可用的5G频谱

5G频谱分配除了考虑到大带宽的连续频段需求，关键还取决于射频硬件性能的频率依赖性、传播信道和多天线技术。我们将在第3章、第4章和第7章中对这些方面进行深入探讨。