国内5G频谱指配分析及建议

2018年将成为5G实现大规模试商用的“元年”，2018年也是实现万物互联大发展的“元年”。作为移动通信与物联网发展最重要的基础资源——无线电频谱将迎来新的巨大挑战。中国将充分发挥其在全球无线宽带市场的引领作用，我国己经确定了5G中低端频谱配置，也规划了5G的毫米波频段，但仍面临着频谱资源科学高效利用、动态频率共享、频率评估、低端移动通信频谱“重耕”、频谱资源的市场化配置以及无线电环境保护新课题等一系列的严峻挑战。
——国家无线电频谱管理研究所何廷润
【摘 要】
分析WRC对5G新增频段的指配，给出国内5G分别在中低和高频段的状态。区分这两种频段的协同定位，给出不同频段间的兼容性研究内容，并详细地对5G频段的衰减特性进行了评估。在此基础上，结合目前国内三大运营商的频谱现状，考虑了5G的频谱重耕，并重点针对2.6 GHz频段，结合组网的差异化进行分析。所有结果均可给今后国内5G的试验推动提供一定的参考建议。
【关键词】5G；WRC；衰减；频谱重耕
Analysis and Advices on 5G Frequency Allocation in China
XIAO Qinghua
[Abstract] The allocation of newly added 5G frequency band by WRC is analyzed， and the domestic allocation status of low& medium band and high frequency band is presented. Based on the co-location of these two bands， the research contents of compatibility between different bands are presented. The attenuation characteristics at 5G bands are evaluated. Based on the results， we considered the 5G frequency re-farming according to the frequency allocation status of domestic network operators. Emphatically， 2.6 GHz frequency band combined with the differentiated networking is analyzed. All results can provide referential suggestion to the experimental promotion of domestic 5G in the future.
[Key words]5G； WRC； attenuation； frequency re-farming
1 引言
5G[1]是面向2020年以后移动通信的需求而发展的新一代移动通信系统，该系统将满足人们超高连接数密度、超高流量密度以及超高移动性的要求，能够为用户提供包括车联网、虚拟现实、云桌面、智能家居控制等极致的业务体验。可以预测，下一代的信息网络将无处不在，无时不在。为此，5G构建了eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强的移动宽带）、uRLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communication，高可靠和超低时延的通信）和mMTC（Massive Machine Type of Communication，大规模机器通信）等三大类应用场景[2]。为满足上述愿景，5G需要统筹考虑涵盖低、中、高频段在内的全频段。低、中频段一般指6 GHz以下的频段，以高低频互补的方式来解决网络连续覆盖的问题；而高频段则指6 GHz，甚至24 GHz以上的频段，因其覆盖能力有限，但具备大带宽，可满足热点区域极高的用戶速率和系统容量需求[3]。为此，本文结合目前国内外对5G频谱分配研究的现状，以及国内三大运营商现有的频谱使用情况，根据5G组网架构的需求，提出国内在5G频谱指配上的一些建议。
2 5G频段划分
作为ITU-R（International Telecommunication Union-Radio communication sector，国际电信联盟无线电通信组）的最高级别会议，世界无线电大会（WRC，World Radio-communication Conference）一般3～4年召开一次，主要研究确定多种无线电地面业务和空间业务的新频率划分和修订国际《无线电规则》的相关条款。而2015年的WRC15中产生的AI1.1议题为IMT新增了以下8个6 GHz以下的频段：470 MHz—698 MHz、1 427 MHz—1 452 MHz、1 452 MHz—1 492 MHz、1 492 MHz—1 518 MHz、3 300 MHz—3 400 MHz、3 400 MHz—3 600 MHz、3 600 MHz—3 700 MHz、4 800 MHz—4 990 MHz，并专门设立了WRC19的AI1.13议题，为未来IMT2020（即5G）寻求新的频谱资源[4-5]。针对此次新增的8个频段，国内外的应用情况分别如表1所示。
本文分析的目标是国内频段应用，工信部早在2016年8月发布的《国家无线电管理规划（2016～2020）》中就明确指出2020年前为5G储备不低于500 MHz的频谱，并对6 GHz以下的3 300 MHz—3 400 MHz、3 400 MHz—3 600 MHz、4 400 MHz—4 500 MHz以及4 800 MHz—4 990 MHz等频段进行统筹考虑。最终在2017年11月发文，明确了使用3 300 MHz—3 400 MHz和4 800 MHz—4 990 MHz作为5G中低频段的频谱，而对于4 400 MHz—4 500 MHz则只是于2017年9月在《中华人民共和国无线电频率划分规定（修订征求意见稿）》中公布了其用于5G建设的意见。国内5G中低频段的情况如表2所示：
而在6 GHz以上的高频段，WRC15为24.25 GHz—86 GHz研究了11个频段对象，包括以移动业务为主的24.25 GHz—27.5 GHz、37 GHz—40.5 GHz、42.5 GHz—43.5 GHz、45.5 GHz—47 GHz、47.2 GHz—50.2 GHz、50.4 GHz—52.6 GHz、66 GHz—76 GHz、81 GHz—86 GHz的8个频段，以及不以移动业务为主的3个频段：31.8 GHz—33.4 GHz、40.5 GHz—42.5 GHz、47 GHz—47.2 GHz。由于欧盟、南非等国对FSS（Fixed Satellite Service，固定卫星业务）的频段保护，导致最终只有24.25 GHz—27.5 GHz被列入可研究频段。鉴于高频段的衰减特性，除考虑24.25 GHz—27.5 GHz频段外，运营商们还对31.8 GHz—33.4 GHz比较感兴趣，而美国和韩国则在WRC15上力推27.5 GHz—29.5 GHz，这也有可能是今后的一个5G频段。在国内，2017年6月工信部结合国内频谱使用现状，对24.75 GHz—27.5 GHz和37 GHz—42.5 GHz作为5G高频频率（>24 GHz）公开征求意见，一直至今。国内5G高频段的情况如表3所示：
3 5G频段划分要考虑的问题
由于5G频谱横跨高中低频段，结合国内eMBB、mMTC和uRLLC三大应用场景，需要着重考虑三个问题：高中低频率协同定位、系统兼容性研究以及衰减特性综合评估。
3.1 协同定位
鉴于我国5G试验网的现状，采取中低频首发5G几乎已成定局，即面向eMBB、mMTC和uRLLC分别构建相应的基础移动通信网络。而高频则主要面向容量增强，面向eMBB实现热点的极速客户体验。高中低频的协同定位情况如表4所示。
3.2 兼容性研究
主要分析已经明确的中低频段（不包括4 400 MHz—4 500 MHz），5G频谱兼容性研究如表5所示。
3.3 衰减特性评估
5G组网需要考虑高中低频段的差异化使用，以及5G与4G的混合组网方案。这其中，甚至要考虑1.8 GHz等频段的频谱重耕（见下文分析）。因此，对5G不同频段的衰减特性进行评估分析就显得很重要。
如上文分析，针对已经明确的3.5 GHz和5 GHz频段，以及超过24 GHz的毫米波，限于篇幅，以室外市区为例，可适用的传播模型分别如下。
（1）3.5 GHz室外模型已经超出Cost231的适用范围，可以采取SUI模型[6]：
LOS=41+23.3lg（d） （1）
NLOS=12.7+37.9lg（d） （2）
其中，d為终端离天线的距离。
（2）5 GHz室外模型为[7]：
LOS=53.6+20.4lg（d） （3）
NLOS=30.9+32.7lg（d） （4）
据此，得到5G中低频段（<6 GHz）的衰减特性如图1所示。
从不同频段的衰减来看，高频段损耗明显增加，稍有遮挡即可能形成筛形覆盖，且NLOS比LOS损耗增加更多。
（3）对于超过6 GHz的高频段，可参考孙健等人的研究成果，即利用无线电波在自由空间的衰落综合得出[8]：
PL=20×lg（4π/λ）+10×PLE×lg（d） （5）
其中，PL为路径损耗，为波长，PLE为距离因子，在不同的频段与LOS及NLOS相关，可参考作者之前的研究[9]。
需要注意的是，随着高频通信越来越被关注，目前国内外已经有很多研究机构对PLE进行信道测量，并且已经有了一些公开的结果。
在这些数据的基础上，核算得到高频段的衰减特性如图2所示：
类似地，在高频段中，频段越高，衰减越厉害，NLOS与LOS相比中低频段差异更大。这也印证了上文分析的在高频段为什么国外运营商倾向于24.25 GHz—27.5 GHz和31.8 GHz—33.4 GHz的原因。
4 频谱重耕及2.6 GHz的划分
频谱重耕是指将现有某种或某些通信网络占用的频谱迁移出来，让其他制式来使用，从而获取更高的网络价值。之前根据现有三大运营商的频谱详细分析了基于4G的重耕[10]，但对于5G，则完全不同。
（1）不同于LTE，5G依据其频谱差异化的衰减特性，将2 GHz以下频谱（例如700 MHz）视为覆盖层，将2 GHz—6 GHz频段视为覆盖与容量层，它能够在网络容量和覆盖范围之间取得最佳平衡；将24 GHz以上频谱视为超大容量层，用于满足大容量、高速率的业务需求。
（2）虽然目前三大运营商都在筹建试验网，但只有300 MHz的3.5 GHz频段相对成熟，而5 GHz频段并不成熟，运营商之间如何分配这些频段还存在争议。目前，鉴于中国移动雄厚的资金储备，以及已经积累了一定的技术和测试经验，舆论均倾向于让中国移动主推国内5G的发展，那么频谱重耕自然会向其倾斜。
（3）5G发展的前期势必要与4G混合组网。两者之间无论是无线网还是核心网均存在独立与依赖，升级与新建问题，在频谱重耕的时候也务必要考虑周全。
为此，以中国移动为样本，简要分析5G频谱如何重耕。正如之前的分析[10]，数字红利频段700 MHz仍然是兵家必争之地，其覆盖能力无与伦比，而国内也规划了3年内释放的目标。
中国移动目前承载的系统包括GSM/DCS、TD-LTE/LTE FDD，以及少量的TD-SCDMA。对于900 MHz的GSM承载频谱，如同700 MHz一样，可以作为uRLLC和mMTC的重耕。DCS所占用的1.8 GHz可以重耕至LTE FDD，考虑到中国移动LTE FDD用户并不多，如果有富余的频段，可以重耕至5G，进行上下行信道的解耦。而大量的TD-LTE可仍然使用F+A频段。
而中国电信和中国联通也比较类似，2G频段重耕至5G，2.1 GHz重耕至LTE FDD。对于三大运营商而言，还有一个共同的频段需要重点考虑，即2.6 GHz。
完整的2.6 GHz，包括A（2 500 MHz—2 555 MHz）、B（2 555 MHz—2 575 MHz）、C（2 575 MHz—2 635 MHz）、D（2 635 MHz—2 655 MHz）和E（2 655 MHz—2 690 MHz）等五个连续频段共计190 MHz。目前，B、C、D已经分别分配给中国联通、中国移动和中国电信，只剩下A的55 MHz和E的35 MHz未实施分配。因此，对于2.6 GHz的频谱重耕，需要考虑两个问题：
（1）运营商的选择
如果三家运营商在5G发展的前期都实施重耕，中国电信和中国联通只有20 MHz，那么2.6 GHz的黄金频段重耕则显得僧多粥少，因此，作者也认同之前分析的让中国移动担当推动5G发展的大任。
（2）2.6 GHz重耕频段的组网
2.6 GHz重耕后既可作为5G的优质覆盖层，但顾及到4G仍然处于容量驱动期，考虑到性价比，需要选择在该频段上对5G和4G进行组网的抉择：用于4G容量提升，预留给5G，还是支持混合组网。由于4G/5G混合组网需要考虑锚点以及产业链条的成熟度，其复杂度比3G/4G更大，需要慎重考虑。
5 结束语
5G将充分实现人类信息沟通的桥梁，频谱分配是目前5G发展的一个关键举措。5G特有的eMBB、uRLLC和mMTC切片，以及横跨高中低频段的特性，将对其频谱分配带来严峻的考验和挑战。与现网的协同，利用不同频段覆盖的差异化，以及业务需求的特征，甚至对现有频率进行重耕，都是今后5G频谱分配中需要考虑的问题。此外，动态频率共享、频率评估以及频率市场化也有可能在以后的工作中开展。
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