带宽的重要意义：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）。

01 5G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。