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全球5G頻譜發展趨勢分析

日期: 2017-09-05
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全球信息通信產業日益呈現移動化、寬帶化、融合化的發展趨勢,作為新一代移動通信技術發展的重點方向,5G將提升移動互聯網用戶體驗,滿足萬物互聯的應用需求。目前,3GPP正加速推進5G標準化進程,國際電信聯盟(ITU)將于2020年批準5G空口標準。頻率是移動通信技術的基礎,頻率規劃對于5G系統的設計和應用部署發揮著重要導向性作用。2019年世界無線電通信大會(WRC-19)1.13議題研究在24~86GHz頻率范圍為5G系統規劃新的工作頻段,美國已提出相關頻率規劃,歐盟、日本、韓國等也基本明確5G系統的頻譜策略。

5G三大場景對高低頻頻譜需求均較大

根據ITU在2015年6月發布的5G愿景建議書,5G系統主要面向三大場景,具有八項關鍵性能指標。三大場景包括增強移動寬帶、大規模機器通信和超高可靠低時延通信。八項關鍵性能指標包括:峰值速率10~20Gbit/s,用戶體驗速率100M~1Gbit/s,連接數密度100萬個/km2,用戶面空口傳輸時延1~4ms,頻譜效率較4G提升3~5倍,能量效率較4G提升100倍,對移動速度的支持至500km/h,流量密度數十Tbit/s/km2。總體上,5G系統將不僅包含傳統移動互聯的升級,還將解決物聯網多種場景下的應用需求,如圖1所示。

全球5G頻譜發展趨勢分析

圖 1 ITU關于5G核心能力的要求

?為滿足5G系統在覆蓋、容量、連接數密度等關鍵性能指標要求,5G系統需要不同頻段的工作頻率,大體分為6GHz以下與6GHz以上兩個部分。其中,6GHz以下頻段主要用于實現5G系統連續廣域覆蓋、高移動性場景下的用戶體驗和海量設備連接;6GHz以上頻段主要用于滿足城市熱點、郊區熱點與室內場景極高的用戶體驗速率和峰值容量需求。低時延高可靠應用可能將主要依賴于6GHz以下的頻率。

2017年初,我國向ITU提交了關于5G系統頻譜需求結果并被采納。根據分析,我國5G系統在6GHz以下的頻譜需求為808~1078MHz,考慮到不同運營商在通頻帶部署的兼容性問題,需要設置一定保護帶,實際結果還會略高。而在6GHz以上的頻譜需求則高達14.8~19.7GHz,其中,在24.25~43.5GHz頻段的需求總量達到5.8~7.7GHz。

表1 頻譜需求估算結果

全球5G頻譜發展趨勢分析

各國均加大5G戰略投資?以期預定時間商用部署

目前,美國、日本、韓國、歐盟等電信發達國家和地區均積極加大在5G領域的戰略投資,并在頻譜規劃、專項資金扶持等方面實施重要舉措,以推進5G產業加快發展和成熟,以期按目標時間實現5G商用部署。

美國搶跑5G高頻段部署,助力其保持互聯網創新發展的主導地位。Verizon率先發布5G高頻無線標準,初期用于固定接入,計劃2017年啟動商用部署;Sprint宣布將在2019年商用2.6GHz的5G網絡;美國管理機構FCC在2016年7月,劃出了大約11GHz的帶寬用于無線通信,包括3.85GHz的license(授權)頻段(27.5~28.35GHz、37~38.6GHz、38.6~40GHz),以及7GHz的unlicensed(非授權)頻段(64~71GHz)

日本維持4G時代優勢,并助力其在機器人/AR/VR等領域的產業優勢。日本計劃在2020年東京奧運會前部署4.4~4.9GHz 5G商用系統,提供熱點覆蓋,支持東京奧運會;NTT DoCoMo正組織十多家主流企業開展5G試驗。

韓國通過5G升級網絡基礎設施,助力其“創新經濟”。韓國將于2018年初在28GHz開展5G預商用試驗,支持平昌冬奧會;KT宣布將在2019年提供全球首個商用5G移動網絡,比原計劃2020年提前1年;韓國計劃在2018年分配3.4~3.7GHz的頻率并用于5G商用部署。

歐盟力圖重新建立通信行業領先地位,助力“數字經濟”明確700MHz/3.4~3.8GHz為5G先發頻率;依托5GPPP項目,2017年開始樣機試驗,2018年啟動5G預商用試驗,2020年左右實現商業部署。

綜合考慮國際競爭、我國5G引領的目標、業務容量壓力以及5G標準化和產業成熟度,我國宣布2020年實現5G網絡規模商用。

5G大帶寬頻率規劃TDD是大勢所趨

在4G時代,TD-LTE的發展證明了TDD所獨有的技術優勢,同時對連續大帶寬頻率資源的需求,也使得TDD成為5G時代2GHz以上新頻率的優選劃分方式。TDD的主要技術優勢如下。

一是下行鏈路/上行鏈路(DL/UL)靈活時隙配比,有效滿足上行業務日益增長的需求。隨著智能手機的飛速發展及其日益增長的應用,移動應用越來越以下載為中心。視頻下載已經占整個網絡的整體數據傳輸的很大一部分,導致4:1,6:1或甚至更高的下行鏈路到上行鏈路不對稱。事實上,一些運營商正面臨大約10:1的DL/UL比率。TDD靈活可配置的上下行時隙比例使得其能夠滿足上行鏈路/下行鏈路業務傳輸的不對稱性。

二是TDD具有信道互易性,更有利于部署Massive MIMO。依賴于TDD的上下行鏈路的信道互易性,基站可以快速而準確地獲得下行鏈路信道狀態信息(CSI)基于上行鏈路信道估計。大規模天線Massive MIMO正是利用這一點增強了下行鏈路傳輸容量,同時最小化干擾,從而可以帶來數倍的傳輸效率的提升。

三是TDD模式有利于和現有業務共存。TDD技術使得3.5GHz頻段的移動通信業務,可以更好的與該頻段原有的業務共存,例如,FWA(固定無線接入系統),FS(固定業務),FSS(固定衛星業務)和雷達等業務。

?5G初期部署的先鋒頻率

隨著標準化和產業化的快速推進,全球各國和各運營商的5G商用計劃日漸清晰。5G初期商用頻率的選擇日漸清晰。對于5G應用的三大場景,目前運營商最明確需求的是增強移動寬帶場景,考慮到5G的增強移動寬帶業務需要連續的大帶寬的頻率部署,才能支持相對于4G網絡來說更有競爭力的速率,所以5G初期部署的主要頻段將集中在2GHz以上的連續大帶寬頻率。

3.5GHz頻段成為全球主流的選擇經過WRC-07和WRC-15兩次會議的努力,3.5GHz頻段幾乎成為全球可用的IMT頻譜,其中1區和2區均可用于IMT,3區部分國家可用于IMT。隨著3.5GHz頻段關注度的提升,基于該頻段的TD-LTE產業化也日益成熟,可有效支撐運營商的商用網絡部署,已經有包括日本、印度、美國和沙特等國家部署了95張TD-LTE商用網絡。據GSA統計,截至2017年上半年,已有211款TD-LTE終端支持3.5GHz頻段,終端類型涵蓋智能手機、CPE、MiFi和數據卡等。

雖然在TD-LTE階段,全球產業在3.5GHz頻段的產業化有一定的積累,但是考慮到5G商用的新需求和新變化,如大規模天線、更大的帶寬、更大的發射功率等,距離3.5GHz 5G產業的成熟還有相當長的距離,需要產業鏈上下游一道,以商用目標為牽引,協作推進,才有可能實現2020年5G在該頻段的商用。目前華為、中興、大唐、愛立信、Nokia、Intel、高通、MTK等已經開始了在3.5GHz的5G試驗。

基于全球頻譜可用情況以及產業成熟的基礎,3.5GHz在3GPP的5G頻譜標準化討論伊始就得到了業界的高度關注。經過討論,在充分考慮和滿足全球3區對于3.5GHz頻段的部署需求的基礎上,最終3GPP在今年6月底的RAN4 AH#2會議上將3.5GHz頻段定義如下,BandX為3.3~3.8GHz頻段;BandZ為3.3~4.2GHz頻段,如圖2所示。

全球5G頻譜發展趨勢分析

圖2 3.5GHz頻段定義

4.5GHz首先從亞洲開始突破目前,日本為5G的部署規劃了4.4~4.9GHz的500MHz的頻率,NTT DoCoMo聯合其主要的設備商開展了相關的5G試驗,包括愛立信、Nokia、華為、高通、Intel、MTK、松下、三菱、富士通等,全力推進日本在2020年商用該頻段的目標。中國為5G的部署規劃了4.8~5.0GHz的200MHz頻率,中國IMT-2020推進組已經把該頻率規劃為5G試驗頻率,目前大唐移動已經完成了該頻段的小站外場試驗。目前3GPP已經將4.4~5GHz定義為5G的一個頻段。

日本和中國在該頻段的5G應用將起到很好的示范效應,帶動東南亞、非洲等區域在該頻段的應用,引導全球為移動通信業務釋放出更多的C波段頻率。

2.6GHz頻率重耕用于早期的5G部署Sprint已經宣布將基于其已有的2.6GHz頻率開展5G的早期部署。Sprint在美國擁有2.6GHz的絕大部分頻譜,所以可以基于其頻率資源,規劃出連續的近100MHz的頻率資源用于5G的部署,相對于其他更高的頻率,可以提供更好的網絡覆蓋。2.6GHz頻率是4G TD-LTE發展的重要的全球性頻率,在美國、日本、中國、印度等都是全TDD劃分,可以提供連續的大帶寬頻率資源,也是未來4G頻率重耕和5G部署的重要頻段。

28GHz首先從美國、日韓開始應用從全球5G商用計劃來看,目前美國運營商在28GHz等毫米波頻段的部署時間最激進,日、韓也在28GHz上有較高的優先級,希望能在2018年的冬奧會和2020年的夏季奧運會上有所應用。目前Verizon、KT等和三星、高通、愛立信、Nokia、Intel等正在全力推進28GHz產業的成熟,預計在2019年將有商用的產品推出。而歐洲、中國等則將6GHz以上頻率的商用規劃在了5G商用的第二階段,為室內和熱點等環境下的容量擴展服務或者提供超高速率的業務體驗。

頻譜是無線通信最重要的資源,頻譜的規劃對于5G產品研發及測試、組網部署乃至提升產業信心有非常重要的意義。未來5G頻譜需高、中、低結合,以滿足5G不同應用場景的差異化需求;未來5G新頻譜,尤其是2.6GHz以上的頻譜,均為TDD頻譜,以充分發揮大規模天線的技術優勢,充分挖掘頻率的使用效率;現有2G/3G/4G頻譜均可重耕用于5G。

作者:中國移動通信研究院 ?劉光毅 劉婧迪

來源:通信世界網

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