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带你读《5G NR标准:下一代无线通信技术》之三:5G频谱

简介: 本书对NR标准进行了描述。NR标准是在2018年春末由3GPP制定的新一代无线接入技术标准。本书内容比较偏底层,阅读时结合协议去读会有更大的收获,而且全书深入浅出的风格非常好,可以使读者读后知其然又知其所以然!

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第3章

5G频谱

3.1 移动系统的频谱

第一代和第二代移动业务的频段分配在800~900MHz,但也有少数在更低或更高频率的频段。当3G(IMT-2000)开始部署时,主要使用2GHz频段,随着3G和4G的IMT业务不断发展,新的更低和更高频段也被采用,目前已横跨450MHz~6GHz的范围。虽然对每一代新的移动通信都会定义新的、以前未采用的频段,但用于前几代移动通信的旧的频段也会被用于新的一代。3G和4G引入时是如此,5G也是如此。
不同频率的频段特点不同。较低频率的频段,其传播特性适合城市、郊区和乡村环境的广域覆盖部署场景。高频的传播特性使它较难用于广域覆盖,并且正是出于这个原因,高频频带更多是用于在密集部署场景中增加容量。
随着5G的引入,更具挑战的eMBB使用场景和相关的新业务在密集部署场景中需要更高的数据速率和更大的容量。许多早期的5G部署将会使用前几代移动通信的频段,而24GHz以上的频段被视为对6GHz以下频段的补充。出于5G对极高数据速率和局部地区超高流量的要求,更高频段甚至高于60GHz的频段在部署时也会考虑。鉴于它们的波长,这些频段通常称为毫米波频段。
3GPP一直在定义新的频段,主要是为LTE规范服务,但现在也要为新的NR标准做定义。许多新频段是专为NR定义的。NR标准对于上下行链路隔离的对称频段,以及上下行链路共享单个频段的非对称频段都有定义。对称频段用于频分双工(Frequency Division Duplex,FDD),而非对称频段用于时分双工(Time Division Duplex,TDD)。NR的双工方式在第7章中有进一步描述。请注意,一些非对称频段被定义为补充下行链路(Supplementary Downlink,SDL)频段或补充上行链路(Supplementary Uplink,SUL)频段。这些频段通过载波聚合与其他频段的上下行链路配对,如7.6节所述。

3.1.1 ITU-R为IMT系统定义的频谱

ITU-R规定供移动业务使用的频段,特别是用于IMT的频段。其中许多频段最初是分配给IMT-2000(3G)的,新的频段则是随着IMT-Advanced(4G)引入随后增加的。事实上,这些规定对于具体技术和哪一代而言是“中性”的,因为所做的规定都是针对IMT总体,无关哪一代或者哪种无线接口技术。ITU-R针对不同业务和应用进行全球频谱指派的工作,结果体现在国际电联无线电监管[48]中。全球IMT频段的使用在ITU-R M.1036建议书[46]中描述。
国际电联无线电监管[48]的频率列表中没有直接列出IMT使用的频段,而是列出为移动业务分配的频段,然后在脚注里说明该频段可供希望部署IMT的管理部门使用。规定主要是按区域划分,但在某些情况下也按国家和地区进行。所有脚注仅提及IMT,因此没有具体提及是哪一代的IMT。一旦ITU-R分配了一个频段,区域的或者地方的主管部门应该据此为所有的或者特定的某一代IMT技术定义一个频段。在许多情况下,区域的或者地方的管理部门是“技术中立”的,即他们允许频段用于任何类型的IMT技术。这意味着所有现有的IMT频段都是IMT-2020(5G)的潜在频段,正如这些频段已用于之前的几代IMT系统。
世界无线电管理大会WARC-92确定了频段1885~2025和2110~2200MHz可用于IMT-2000。在这230MHz的3G频谱中,MHz用于IMT-2000的卫星部分,其余用于陆地部分。这一频谱中的部分频段在20世纪90年代用于部署2G蜂窝系统,特别是在美洲。2001~2002年日本和欧洲3G的首次部署是在这个频段中完成的,因此它通常被称为IMT-2000“核心频段”。
考虑到ITU-R的预测,即IMT-2000还需要160MHz频谱,世界无线电通信大会WRC-2000 为IMT-2000确定了附加频谱。它包括之前用于2G移动系统的806~960和1710~1885MHz频段,以及2500~2690MHz的“新”的3G频谱。对之前分配给2G的频段的重新指派也表明了对现有2G移动系统向3G演进的认可。WRC07确定了IMT的附加频谱,包括IMT-2000和IMT-Advanced。增加的频段为450~470、698~806、2300~2400以及3400~3600MHz,但频段具体的适用性因地区和国家而异。WRC12没有为IMT确定额外的频谱划分,但该议题列入了WRC15的议程。WRC12还决定需要研究694~790MHz频段在1区(欧洲、中东和非洲)的移动业务中的使用。
WRC15是一个重要的里程碑,它为5G奠定了基础。首先它为IMT确定了一组新的频段,其中许多频段在全球范围或几乎是全球范围被确定为IMT所用:

  • 470~694/698MHz(600MHz频段):确定在美洲和亚太的一些国家使用。对于1
    区,它被列为WRC-23的IMT新议程,即将在WRC-23上讨论。
  • 694~790MHz(700MHz频段):此频段确定用于1区,因而成为全球IMT频段。
  • 1427~1518MHz(L波段):为所有国家和地区确定的新的全球波段。
  • 3300~3400MHz:为许多国家和地区确定的全球频段,欧洲和北美除外。
  • 3400~3600MHz(C波段):为所有国家和地区的全球频段。之前已经在欧洲使用。
  • 3600~3700MHz(C波段):为许多国家确定的全球波段,但非洲和亚太地区的一些国家除外。在欧洲自WRC07开始已经在使用。
  • 4800~4990MHz:为亚太地区少数几个国家确定的新频段。

特别是3300~4990MHz的频率范围,对于5G很有意义,因为它是更高频段中的新频谱。这意味着它非常适合需要高数据速率的新的应用场景,并且也适用于大规模MIMO的实现,因为含有多个单元的天线阵列在这类频段上的实际尺寸可以设计得很合理。由于这一频率范围是目前尚未广泛应用于移动系统的新频谱,因此在此频谱中分配较大的频谱块将会更加容易,从而提供更宽的射频载波并最终达到更高的终端用户数据速率。
WRC15关于IMT的第二个主要成果是为下一届WRC确立的新议程项(即1.13项),即确定5G移动业务在24GHz以上的高频频段。ITU-R将对这些频段进行研究,并考虑在WRC19上为IMT做规定。这些频段的主要目的就是部署IMT-2020。今天,大多数要研究的频段已经优先划分给移动业务,同时也包括固定和卫星业务。它们包含以下频段范围:

  • 24.25~27.5GHz;
  • 37~40.5GHz;
  • 42.5~43.5GHz;
  • 45.5~47GHz;
  • 47.2~50.2GHz;
  • 50.4~52.6GHz;
  • 66~76GHz;
  • 81~86GHz。

还存在一些有待研究的频段,目前还没有成为IMT移动业务可使用的首要资源,或者说移动业务还没有成为这些频段的首要分配对象:

  • 31.8~33.4GHz;
  • 40.5~42.5GHz;
  • 47~47.2GHz。

完整的频段集如图3-1所示。

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ITU-R成立了一个特别任务组(TG 5/1)对新频段进行共用和兼容性研究,并为WRC19议程项1.13准备输入文稿。该任务组将根据研究结果,澄清频谱需求、技术和运营特性,包括对在所研究频段内或附近分配的现有业务的保护准则。研究的输入需要IMT-2020的技术和运营特性。NR的特性由3GPP提供并已经在2017年1月的标准化早期阶段提供。
值得注意的是,还有大量其他频段被确定为移动业务所用,但并非专门针对IMT。这些频段通常也用于某些地区或国家的IMT系统。在WRC15上有把27.5~29.5GHz用于IMT的研究兴趣,但最终未被纳入5G/IMT-2020频段的研究中。不过,至少美国和韩国有在该频段推出5G移动服务的计划。还有提议对20GHz以下的频段用于5G/IMT-2020进行研究,但最终未被包括进去。除了ITU-R所研究的频段,预计6~20GHz范围内的若干频段也将被用于移动业务,包括IMT的移动业务。比如FCC在调研5925~7125MHz频段的新用途,包括用于下一代无线宽带业务。
地区之间对分配给IMT的频段的使用各有不同,这意味着没有一个单独的频段可用于全球漫游。不过,各地区经过大量努力已定义了可用于全球漫游的最小频段集。通过这种方式,多频段终端可以提供有效的全球漫游能力。由于WRC15确定的许多新频段是全球性的或近乎全球性的,因此,终端只要支持较少的频段就可以实现全球漫游,这还有助于扩大设备和部署的规模效益。

3.1.2 5G的全球频谱状况

世界各国都有强烈的意愿为5G的部署提供频谱。这是由运营商和行业组织推动的,比如全球移动供应商联盟(Global mobile Suppliers Association) [35]和DIGITALEUROPE [29],但也得到了各个国家和地区的监管机构的支持。[56]概述了5G频谱的状况。在标准化方面,3GPP活动的重点放在明显引起兴趣的频段上(完整的频段列表见3.2节)。令人感兴趣的频谱可以分为低频、中频和高频频段:
低频频段对应于2GHz以下现有的LTE频段,适用于覆盖,即提供广域和深度的覆盖,包括室内覆盖。它的令人感兴趣的频段是600和700MHz,对应于3GPP NR频段n71和n28(更多细节见3.2节)。由于该频段不是很宽,因此预计最大的信道带宽是20MHz。
对于5G的早期部署,美国考虑把600MHz频段用于NR,而700MHz频段被欧洲定义为所谓的先锋频段之一。此外,在3GHz以下的许多额外的LTE频段被标记为可能的“重耕”频段并且已为它们分配了NR频段号。由于这些频段通常已经部署用于LTE,因此预计NR将在后期逐步部署在这些频段上。
中频频段在3~6GHz的范围内,它可以通过更宽的信道带宽提供覆盖、容量和高数据速率。全球最感兴趣的是3300~4200MHz这一段,3GPP已指定的NR频段n77和n78就在其中。由于频段较宽,信道带宽可高达100MHz。长期来看,可以在该频率范围内为每个运营商分配高达200MHz的频率,然后通过使用载波聚合可以达到整个带宽的部署。
3300~4200MHz的范围受全球关注,虽然各地区略有不同:3400~3800MHz是欧洲的先锋频段,而中国和印度正在计划分配3300~3600MHz,日本正在考虑3600~4200MHz。北美(3550~3700MHz和初步讨论中的3700~4200 MHz)、拉丁美洲、中东、非洲、印度、澳大利亚等地也考虑了类似的频率范围。WRC-15上共有45个国家签署了为IMT确定的3300~3400MHz频段。中国(主要是4800~5000MHz)和日本(4400~4900MHz)对更高的频段也很感兴趣。此外,在2~6GHz范围内许多潜在的LTE“重耕”频带已被确定为NR频段。
高频频段指位于24GHz以上的毫米波。它们最适合于具有超高容量的本地热点覆盖,并且可以提供非常高的数据速率。最令人感兴趣的是24.25~29.5GHz的范围,其中3GPP为 NR分配了频段n257和n258。这些频段的信道带宽高达400MHz,而且通过载波聚合可以实现更高的带宽。
如前所述,毫米波频段对于IMT部署而言是新的。美国在较早时就确定了27.5~28.35GHz用于5G,而24.25~27.5GHz这一段,也称为“26GHz频段”,是欧洲的先锋频段,注意并非所有26GHz频段都可用于5G。全球各国也正在考虑使用更大的24.25~29.5GHz范围内的不同部分。日本首先计划使用27.5~29.5GHz的范围,韩国计划使用26.5~29.5GHz。总的来说,这个频段可以被视为具有地区性差异的全球频段。美国也计划使用37~40GHz,包括中国在内的许多其他国家也在考虑大约40GHz的范围。

3.2 NR的频段

NR可以部署在现有的IMT频段上,也可以部署在WRC或地区性机构所确定的未来频段上。全球移动业务的一个基本特点就是无线接入技术能工作在不同频段上。大多数的2G、3G和4G终端都有多频段支持能力,它们涵盖了世界不同地区所使用的频段,以提供全球漫游能力。从无线接入功能的角度来看,频段的影响有限,而且NR的物理层规范并不对频段做假定。不过,由于NR将横跨如此大范围的频谱,因此某些配置将仅适用于某些频率范围。这包括NR参数集的差异化应用(见第7章)。
许多RF要求都是针对不同的频段提出的。对于NR来说是这样,对前几代移动通信也是如此。频段特定RF要求的例子包括允许的最大发射功率、带外(Out-Of-Band,OOB)发射的要求和限制以及接收机阻塞水平。造成这种差异的原因是外部的限制,通常是由监管机构提出来的,还有一些限制是标准化过程中考虑运营环境的不同造成的。
对NR而言,由于频段范围非常宽,因此频段间差异更为明显。对于24GHz以上的毫米波频段上的NR工作,终端和基站都将采用部分新技术,并且将更多地使用大规模MIMO、波束赋形和高集成度的高级天线系统。这就造成了RF要求的差异对性能评估进行测量的差异以及对要求的取值范围的差异。因此,目前3GPP在Release 15中,将频段划分为两个范围:

  • 频率范围1(FR1)包括6GHz以下的所有现有的和新的频段。
  • 频率范围2(FR2)包括24.25~52.6GHz范围内的新的频段。

在未来的3GPP版本中,这些频率范围可以被扩展或者会增加新的频率范围。第18章将进一步讨论频率范围对RF要求的影响。
NR使用的频段包括对称和非对称频谱,要求灵活的双工配置。因此,NR既支持FDD也支持TDD。NR还为SDL或SUL定义了一些频段。7.7节将对这些功能做进一步描述。
3GPP定义了工作频段(operating band),一个工作频段是指由一组RF要求所规定的上行链路或下行链路,或者上下行链路的一个频率范围。每个工作频段都有一个编号,其中NR频段的编号为n1、n2、n3等。当相同的频率范围被定义为不同无线接入技术的工作频段时,它们使用相同的编号,但以不同的方式书写。4G LTE频段用阿拉伯数字(1、2、3等),而3G UTRA频段用罗马数字(Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ等)。被重新分配给NR的LTE工作频段通常称作“LTE重耕频段”。
3GPP为NR制定的Release 15规范包含频率范围1中的26个工作频段和频率范围2中的3个工作频段。NR频段从n1到n512的编号方案遵从以下规则:
1.对于LTE重耕频段中的NR频段,NR复用LTE的频段号,只需在前面添加“n”。

  1. NR的新频段使用以下数字:
  • n65~n256预留给频率范围1中的NR频段(其中某些频段可以额外用于LTE)。
  • 范围n257~n512预留给频率范围2中的NR新频段。

该方案为NR“预留”了频段号并且向后兼容LTE(和UTRA),并且不会造成任何新的LTE编号超过256,这是目前可能的最大值。任何新的仅用于LTE的频段也可以使用小于65的未使用的数字。在Release 15中,频率范围1中的工作频段在n1~n84的范围内,如表3-1所示。频率范围2中的频段在n257~n260的范围内,如表3-2所示。图3-2、3-3和3-4对NR的所有频段进行了总结,它们还显示了相对应的ITU-R所定义的频率分配。

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某些频段部分地或完全地重叠。大多数情况下,这可以解释为各地区对ITU-R定义的频段实施上的差异。同时,为实现全球漫游,频段之间尽可能地有重叠又是所期望的。通过最初全球的、区域性的以及当地的频谱管理工作,首批频段被指派给UTRA。随后整个的UTRA频段在3GPP Release 8被转移到LTE的规范中。后续版本中又为LTE增加了其他频段。在Release 15中,许多LTE频段被转移到NR的规范中。

3.3 6GHz以上的射频暴露

随着5G移动通信的频率范围扩展到6GHz以上,现有的关于人体暴露在6GHz以上的射频电磁场(Electromagnetic Fields,EMF)中的规定,可能将用户终端的最大输出功率限制在了一个远低于低??频辐射允许的水平。即现有的规定对于6GHz以上的频段可能过于苛刻。
国际RF EMF暴露限值,例如国际非电离辐射委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation,ICNIRP)推荐的限值和美国联邦通信委员会(FCC)规定的限值,已经设定了足够宽的安全边际,以防止人体组织由于能量的吸收而过度发热。在6~10GHz的频率范围内,基本限值从特定的吸收率(w/kg)变为入射功率密度(w/m2)。这主要是因为随着频率的增高,人体组织中的能量吸收变得越来越微不足道,因而也更加难以测量。
事实证明,对于靠近身体使用的产品,最大允许输出功率是不连续的,因为暴露测度已从特定吸收率变成了基于功率密度的限值[27]。为了符合更高频率下ICNIRP的暴露限值,发射功率可能要比当前蜂窝技术使用的功率水平低10dB。为6GHz以上频率设定的暴露限值,其安全边际甚至大于较低频率的安全边际,这没有任何明确的科学依据。
对于较低频段,多年来已有大量工作来描述暴露的情况并设定相关的限值。随着对使用6GHz以上频段进行移动通信的兴趣日益增加,研究工作可能也会增多,最终可能导致对暴露限值的修订。在IEEE公布的最新RF暴露标准(C95.1-2005,C95.1-2010a)中,频率转换处的不一致性不太明显。但是,这些限值尚未被任何国家的法规所采用,所以其他标准化组织和监管机构也必须努力解决这一问题。否则的话,这可能对较高频率的覆盖范围产生很大的负面影响,特别是对于那些在身体附近使用的用户终端,比如可穿戴设备、平板电脑和移动电话,其最大发射功率可能受到目前的射频暴露规定的极大限制。

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