中国移动通信集团浙江有限公司杭州分公司 |朱智俊 徐杰 金鑫

“频谱匮乏”问题并不是可用频谱的稀缺，而是频谱资源管理模式有待改进。寻求频谱划分更灵活、频谱效率更高效、频谱分配更公平的管理模式具有积极的意义。上下行解耦、频谱重耕、频谱共享和载波聚合等频谱管理解决方案应运而生。

伴随着5G首个标准冻结，5G业务场景和终端路标逐渐清晰，5G网络商用的脚步越来越近。5G构建了三大应用场景，分别是eMBB、mMTC、uRLLC，对应以上三大业务场景的管道能力中，峰值速率、用户体验、时延、连接密度是关键能力，如图1所示。

图1 5G三大应用场景的典型应用

为满足5G场景需求，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6GHz以下的频段，以中、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6GHz甚至24GHz以上的频段，因其覆盖能力有限，但具备大带宽能力，可满足热点区域极高的用户速率和系统容量需求。

5G频谱分析

低频段主要用于满足广覆盖、高移动性场景下的用户体验和海量设备的连接需求。但目前这部分频段资源十分有限，特别是3GHz以下可用频谱资源已经分配殆尽，很难找到大块频率来满足5G系统的需求。3GHz以下频谱划分情况如图2所示。

图2 3GHz以下的具体分配

根据W RC-15的会议成果，我国无线电主管部门主要针对6GHz以下的3000～5000 M H z频段，确定将3300～3400MHz、3400～3600MHz、4800～5000MHz共500MHz率先规划用于5G系统。2018年底三大运营商获得全国范围5G中低频段试验频率使用许可。其中，中国电信获得3400～3500MHz频段的5G试验频率资源；中国移动获得2515～2675MHz、4800～4900MHz频段的5G试验频率资源；中国联通获得3500～3600MHz频段的5G试验频率资源。

从长远来看，为了满足5G系统广覆盖、大规模机器通信对低频段的需求，无线电主管部门未来可适时将已经规划给2G、3G和4G系统的频谱资源，通过优化、重耕、共享等多种方式用于5G系统。

5G频谱横跨高、中、低频段，主要为中频段，其衰减特性仿真结果如图3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，造成覆盖缺陷。

5G组网演进路线

5G组网分为独立组网和非独立组网两种方式。5G建设初期，采用SA组网还是NSA组网，不同运营商的选择会有所不同。中国移动宣称要采用5G进行连续覆盖，因此考虑采用5G SA组网；而中国联通则考虑5G的快速部署，其白皮书中明确初期采用5G与LTE紧耦合的方式来进行网络建设。一般来说，为了保护运营商的4G存量投资，同时又保证5G的快速引入，5G的组网会采用从NSA到SA的演进路线。典型演进形式如图4所示。

采用NSA方式组网时，对终端而言要同时支持4G和5G，以双连接的形式接入网络。用户面数据以分流的形式在两个制式间分配和传输，分流网元可以是4G eNodeB，可以是5G gNodeB，也可以是核心网。另外根据接入核心网的不同，协议定义6种option，见表1。

图3 中频率衰减仿真结果

图4 5G不同演进方案网络架构

表1 5G不同演进方案的组网架构对比

随着5G开始建设，其对无线频谱资源的需求与日俱增，可用、好用的频谱资源越来越少，寻求新的频谱资源举步维艰，中高频段的覆盖距离短。许多国家的无线电管理机构、学术界和企业界陆续开展了频谱资源实际使用情况的测量工作，从测量结果可知，只有少部分频段承载的业务量很大、非常拥挤，而相当数量的频段只有很少的业务量，甚至还有一些频段基本上处于空闲状态。

由此可见，“频谱匮乏”问题并不是可用频谱的稀缺，而是频谱资源管理模式有待改进。寻求频谱划分更灵活、频谱效率更高效、频谱分配更公平的管理模式具有积极的意义。上下行解耦、频谱重耕、频谱共享和载波聚合等频谱管理解决方案应运而生。

新的频谱管理技术

上下行解耦

上下行解耦（Downlink and Uplink Decoupled Access）是指上行和下行分开传输。无线网络覆盖由上行链路和下行共同决定，需要达到上下行链路平衡。正常情况下基站发射天线增益大、功放功率大，而终端由于体积受限不能做大天线增益和功放功率，因此多数情况下上行覆盖受限。

到了5G时代，随着基站侧Massive MIMO射频硬件性能增强等各种先进技术的运用，基站下行覆盖能力越来越强，而上行受制于终端的限制，覆盖能力的增强远不及下行，这就使得5G时代上下行覆盖不均衡的问题进一步加剧。上下行解耦解决方案将很好地解决5G时代上下行覆盖不均衡的问题。

上下行解耦将蜂窝网络的覆盖区域划分为“平衡区域”和“非平衡区域”。对于上下行功率平衡的区域，传统基于RSRP或RSRQ的服务基站接入策略仍然适用，UE的上下行方向接入同一基站。对于上下行功率不平衡的区域，UE的上行连接和下行连接不再耦合，下行方向沿用传统策略，参考下行导频信号的强度选择最优的基站作为下行服务小区，而上行方向则依据信号经过上行链路后的性能进行接入判定。

在3.5GHz上行覆盖较好的地方，上下行均使用3.5GHz频段进行传输，而在边缘区域和5G下行覆盖充分而上行覆盖不足的地方，UE借用LTE（Sub-3GHz）频段进行上行传输，以减少高频衰减，增强上行覆盖能力。

通过研究发现，终端在近点时，基站采用3.5GHz作为下行覆盖，终端上行也采用3.5GHz；终端在远点时，基站采用3.5GHz作为下行覆盖，终端上行采用1.8GHz，以此增加覆盖范围，参考某机构的数据，后者比前者可增加45%的覆盖能力。

频谱重耕

频谱重耕是指电信网络运营商对既有频谱资源按技术演进的不同系统制式需求进行重构或者重组，以达到提升与更有效利用频谱资源的目的，即有效降低构建网络与系统的建设成本（CAPEX）、运维成本（OPEX）以及总拥有成本（TCO）。

图5 上下行解耦应用

图6 下行频谱效率的演进（单位：bit/s/Hz）

表2 不同频段下无线电波传播性能对比

当前部分设备商可提供LTE-NR SDR（Software Defined Radio）设备，该AAU设备支持D频段160MHz宽频。LTENR SDR设备可满足不同制式在不同时期的容量需求，能够调整不同制式的带宽分配或根据容量需求动态自适应调整。比如，在5G建网初期阶段，5G使用100MHz带宽，LTE使用60MHz带宽，随着5G发展，4G流量在2021年左右到达顶峰后开始下降，后续可以将更多的频谱逐渐释放给NR使用，最终160MHz全部是NR（4G业务用其他频段承载）。除了频谱自适应分配，AAU设备的总功率也可以根据需求分配给NR和LTE。

因为频谱资源有限，故提升频谱效率一直是业内关注的焦点。如图6所示，LTE的频谱效率约为GPRS的50倍，因此大大提升了频谱价值。

相对于以前的网络制式，4G技术大大提升了频谱效率。假定下行链路的传输带宽为10MHz、链路的信噪比为7dB，根据香农极限定理得到信道容量为25Mbit/s。而LTE R8的吞吐量已经达到了15Mbit/s，LTE-A R10的吞吐量更是达到了24Mbit/s，未来5G系统的吞吐量更高，在频带利用率上已经非常接近香农极限。若要进一步提高系统吞吐量，除了提高系统信噪比，采用更为先进的网络制式获得额外频谱带宽也是非常重要的。

无线频谱频段的高低决定了电波的传播能力，根据链路预算和传播模型可以得到用户终端与基站之间的最大路径损耗和基站的覆盖半径。假设基站天线的高度为35m，利用自由空间传输模型、Hata Model for Ur b a n A r e a s以及Cost Hata231模型，可以得到不同频段下的电波传输损耗、基站覆盖半径之比和站点数量之比，具体见表2。

由表2可知，覆盖相同的面积，2.6GHz频段所需的基站数量是700MHz的15倍左右，这是在没有考虑室内覆盖及穿透、馈线和接头等损耗情况下的理论分析。根据电波传播理论可知，随着频段的降低，传输损耗越小，相应的建网投资就越低。

随着万物移动互联时代的到来，应更加注意发挥能支撑频谱重耕与精准化发展的新技术的重要作用。

频谱共享

频谱共享是指由两个或两个以上用户共同使用一个指定频段的电磁频谱。参与频谱共享的用户主要分为主用户和次用户两类。其中，主用户是指最初被授予频段且愿意与其他接入者共享资源的用户，次用户是指其余被允许按照共享规则使用频谱的用户。

图75G NR与LTE共享频谱应用

在5G NR上下行解耦场景下，与LTE共享1.8GHz频谱可以为5G NR提供上行低频频谱，提升NR上行覆盖能力，如图7所示。

频谱共享已被认为是解决频谱供需矛盾、提高频谱使用效率的方案之一。推行频谱共享已经成为国际主流趋势，为当前频谱紧张局面提供了一种极为有效的解决途径。

载波聚合

载波聚合是将多个连续或离散载波聚合在一起，形成一个更宽频谱。载波聚合可分为连续载波聚合和非连续载波聚合，最大聚合带宽为100MHz，如图8所示。

3GPP在LTE-Advanced Release 10（TR 36.913）阶段已引入了载波聚合，通过同频带、异频带不同的成员载波聚合成为更大带宽，成倍地增加用户峰值速率，可以聚合40～100MHz（2～5个载波）带宽，提供300～750Mbit/s甚至大于1Gbit/s（4×4MIMO）的峰值速率，以满足3GPP的要求。

5G时代最高峰值数据传输速率将达到20Gbit/s，载波聚合必定成为实现这个目标的核心技术，而5G增加的多个频段又可以提供更多载波资源，为更多载波的聚合提供条件。另一方面，5G时代，6GHz以下的频谱资源将更加拥挤和碎片化，载波聚合技术可以将多个分散频率合成在一起，在提高通信带宽的特性方面将大有用武之地。

5G终端面临的挑战

因5G系统采用了上述部分或者全部方案来解决频谱问题，相应的终端将会面临以下挑战。

模拟器件的挑战

目前3 G P P已划分S u b-6 G H z的频段为B42（3.4～3.6GHz）、B43（3.4～3.6GHz）、n77（3.3～4.2GHz）、n78（3～3.8GHz和4.4～4.99GHz）。

图8 载波聚合

图9 终端天线增加

相比较LTE的20MHz带宽，5G频段的带宽大大增加，对射频前端架构设计形成挑战。同时大带宽对PA的工作带宽要求更高，对PA的线性性能要求也更高。大频段带宽及信道带宽也会对滤波器的设计带来更大的挑战。例如，滤波器设计在3.3～3.8GHz频段相比3.3～4.2GHz频段会更容易。

天线的挑战

随着终端的发展，特别是5G高频段的到来，天线空间的压缩、天线数量的增加、天线规格的提升对天线的设计形成挑战。

天线空间不断被压缩。全屏趋势、前置多摄像头（2个）、背部多摄像头（2个及更多）以及前置结构会影响顶部天线空间。同时电池容量增加、屏下指纹、全面屏以及屏下指纹会进一步压缩底部天线的空间。

天线数量不断增加，如图9所示。随着无线频率的升高，终端为提升网络性能而增加天线数量，例如4×4MIMO、8×8MIMO、支持Wi-Fi的MIMO、GPS双频等，会导致单个天线净空间的压缩和隔离度需求的增加。

金属外壳带来的挑战

随着移动通信的演进，智能手机后盖也随之发展，当前智能手机后盖主要有以下几种材质：塑料、金属、玻璃和陶瓷等。

塑料的优点是重量轻，制造难度与成本相对较低。但其热导率差，影响手机处理器的频率。此外塑料的光泽度低、手感欠佳。

金属后盖优点主要是光泽度高、手感出色、硬度高、抗压抗弯、抗刮抗划、热导率高。但金属具有电磁屏蔽性，因此全面屏对天线净空间的压缩、无线充电的电磁波干扰、5G通信采用3GHz以上的无线频谱等将带来更复杂的天线结构。其次是金属着色难，复杂的阳极氧化工艺难以实现丰富多彩的颜色。

玻璃后盖硬度较高，热导率处于塑料和金属之间，通透感强，比金属更易着色，同时玻璃对无线信号的影响也较低。但缺点在于易碎和弹性有限，因此采用玻璃材质的手机往往更加脆弱，并且几乎都是平面设计。

近些年流行的陶瓷后盖硬度高，耐磨、通信性能好，但其工艺及成品率相对较低，会提高终端成本。

毫米波的挑战

5G毫米波具有带宽资源丰富的优势，但毫米波也有信号衰减大、易受阻挡、绕射能力弱、覆盖距离短等劣势。毫米波衰减大，在高温和高湿度环境下，其信号在1km内可衰减一半（3dB/km）。同时毫米波穿透障碍物的能力比较差，无法穿过障碍物。另外，毫米波频段由于频段高、带宽大、路损大、器件小等特性，对商用手机终端射频前端的工艺和材料、智能天线阵列的设计、射频天线的封装、终端整机系统的封装与成本都带来相当大的挑战。

图10 中国移动2.6GHz频谱

图11 中国移动2.6GHz频谱重耕后的分配

终端新频点的支持问题

频谱重耕后，会出现新技术对应老频谱的问题，需要网络侧及终端侧设备支持，其中终端侧的问题较为普遍。如中国移动获得5G频谱为2515～2675MHz（160MHz），其中2575～2635MHz频段在LTE时代已获得，如图10所示。

这使得5G频谱不是连续的100MHz，需要重耕2575～2635MHz，将LTE搬移到高频段上，如图11所示。

频谱重耕后，终端和网络设备都要求同时支持2635～2675MHz新频点，网络设备应具备基于终端支持频点的负荷均衡技术，能识别终端的工作范围，合理安排2615～2635MHz、2635～2655MHz、2655～2675MHz三个带宽的工作比例，动态调整其接入的网络，使得终端在该三个带宽内都保持一定的比例，使得2515～2615MHz连续的100MHz带宽中无LTE设备使用，可全部给5G NR使用，极大提升网络性能。

随着全面屏及无线充电不断发展，5G时代预计将有玻璃或陶瓷后盖代替金属后盖，同时支持多天线、多频点、毫米波等。

为了落实国家5G发展目标，运营商将根据国家战略、各地政府和行业需求、产业进展，以5G为契机，实践产业合作驱动创新应用，同步开展5G技术与行业应用结合的研究、试验和部署，锻造5G核心研发能力，推动5G产业链成熟，打造合作、创新、共赢的5G生态圈。