深度解析：為什么厘米波頻譜正在成為6G頻譜“新寵”？

5G正在徹底改變我們與世界的交互方式。同時，6G的演進已進入到早期應用研究階段。在支持新的網絡容量和覆蓋需求方面，頻譜將起到至關重要的作用，而厘米波頻譜正在成為頻譜“新寵”。

本文中，愛立信技術專家深入解讀了厘米波頻譜對打造未來網絡的價值，以及我們正在努力解決的那些挑戰(zhàn)。

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6G服務需要額外頻譜

毋庸置疑，5G是一項革命性技術，它實現(xiàn)了機器與機器、機器與人類之間的無縫連接。2020年到 2030 年，是5G重塑整個行業(yè)和社會的“黃金十年”。我們將見證許多新應用和新服務的出現(xiàn)，同時也從每一次5G部署過程中汲取寶貴的經驗教訓。

與此同時，我們繼續(xù)向6G邁進。正如我們在愛立信6G白皮書中所述，6G將實現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界的融合。根據2022年11月的《愛立信移動市場報告》，6G 將成為支持當前移動寬帶、固定無線接入（FWA）、智能工廠等用例的重要組成部分，這些用例將繼續(xù)呈指數(shù)級增長。6G還將推動實現(xiàn)全息通信、大規(guī)模數(shù)字孿生、沉浸式通信、通感一體化（JCAS）等領域的新興用例。

這就提出了兩個重要問題：我們如何滿足未來的流量需求并實現(xiàn)6G愿景？答案當然會涉及諸多方面，但我們認為頻譜將是最基本的因素之一。如圖1所示，當前用例在不斷增加，在2030年預期增加三倍的數(shù)據流量；這就要求我們可用的頻譜不僅要滿足當前用例的需要，同時還要滿足新的6G用例產生的流量增量的需要。

圖1：6G時代的流量需求

為滿足2030年及以后的網絡需求，至少需要1.5-2.2GHz的額外頻譜來更好地支持廣域覆蓋。需要注意的是，這些數(shù)字是在2030年前分配的廣域頻譜頻段的基礎上得出的，我們在白皮書中也提到了這一點。

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頻譜混疊：流量分發(fā)和聚合

為了滿足2030年及以后的大量用例和網絡部署的需要，我們必須充分利用所有可用的頻段，并將流量引導至最合適的頻段（見圖2）。

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低頻段FDD：將繼續(xù)提供基本覆蓋層。該頻譜有利于彌合城市和農村地區(qū)之間的數(shù)字鴻溝，同時提供無處不在的移動連接。

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中頻段TDD：在目前全球5G頻譜資源分布最廣泛的頻段。豐富的頻譜資源對移動寬帶、XR、AR/VR等大量應用至關重要，還能為光纖無法到達的小鎮(zhèn)和村莊提供固定連接。

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毫米波（mmWave）頻段：可實現(xiàn)大容量通信，但由于傳播特性，毫米波頻段僅限于局部密集環(huán)境。

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亞太赫茲（Sub-THz）頻段：適用于未來的6G用例，例如前傳/回傳、極限游戲等，這些用例和應用需要至少每秒數(shù)百Gb的數(shù)據傳輸速率，而達到這一速率又需要10GHz以上帶寬的頻段（這種寬帶寬僅在92 GHz以上頻段才有，如D頻段和W頻段）。由于傳播特性，亞太赫茲頻段的接入區(qū)域會非常有限，前傳/回傳應用也需要非常窄的波束。幸運的是，并非所有地方都需要如此高的數(shù)據傳輸速率。在這些極端情況下，亞太赫茲（92-300GHz）頻段將成為更低頻段的補充。

尋找1.5-2.2GHz的額外廣域頻譜并非易事，但這對于滿足我們2030年及以后的容量需求至關重要。從網絡覆蓋范圍的角度來看，低頻段是有益的，但新頻譜的數(shù)量非常少；而在高頻段（毫米波頻段）中尋找大量額外頻譜是可行的，但它們又不太適合廣域覆蓋。

這就催生出一個重要問題：我們能否找到一種方法，兼具兩種頻段的優(yōu)勢？

厘米波（cmWave）頻譜：對未來系統(tǒng)（如6G）來說極具吸引力。

7-15GHz的頻率范圍有望將良好的覆蓋范圍（尤其是在低頻邊緣）與足夠大的帶寬結合起來。雖然這些頻譜目前正在被廣泛應用，但適當?shù)幕殳B機制在一定條件下可以釋放出足夠大的頻譜供蜂窩網絡使用。除了現(xiàn)有頻段和已在討論的頻段外，我們認為厘米波頻譜對6G網絡發(fā)展非常重要。同時，由于采用了大型陣列，該頻段可以與傳統(tǒng)中頻段部署在同一網格中，并借助同樣通過大型陣列實現(xiàn)的大規(guī)模空間重用實現(xiàn)更大的容量。這一頻段不僅能推動傳統(tǒng)移動寬帶和AR/VR的持續(xù)增長，還能支持全息通信、大規(guī)模數(shù)字孿生等新應用的引入?？紤]到相對傳播特性，在7-15GHz范圍內的較低頻率進行頻率分配是十分可取的。

為實現(xiàn)最佳的用戶體驗，必須以最佳方式同時使用所有可用的頻段，并將它們動態(tài)分配給網絡中能帶來最大效益的用戶和應用。由于高頻段需要更密集的部署來補償傳播損耗，因此，想要實現(xiàn)網絡的節(jié)能運行，系統(tǒng)必須具備快速啟用和停用節(jié)點與頻段的功能。

圖2：多頻譜層疊加

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可在現(xiàn)有的網格上使用厘米波

厘米波頻段可利用大規(guī)模MIMO技術來支持廣域覆蓋，從而使當前的3.5GHz基站網格被重復使用。與3.5GHz天線面板相比，在7GHz 頻率下，安裝在同一天線外殼中的半波長元件數(shù)量可以翻兩番，最終提升天線增益，彌補增加的傳播損耗。

例如，在圖3所示的倫敦場景中，基站間的平均距離為450米，80%的用戶為室內用戶，人口密度為10,000人/平方公里。

圖3：倫敦模擬場景

圖4顯示了在該網格上使用多個頻段所提供的容量。在這種情況下，使用當前頻段的150 MHz所能支持的下行鏈路容量約為5 Gbit/s/km2，如果在厘米波范圍內增加400 MHz頻譜（7GHz下的200 MHz和15GHz下的200 MHz），這一數(shù)字可提高到13 Gbit/s/km2以上。所增加的下行鏈路容量還可用于卸載3.5 GHz等較低頻段的更多下行鏈路流量，從而將這些頻段釋放出來用于上行鏈路流量，這有益于擴大覆蓋范圍。

圖 4：倫敦現(xiàn)有宏網格所支持的通信容量

該模擬示例清楚地說明了厘米波頻譜的優(yōu)勢：在不需要基站網格密集化的情況下，就能提高容量。但要注意的是，該場景進行了適度的模擬假設，例如，7 GHz天線沒有使用比3.5GHz天線更多的元件。另外，在本例中，除非提高基站網格的密度，否則即使增加毫米波頻譜也無法提高通信容量。從圖4也可以看出這一點：該倫敦場景中的基站網格對應覆蓋距離位于毫米波層右側；而在圖2中的覆蓋距離則對應厘米波層。

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未來的傳輸技術：需要考慮的因素

如上所述，我們最初的目標是將厘米波頻段與傳統(tǒng)中頻段部署在同一網格上。此外，如上文所述，為了彌補3.5-7GHz全向路徑損耗的增加，我們需要至少四倍數(shù)量的天線元件。

5G 無線設備通常使用32或64個TRX 端口。每個端口連接到一個包含三個天線元件的垂直子陣列，因此總共需要96或192個天線元件。為了補償增加的全向路徑損耗，從64個TRX端口開始，將天線元件數(shù)量翻兩番，從而需要768個天線元件。為擴大覆蓋范圍，可進一步增加天線元件的數(shù)量（見圖5）。

圖5：（垂直 x 水平）子陣列配置示例

我們可通過選擇不同的結構來實現(xiàn)更大規(guī)模的天線陣列，可供選擇的方案包括：

增加子陣列尺寸

使用12甚至24個元件的子陣列可以形成一個子陣列，從而使天線元件總數(shù)分別增加到原來的四倍或八倍。這種解決方案的優(yōu)點是簡單，而且由于TRX端口的數(shù)量沒有變化，可以最大程度地減少甚至消除對數(shù)字波束成形架構和CSI獲取所需的更改。但這種解決方案的一個明顯缺點是垂直波束寬度更窄。

增加 TRX 端口數(shù)量

另一種極端情況是保持子陣列大小不變，將TRX端口數(shù)量增加到256或 512個。在這種情況下，所有波束成形（除子陣列外）都是在頻域中以數(shù)字方式完成的，從而使MIMO前置編碼器的設計具有最大的靈活性，甚至可以使用前置編碼器。缺點是需要大量增加模數(shù)轉換器（上行）和數(shù)模轉換器（下行），導致復雜性和能耗增加。

介于兩個極端之間

在上述兩個極端之間有多種選項。一種是適度增加TRX端口數(shù)量，然后依靠時域端口延伸（下行鏈路）/縮減（上行鏈路）連接子陣列。這種時域端口延伸/縮減可以在數(shù)字域、模擬域或兩者之間進行。

我們需要慎重考慮，如何在增加的復雜性與靈活性之間取得良好的平衡。不同方案所產生的能耗差別也很大，通常會隨著TRX端口數(shù)量的增加而上升。為了保持低能耗，我們必須能夠休眠或關閉無線電和基帶中未使用的組件。過去，無線系統(tǒng)功耗明顯占主導地位。然而，隨著天線數(shù)量不斷增加，基帶功耗也隨之激增，這就要求我們現(xiàn)在必須同時考慮這兩個方面的功耗。

不同的架構也有不同的輻射特性，例如，大型垂直子陣列會減少垂直波束寬度。需要進一步考慮上述解決方案如何能夠使這些頻段中其他同優(yōu)先級服務以及雷達、固定服務和衛(wèi)星服務等相鄰頻段更好地共存。

為了將TRX端口數(shù)量增加到64個以上，還需要改進 CSI的獲取，例如，需要增加CSI-RS天線端口等。目前業(yè)界正在分析每種方案的優(yōu)缺點，最佳設計將“花落誰家”還未有定論。

部署更大規(guī)?；咎炀€陣列還可用于改善通信之外的服務，比如定位服務，它早已成為一項重要服務。在6G可以提供的通信之外的服務中，通感一體化被普遍看好。

定位和通感一體化服務均受益于大帶寬和大天線陣列，這使得厘米波頻段成為這兩種服務的理想頻段。假設厘米波頻段中，每種模式的鄰道帶寬為200MHz，則傳感和定位的飛行時間測量分辨率小于一米。多種定位和傳感方法都依賴精確的到達角估計，而到達角估計的精度會隨著陣列尺寸的增大而提升。如果能夠將厘米波頻段提供的大帶寬與保持覆蓋范圍所需的更大陣列尺寸相結合，厘米波頻段就能成為一個理想的高精度定位和傳感候選頻段。

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如何獲得該頻譜：解決共存問題

在第一章節(jié)中，所需的厘米波頻譜估計在1.5-2.2GHz。假設一個地區(qū)有三家網絡運營商，那么每家運營商需要500-750MHz頻譜。為避免非連續(xù)載波聚合的高度復雜性，同時也為了實現(xiàn)范圍分辨率在1米左右的定位和傳感服務，頻譜應按不少于100-200MHz的連續(xù)區(qū)塊分配。

根據國際電信聯(lián)盟《無線電規(guī)則》（ITU-RR），7-15GHz頻譜范圍內的大量頻段已經以同優(yōu)先級的方式分配給移動型、固定型及其他服務。因此，我們有必要認真考慮和研究這些服務在7-15GHz頻段和鄰近頻段中的共存問題。

由于我們很難找到干凈的頻譜，再加上高效利用稀缺頻譜資源的既定目標，頻譜共享和共存能力呈現(xiàn)出前所未有的重要性。愛立信認識到這一挑戰(zhàn)并全力探索這一領域。如果能夠成功應對這些挑戰(zhàn)，我們就可以釋放厘米波頻段中的大量頻譜用于蜂窩通信。實際上，將類似毫米波的帶寬與中頻段覆蓋相結合，是我們?yōu)闈M足2030年及以后的通信容量需求的可行方式。

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