5G啟用毫米波頻譜：哪些頻率會被采用？

隨著世界標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)著手定義下一代無線網(wǎng)絡(luò)，5G的愿景正在迫使研究人員改變他們的思考方式。增加4G網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率并不足以提供三個高級5G用例所需的數(shù)據(jù)速率、延遲和容量（圖1），這三個用例由3GPP定義，期望未來能夠提供無處不在的瞬間移動寬帶數(shù)據(jù)。

圖1. 這三個5G用例是由3GPP和IMT-2020定義的。

增強(qiáng)型移動寬帶(eMBB)用例由IMT-2020定義，該用例設(shè)想了一個超過10Gbps的峰值數(shù)據(jù)速率，是4G網(wǎng)絡(luò)的100倍。經(jīng)實(shí)踐證明，數(shù)據(jù)速率與可用頻譜直接相關(guān)，而根據(jù)香農(nóng)定理，容量是帶寬（即頻譜）和信道噪聲的函數(shù)。低于6GHz的頻譜已經(jīng)分配殆盡，而6GHz以上的頻譜，特別是毫米波頻率已經(jīng)成為一個非常有前景的替代方案來實(shí)現(xiàn)eMBB用例。但是，哪些毫米波頻率會被采用呢？

頻譜選項(xiàng)

國際電信聯(lián)盟(ITU)和3GPP在關(guān)于5G標(biāo)準(zhǔn)兩個研究階段的計劃上已經(jīng)達(dá)成了一致。第一階段主要研究低于40GHz的頻率，致力于在2018年9月之前解決一些更緊迫的商業(yè)需求；第二階段從2018年開始，到2019年12月，致力于解決IMT-2020提出的關(guān)鍵績效指標(biāo)。第二階段的焦點(diǎn)是高達(dá)100GHz的頻率。

為了在毫米波頻率標(biāo)準(zhǔn)化上達(dá)成全球一致，ITU在去年11月舉行的世界無線電通信大會(WRC-15)上公布了一個擬定的24GHz~86GHz范圍內(nèi)的全球可行頻率列表，如表1所示。國際電聯(lián)發(fā)布該提案不久，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于2015年10月21日發(fā)布了一條規(guī)則制定建議通知(NPRM)，推薦了28GHz、37GHz、39GHz和64-71GHz頻段的新靈活服務(wù)規(guī)則（如圖2所示）。

圖2. FCC提議用于移動通信的毫米波頻段。

盡管ITU、3GPP等標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將2020年定為對5G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義的最后期限，但移動運(yùn)營商正在加快5G服務(wù)的時間進(jìn)度。在美國，Verizon和AT＆T計劃在2017年對5G的早期版本進(jìn)行測試。韓國打算在2018年的冬奧會上進(jìn)行5G試驗(yàn)，而日本則想要在2020年的東京奧運(yùn)會上展示5G技術(shù)。經(jīng)過各方組織的努力和推動，目前最有可能用于5G的候選頻率包括：28GHz、39GHz和73GHz。

這三個頻段的提出有以下幾個原因。首先，60GHz的頻率由于氧吸收的原因會產(chǎn)生大約20dB/km的衰減，與60GHz不同的是，這些頻率的氧吸收率低得多。這使其有可能適用于長距離通信。這些頻率在多徑環(huán)境下也能可靠運(yùn)行，可用于非視距(NLoS)通信。通過將波束賦形和波束跟蹤與高度定向天線結(jié)合，毫米波可以提供可靠且非常安全的鏈路。紐約大學(xué)工程學(xué)院的Ted Rappaport博士和他的學(xué)生已經(jīng)開始了28GHz、39GHz和73GHz信道特性和潛在性能的研究。他們已經(jīng)發(fā)表了多篇關(guān)于傳播測量的論文以及這些頻率的可能服務(wù)中斷研究。這些頻率的數(shù)據(jù)和研究結(jié)合全球頻譜的可用性，使這三個頻率成為毫米波原型驗(yàn)證的起點(diǎn)。

服務(wù)供應(yīng)商都渴望獲得這些大量未分配的毫米波頻譜，他們是決定5G使用哪些頻率的關(guān)鍵力量。在日本，NTT DoCoMo與諾基亞、三星、愛立信、華為和富士通合作，對28GHz以及其它頻率進(jìn)行現(xiàn)場測試。2015年2月，三星進(jìn)行了信道測量，并證明了28GHz是蜂窩通信的一個可行頻率。這些測量驗(yàn)證了城市環(huán)境中的預(yù)期路徑衰減：非視距鏈路的路徑衰減指數(shù)是3.53。三星表示，該數(shù)據(jù)表明毫米波通信鏈路可以支持超過200米的距離。其研究還包括相控陣天線方面的工作。三星已經(jīng)開始對可能適合手機(jī)相控陣列的設(shè)計進(jìn)行特性分析。

2015年9月，Verizon公司宣布將在2016年與三星等重要合作伙伴開展現(xiàn)場試驗(yàn)。2015年11月，高通使用128根天線在28GHz頻率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，演示密集城市環(huán)境下的毫米波技術(shù)。它展示了定向波束賦形在非視距通信中的應(yīng)用。隨著FCC宣布28GHz可用于移動通信，預(yù)計美國將進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)。Verizon公司還與XO Communications簽訂了28GHz頻譜租賃協(xié)議，可在2018年年底前購買該頻譜。

但是請注意，28GHz頻帶并不包含在國際電聯(lián)的全球可行頻率列表中。它是否將成為5G毫米波應(yīng)用的長期頻率選擇仍有待確定。無論全球標(biāo)準(zhǔn)如何制定，美國、韓國、日本的頻譜可用性，以及美國服務(wù)提供商對早期現(xiàn)場試驗(yàn)的承諾有可能將28GHz引入到美國移動技術(shù)中。在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)最終確定5G標(biāo)準(zhǔn)之前，韓國希望在2018年冬奧會上展示5G技術(shù)的愿望也將會推動28GHz應(yīng)用到消費(fèi)產(chǎn)品中。事實(shí)上，該頻率并沒有因?yàn)椴辉趪H移動通信(IMT)頻譜名單上而被忽視，反而引起了FCC的注意。