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帶寬的重要意義:5G頻譜

發(fā)布時間:2023-11-21 來源:Qorvo 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】所謂 “頻譜”,是指特定類型的無線通信所在的射頻范圍。不同的無線技術(shù)使用不同的頻譜,因此互不干擾。由于一項(xiàng)技術(shù)的頻譜是有限的,因此頻譜空間存在大量競爭,并且人們也在不斷開發(fā)和增強(qiáng)全新的、高效率的頻譜使用方式。


本文將介紹5G通信使用的第3代合作伙伴計(jì)劃組織(3GPP)全球頻譜。


介紹5G 3GPP全球頻譜


頻帶的帶寬越多,接收數(shù)據(jù)的量越大、速度越快。帶寬越多,下載大文件的用時越少。因此,移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在盡一切可能,重構(gòu)、獲取或共享頻譜資源。


所謂“頻譜重構(gòu)”,是一種將一個現(xiàn)有應(yīng)用所使用的頻譜轉(zhuǎn)移到新應(yīng)用的方法(例如:2010年,移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將2G應(yīng)用使用的頻譜直接轉(zhuǎn)移到4G LTE應(yīng)用)。


在釋放頻譜資源上,盡管監(jiān)管機(jī)構(gòu)已有長足進(jìn)步,但仍需采取其他措施。為適應(yīng)5G通信的眾多用例和性能需求,必須在所有頻率范圍都提供頻譜資源。另外,承運(yùn)商為支持5G需要增加容量,由于帶寬是提高數(shù)據(jù)率的關(guān)鍵,因此運(yùn)營商必須取得更多寬帶。


3GPP為全球各個地區(qū)分配國際移動電信(IMT)頻帶。3GPP是一個由移動系統(tǒng)制造商組成的集體性項(xiàng)目合作伙伴組織。過去幾年,3GPP通過重構(gòu)和清理數(shù)字電視等現(xiàn)有服務(wù),穩(wěn)步增加新的時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)3G和4G頻帶。


甚至在5G到來之前,4G LTE就已在許多方面完善了頻譜效率。隨著高位調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步,例如:64和256正交波幅調(diào)制技術(shù)(QAM),以及多入多出(MIMO)和波束賦形技術(shù)的推出,每秒峰值數(shù)據(jù)率被推升至2吉比特。另外,LTE載波聚合技術(shù)也為移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商新增一個提高帶寬的選項(xiàng),即:將多個20MHz帶寬的頻率載波合并,提供最高140MHz的可用頻譜。在美國,當(dāng)非特許LAA和CBRS頻譜與7分量載波(CC)聚合時,可實(shí)現(xiàn)140MHz的聚合帶寬。5G更進(jìn)一步,允許進(jìn)一步加大分量載波帶寬。在7GHz以下的FR1頻段,能夠?qū)崿F(xiàn)100MHz帶寬;對于FR2頻段毫米波,則可實(shí)現(xiàn)400MHz的帶寬。如果個體移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商擁有足夠的頻譜許可證,5G在FR2頻段能夠聚合達(dá)到800MHz的帶寬。


5G頻譜目前劃分為兩個頻段:


●  7GHz以下頻段(FR1)

●  毫米波頻段(FR2)


圖3-1所示為世界各國被分配的7GHz以下頻譜。


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圖3-1:全球5G 7GHz以下頻帶使用情況,藍(lán)色為特許頻譜,灰色為非特許/共享頻譜


在6GHz以上,更容易在毫米波頻帶找到100MHz或以上的連續(xù)帶寬。這種帶寬通常集中在24GHz、28GHz、39GHz直至80GHz ,5G允許的FR2信道帶寬最高可達(dá)400MHz。


圖3-2所示為全球現(xiàn)有毫米波頻帶的可用情況。雖然6GHz以上的頻譜資源更多,但這些頻率的傳播條件更為復(fù)雜,往往需要基站與設(shè)備之間滿足視距條件。另外,毫米波還需要高度方向性波束賦形和大規(guī)模MIMO天線,以便實(shí)時跟蹤用戶。


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圖3-2:全球5G毫米波頻帶使用情況,藍(lán)色為特許頻譜


認(rèn)識頻譜


5G的部署將是在當(dāng)前頻譜資產(chǎn)基礎(chǔ)上的演進(jìn)。根據(jù)頻帶的不同,技術(shù)性能也不同。對某些用例而言,有些頻帶會比其他頻帶更適合。


您可以主要通過兩種方式來考慮5G:頻帶的分配和頻帶的特許(無論是非特許頻帶、特許頻帶,還是共享頻帶)。


01 5G頻帶


5G頻帶分為三個明確類別:


●  低頻:410MHz至1GHz。

        ○ 容量有限,但覆蓋面積大,室內(nèi)穿透率強(qiáng)。

        ○ 峰值數(shù)據(jù)率最高約為200Mbps。

●  中頻:1GHz至7GHz。

        ○ 適合城鎮(zhèn)部署,增加容量。

        ○ 峰值數(shù)據(jù)率最高約為2Gbps。

●  高頻:24GHz至100GHz(毫米波)。

       ○ 覆蓋面積有限,但可能達(dá)到極高容量。

       ○ 峰值數(shù)據(jù)率最高約為10Gbps。


隨著運(yùn)營商和原始設(shè)備制造商不斷完善毫米波技術(shù),7GHz以下頻率技術(shù)將在不久的將來成為首選5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。7GHz以下頻率技術(shù)能夠長距離遞送高數(shù)據(jù)率,因此不僅適合農(nóng)村地區(qū),也適合城鎮(zhèn)地區(qū)。


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圖3-3:LTE-Advanced Pro與5G NR生態(tài)系統(tǒng)


毫米波等高頻率頻帶最適合增強(qiáng)型移動寬帶(eMBB)所需的短距離、低延時、超高容量傳輸。不過,我們在上文提到,這些高頻率頻帶傳輸距離短,更容易因?yàn)樘鞖饣蛭矬w原因而產(chǎn)生信號損耗,并且室內(nèi)穿透率有限。這種毫米波蜂窩站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)就像4G的小型蜂窩,因?yàn)槎邠碛邢嗨频念l率范圍和覆蓋率。


中頻頻譜平衡了多項(xiàng)能力,在城鎮(zhèn)和郊區(qū)環(huán)境下能夠補(bǔ)充毫米波。中頻頻譜的傳輸距離更遠(yuǎn)、傳播特性更好, 因此除了人口稠密地區(qū),中頻頻譜還能在其他地區(qū)提供5G。另外,中頻部署還有一個優(yōu)勢:運(yùn)營商能夠?qū)⒅蓄l能力添加到現(xiàn)有的4G蜂窩站區(qū)域,從而減少了在建筑物頂部或周 邊購買或租用空間產(chǎn)生的額外支出。


2GHz以下的低頻提供優(yōu)秀的覆蓋率和移動性。對于低頻用戶,可以使用載波聚合技術(shù)擴(kuò)大帶寬。低頻非常適合互動通信和大規(guī)模機(jī)械類通信 (mMTC)。低頻頻譜也很適合室內(nèi)穿透。


02 頻譜特許


下面,我們來看以下三種頻譜分配方法:


●  非特許頻譜:LTE-U、LAA、eLAA、Wi-Fi、藍(lán)牙、C-V2X、DSRC、CBRS

●  特許頻譜:拍賣的已清理頻譜

●  共享頻譜:需要授權(quán)才能共享接入的頻譜


可用的非特許頻譜數(shù)量很大,遠(yuǎn)超特許頻譜。目前,非特許頻譜主要被用于Wi-Fi、點(diǎn)對點(diǎn)通信、傳送或回傳、讀表及自動化。另外,國際上的非特許頻譜還被預(yù)留給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療應(yīng)用。全世界的特許頻譜都由原產(chǎn)國進(jìn)行管理和管制;例如,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)管理著美國的頻譜。


非特許頻譜的頻帶通常是共享頻帶。但是,為確保共享秩序,非特許頻譜的使用存在一定限制。所有非特許頻譜的用戶都必須遵守相關(guān)規(guī)范,這些規(guī)范限制了允許的傳輸功率、輻射方向圖、工作周期及接入程序,并確保在服務(wù)全體用戶的同時減少干擾。共享5GHz非特許頻帶的LAA和Wi-Fi就是其中一個例子。


03 動態(tài)頻譜共享


頻譜共享是向5G SA遷移過程中的一個重要組成部分。動態(tài)頻譜共享技術(shù)是促使移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商快速啟用5G的“催化劑”。有了動態(tài)頻譜共享技術(shù),承運(yùn)商能夠在當(dāng)前4G LTE使用的頻帶內(nèi)啟用5G。動態(tài)頻譜技術(shù)讓現(xiàn)有的LTE運(yùn)營商能夠同時運(yùn)營5G NR和LTE。有了動態(tài)頻譜共享技術(shù),運(yùn)營商不必為4G LTE或5G分割頻譜,而是可以在這兩種技術(shù)之間共享頻譜。這讓運(yùn)營商能夠智能化地、靈活地、快速地在現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)推出和增加5G。動態(tài)頻譜共享技術(shù)讓5G和4G LTE能夠同時在同一頻帶運(yùn)行,它是一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)。



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