方 箭，王 坦，黃 標(biāo)

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心 北京100037）

1 引言

2013 年12月4日，我國(guó)第四代移動(dòng)通信（4G）TD-LTE牌照發(fā)放，宣告世界上移動(dòng)通信用戶數(shù)量最龐大的國(guó)家全面進(jìn)入4G時(shí)代，而全球的4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)也上升到250多個(gè)[1]。與此同時(shí)，面向下一代移動(dòng)通信需求的第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)的研發(fā)也已在世界范圍內(nèi)如火如荼地展開(kāi)。在國(guó)際電信聯(lián)盟關(guān)于5G愿景研究的號(hào)召下[2]，歐盟、日本等陸續(xù)開(kāi)展相關(guān)工作[3]，我國(guó)也適時(shí)成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組[4]，從5G的需求、頻率、無(wú)線傳輸與組網(wǎng)技術(shù)、評(píng)估測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化及知識(shí)產(chǎn)權(quán)等各個(gè)方面，探究5G的宏偉藍(lán)圖。

業(yè)內(nèi)觀點(diǎn)普遍認(rèn)為，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)滲透到人們生活的方方面面，無(wú)線數(shù)據(jù)流量將持續(xù)快速增長(zhǎng)，整個(gè)社會(huì)對(duì)信息通信的需求水平將不斷提升，5G相比4G將實(shí)現(xiàn)單位面積移動(dòng)數(shù)據(jù)流量1 000倍增長(zhǎng)[5]。海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，不僅依賴(lài)于各項(xiàng)無(wú)線傳輸與組網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)，還需要更多的頻譜資源予以支撐。

當(dāng)前，《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》在9 kHz～275 GHz頻段范圍對(duì)42種無(wú)線電業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分[6]，無(wú)線通信系統(tǒng)主要?dú)w為移動(dòng)業(yè)務(wù)。主流無(wú)線通信系統(tǒng)（包括2G、3G、4G以及無(wú)線局域網(wǎng)等）一般使用6 GHz以下的VHF/UHF頻段，例如，蜂窩移動(dòng)通信工作在800 MHz、900 MHz、2 GHz等頻段附近，而無(wú)線局域網(wǎng)工作在2.4 GHz、5 GHz等頻段附近，主要有下述兩方面原因。其一，早期的無(wú)線接入主要提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)和短消息數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，VHF/UHF頻段能保證足夠的頻譜資源；其二，對(duì)于天線尺寸大小、射頻器件實(shí)現(xiàn)難易等，VHF/UHF頻段更加合適。

現(xiàn)階段，低頻段已經(jīng)很難找到連續(xù)可用的寬帶頻譜資源，近些年，基于CMOS工藝的集成電路的快速發(fā)展，使得原本昂貴的毫米波無(wú)線通信設(shè)備將從小批量的專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)快速轉(zhuǎn)向并應(yīng)用于大規(guī)模量產(chǎn)的民用無(wú)線通信市場(chǎng)。因此，在5G大帶寬、高數(shù)據(jù)速率的需求下，尋求高頻段潛在可用頻譜資源成為解決頻譜需求瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵手段之一，而高頻段無(wú)線通信也已被視為5G研究最重要的方向之一[7]。

2 頻譜需求預(yù)測(cè)

為積極應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信數(shù)據(jù)流量的快速增長(zhǎng)，ITU確定在WRC-15大會(huì)上考慮為寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)增加頻率劃分，設(shè)立1.1議題以滿足移動(dòng)寬帶的未來(lái)需求。1.1議題的核心工作就是預(yù)測(cè)未來(lái)的頻譜需求，并尋求未來(lái)的潛在可用資源。為此，ITU-R WP 5D工作組對(duì)世界范圍內(nèi)的頻譜需求進(jìn)行測(cè)算，而中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)家也根據(jù)本國(guó)情況開(kāi)展了相關(guān)工作，具體情況見(jiàn)表1[8]。雖然各國(guó)移動(dòng)通信發(fā)展所處階段、人口分布、預(yù)測(cè)建模方法等存在差異，但預(yù)測(cè)2020年的頻譜需求均為1.5 GHz帶寬左右。

表1 未來(lái)IMT頻譜需求預(yù)測(cè)情況

對(duì)于以無(wú)線局域網(wǎng)為代表的寬帶無(wú)線接入的頻率需求預(yù)測(cè)，ITU-R WP 5A工作組也開(kāi)展了測(cè)算工作，具體見(jiàn)表2[9]。

表2 未來(lái)寬帶無(wú)線接入頻譜需求預(yù)測(cè)情況

雖然ITU-R已規(guī)劃了約1.2 GHz帶寬的頻譜用于IMT系統(tǒng)，但考慮到劃分和規(guī)劃的區(qū)域特性，各國(guó)實(shí)際的規(guī)劃值遠(yuǎn)小于該值，為滿足未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)覆蓋、性能、容量的不同需求，集中在6 GHz以下尋求更多的潛在資源。

考慮到5G商用可能面向2025年或更加長(zhǎng)遠(yuǎn)，屆時(shí)，新的業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)將導(dǎo)致頻譜需求缺口繼續(xù)擴(kuò)大；另外，要求高傳輸速率和實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)量的傳輸服務(wù)多發(fā)生在密集城區(qū)small cell場(chǎng)景下，M2M等服務(wù)應(yīng)用也將廣泛分布于短距離傳播的區(qū)域內(nèi)；而高頻段的傳播特性決定了它在熱點(diǎn)場(chǎng)景下具有大容量接入的特點(diǎn)。因此，采用6 GHz以上高頻段解決大容量需求問(wèn)題必將是大勢(shì)所趨。

3 全球高頻段無(wú)線通信發(fā)展情況

傳統(tǒng)而言，高頻段往往用于大功率系統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線傳輸，如衛(wèi)星通信、微波通信系統(tǒng)。近些年，業(yè)界逐漸開(kāi)展了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線通信相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。

國(guó)際上，在寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)方面，60 GHz頻段是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)，其主要用于短距離、高速率的傳輸，傳輸距離通常在10 m以內(nèi)，采用TDD工作模式，具體工作頻段為56～66 GHz，與此相關(guān)的主要是以下3個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：ECMA 387標(biāo)準(zhǔn)、IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad，另外，IEEE已經(jīng)成立IEEE 802.11aj工作組，制定針對(duì)中國(guó)60 GHz和45 GHz頻段的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

在頻率規(guī)劃和分配方面，早在2001年，美國(guó)FCC以非授權(quán)方式為無(wú)線通信分配了一段7 GHz（57～64 GHz）的連續(xù)頻譜[10]；在歐洲，ECC以非授權(quán)方式規(guī)劃了連續(xù)9 GHz（57～66 GHz）的連續(xù)頻譜，將62～63 GHz和65～66 GHz兩個(gè)頻段分配給移動(dòng)寬帶系統(tǒng)，將59～62 GHz頻段分配給無(wú)線局域網(wǎng)[11]；日本、澳大利亞也在此頻段開(kāi)展了相關(guān)規(guī)劃，具體如圖1所示。

圖1 國(guó)際60 GHz頻段分配情況

在公眾移動(dòng)通信方面，歐盟正式啟動(dòng)METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty(2020)Information Society）項(xiàng)目[3]，開(kāi)始進(jìn)行5G研發(fā)，高頻段通信也是其關(guān)注重點(diǎn)之一。以三星公司為代表的韓國(guó)，針對(duì)6 GHz以上頻段，特別是13.4～14 GHz、18.1～18.6 GHz、27.0～29.5 GHz、38.0～39.5 GHz，進(jìn)行了大量研究與測(cè)試，在28 GHz高頻段上，利用64根天線，采用自適應(yīng)波束成形技術(shù)，在200 m的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)1 Gbit/s的峰值下載速率[12]；NTT DoCoMo、愛(ài)立信等公司也開(kāi)展高頻段通信研究工作。

在 國(guó) 內(nèi)，LTE-Hi（LTE hotspot/indoor）作 為L(zhǎng)TE小 基 站滿足熱點(diǎn)及室內(nèi)覆蓋需求的技術(shù)，具有小覆蓋、密集組網(wǎng)、低功耗、低成本等特點(diǎn)[13]。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織、國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)等均開(kāi)展相關(guān)研究，并已經(jīng)正式在3GPP R12標(biāo)準(zhǔn)化工作中立項(xiàng)。相比傳統(tǒng)的公眾移動(dòng)通信，LTE-Hi使用更高的頻率，目標(biāo)頻段主要在3.4～3.8 GHz。而在更高頻段，國(guó)內(nèi)設(shè)立“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“高頻段無(wú)線通信基礎(chǔ)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)與示范系統(tǒng)”、“973”計(jì)劃“硅基毫米波亞毫米波集成電路與系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究”等，研究高頻段通信的關(guān)鍵技術(shù)、器件實(shí)現(xiàn)、原型系統(tǒng)，為未來(lái)提供技術(shù)基礎(chǔ)。另外，國(guó)內(nèi)IMT-2020（5G）推進(jìn)組正在研究高頻段關(guān)鍵技術(shù)、潛在候選頻段等。在無(wú)線通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃方面，2006年，將59～64 GHz頻段規(guī)劃用于無(wú)線微功率（短距離）無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用；2013年，我國(guó)率先將40～50 GHz頻段規(guī)劃用于寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)。

4 高頻段特性

分析高頻段特性是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高頻段寬帶無(wú)線通信的基礎(chǔ)，而對(duì)傳播特性的認(rèn)知?jiǎng)t是關(guān)鍵。對(duì)于高頻段傳播特性，可以從兩方面描述：自由空間損耗和附加損耗[14]。對(duì)于自由空間損耗而言，路徑損耗與頻率變化呈平方的關(guān)系，在較短距離內(nèi)會(huì)產(chǎn)生極大的損耗，如60 GHz相對(duì)于5 GHz高出至少20 dB；附加損耗一般包括大氣氣態(tài)損失、雨衰、樹(shù)葉堵塞、散射、繞射等。大氣氣態(tài)損耗一般是在電磁波通過(guò)大氣時(shí)，由水、氧氣等分子吸收造成的，具體損耗值與這些氣體的諧振頻率相關(guān)，通常水蒸汽的第一吸收峰值（吸收最強(qiáng)處）是22.3 GHz，氧氣在60 GHz左右，典型的大氣吸收衰減曲線如圖2所示[15]；雨衰則是電波在雨中傳播時(shí)由于雨點(diǎn)吸收和散射而產(chǎn)生的衰減，在1～50 GHz頻帶內(nèi)，降雨衰減與降雨強(qiáng)度成正比；樹(shù)木阻擋的衰減量取決于樹(shù)葉和枝干的濃密度以及電波穿過(guò)樹(shù)冠的路徑長(zhǎng)度；另外，隨著頻率增加，波長(zhǎng)變短，反射表面更加粗糙，導(dǎo)致漫反射更多，而電磁波頻率越高，波長(zhǎng)越短，受建筑物陰影的衰落越大?？傮w來(lái)說(shuō)，高頻段的傳播特性較為復(fù)雜，是多種因素共同決定的。

圖2 平均大氣吸收特性

基于高頻段的傳播特性分析，其特點(diǎn)總結(jié)如下：

·適用于短距離通信，傳播損耗較大；

·可利用的頻譜范圍寬，1%的相對(duì)帶寬可以提供數(shù)百兆乃至吉比特可用帶寬；

·安全性高，傳輸路徑損耗大，墻壁等障礙物的衰減很大；

·抗干擾性好，傳播損耗較大且方向性強(qiáng)；

·頻率復(fù)用性高，在較小區(qū)域內(nèi)存在大量的微小區(qū)，可高度復(fù)用；

·元器件的尺寸小，高頻段波長(zhǎng)較?。?/p>

·器件加工精度要求高，成熟CMOS集成電路技術(shù)；

·收發(fā)系統(tǒng)頻偏較大，由于環(huán)境變化引起的多普勒頻率擴(kuò)展以及射頻本振誤差造成的頻率偏差和相位噪聲也會(huì)隨著工作頻率的增加而線性增加。

5 高頻段無(wú)線通信面臨的挑戰(zhàn)

在無(wú)線通信系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)方面，由于高頻段所具備的諸多特性，在低頻段適用的關(guān)鍵技術(shù)或?qū)㈦y以直接應(yīng)用。如何既充分利用高頻段的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服其缺點(diǎn)，相關(guān)工作面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本節(jié)從頻段選擇、傳輸技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)以及射頻技術(shù)等方面進(jìn)行分析。

（1）頻段選擇方面

隨著我國(guó)工業(yè)化和信息化融合的不斷加深，頻譜供需矛盾日益凸顯，為移動(dòng)通信尋找可用頻段的難度也在持續(xù)加大。雖然6～275 GHz頻段有充足的移動(dòng)業(yè)務(wù)頻率資源儲(chǔ)備，但選擇出合適的頻段仍需統(tǒng)籌規(guī)劃，以充分滿足各行業(yè)無(wú)線電業(yè)務(wù)的頻率需求。對(duì)于將高頻段用于移動(dòng)通信，需要考慮以下因素。

·合法性：要確保所選頻段為《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》中已劃分（或以腳注形式標(biāo)注）給移動(dòng)業(yè)務(wù)的頻段。

·安全性：我國(guó)高頻段目前多以主要業(yè)務(wù)劃分給固定業(yè)務(wù)、無(wú)線定位業(yè)務(wù)、無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)以及衛(wèi)星固定、衛(wèi)星廣播等空間業(yè)務(wù)。在使用中，存在數(shù)字微波接力系統(tǒng)、航海及空中管制等雷達(dá)系統(tǒng)或衛(wèi)星通信等重要系統(tǒng)，移動(dòng)通信選擇新頻率需要充分考慮系統(tǒng)間的電磁兼容問(wèn)題，以確保對(duì)其他系統(tǒng)的保護(hù)和移動(dòng)通信自身系統(tǒng)的抗干擾能力。

·有效性：結(jié)合高頻段的傳播特性，選擇適合的頻段確保系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)。

·連續(xù)性：高頻段的一大優(yōu)勢(shì)是具備連續(xù)的大寬帶頻譜資源，以此可確保系統(tǒng)獲得更高的效率。

·實(shí)現(xiàn)性：頻段選擇需要充分結(jié)合產(chǎn)業(yè)硬件制造能力，確保系統(tǒng)、終端、儀表等的可實(shí)現(xiàn)性。

因此，在高頻段為移動(dòng)通信遴選可用頻段，需要進(jìn)行大量的論證與支撐工作。

（2）無(wú)線傳輸技術(shù)方面

高頻段通信既提供了優(yōu)勢(shì)，也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。例如，對(duì)于作為4G核心傳輸技術(shù)之一的多入多出（MIMO）技術(shù)，小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益將為未來(lái)大規(guī)模MIMO（massive MIMO）技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造得天獨(dú)厚的條件，可以極大地提升頻譜效率；同時(shí)，利用自適應(yīng)波束成形技術(shù)可以彌補(bǔ)高頻段的路徑損耗，增加期望用戶增益，抑制干擾用戶。此外，高頻段通信還將為其他5G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)造條件，如無(wú)需借助基站的幫助即可實(shí)現(xiàn)終端間直接通信的終端直通（D2D）技術(shù)。在高頻段支撐下，D2D技術(shù)尤其適合于終端間的短距離直接通信，實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延、低功耗，且通過(guò)廣泛分布的終端，還能夠加強(qiáng)頻率資源的復(fù)用性。

然而，對(duì)于4G的另一核心技術(shù)——正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，在高頻段中，其發(fā)送功率峰均比和對(duì)頻偏敏感的缺點(diǎn)將會(huì)被顯著放大，且在功放設(shè)計(jì)、頻偏補(bǔ)償?shù)确矫嬉泊嬖跇O大挑戰(zhàn)，這些內(nèi)容仍有待進(jìn)一步研究。

（3）組網(wǎng)技術(shù)方面

未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)正朝著密集化、混合化、扁平化、異構(gòu)融合化等方向演進(jìn)，使用高頻段組網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的有效手段，具體介紹如下。

·密集化。隨著各種智能終端的普及，未來(lái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)，這使得超密集網(wǎng)絡(luò)成為實(shí)現(xiàn)未來(lái)5G的1 000倍流量需求的主要手段之一。超密集網(wǎng)絡(luò)需配合高頻段、大帶寬，才能充分發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)部署靈活和頻率復(fù)用高效的特點(diǎn)。

·混合化。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)必將是低頻側(cè)重覆蓋、中高頻側(cè)重性能和容量的混合組網(wǎng)，高頻段在混合組網(wǎng)的資源分布格局中扮演著重要作用。

·扁平化。無(wú)線接入網(wǎng)逐漸向扁平化架構(gòu)發(fā)展，扁平化能夠減小系統(tǒng)時(shí)延、降低建網(wǎng)成本和維護(hù)成本，但對(duì)骨干網(wǎng)接入能力提出了更高的要求。微波回傳鏈路是實(shí)現(xiàn)基站間互聯(lián)互通、接入骨干網(wǎng)以及實(shí)現(xiàn)扁平化的重要措施，高頻段通信將為微波回傳鏈路提供更好的解決方案。

·異構(gòu)融合化。以LTE為代表的多制式蜂窩網(wǎng)和以WLAN為代表的寬帶無(wú)線接入網(wǎng)將會(huì)持續(xù)共存并相互融合與補(bǔ)充，未來(lái)多頻、多模、多標(biāo)準(zhǔn)的異構(gòu)組網(wǎng)給無(wú)線資源管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。如何通過(guò)高頻段使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存、互補(bǔ)，并逐步實(shí)現(xiàn)融合轉(zhuǎn)化，有待進(jìn)一步研究。

（4）射頻技術(shù)方面

高穩(wěn)定低相噪鎖相頻率綜合器、寬帶電調(diào)振蕩器、低噪聲放大器、高線性功放、高性能濾波器、低插損高隔離射頻開(kāi)關(guān)、低損耗高隔離雙工器、多天線和多通道射頻收發(fā)技術(shù)以及適合高頻段的電磁兼容技術(shù)，射頻功能器件的集成和模塊化技術(shù)等都將給產(chǎn)業(yè)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

從未來(lái)頻譜需求預(yù)測(cè)出發(fā)，指出高頻段必將是未來(lái)5G通信的重要組成部分，分析全球高頻段寬帶通信的發(fā)展?fàn)顩r，基于高頻段特性分析所面臨的挑戰(zhàn)，為未來(lái)發(fā)展提供思考。為推進(jìn)國(guó)內(nèi)高頻段無(wú)線通信的發(fā)展，需要管理部門(mén)、標(biāo)準(zhǔn)化組織、運(yùn)營(yíng)企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)共同努力，從而在5G發(fā)展中占得先機(jī)。

1 Global Mobile Suppliers Association.GSA Confirms over 250 LTE Networks Now Launched,Dec 2013

2 ITU-R Study Group 5 Circular Letter 5/LCCE/24.Regional Workshops on IMT for the Next Decade,Jan 2011

3 Osseiran A,Braun V,Hidekazu T,et al.The Foundation of the Mobile and Wireless Communications System for 2020 and Beyond Challenges,Enablers and Technology Solutions.VTC Spring 2013,Jun 2013

4 苗圩出席IMT-2020(5G)推進(jìn)組第一次會(huì)議.http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11294447/n13941444/153 65212.html,2013

5 大唐無(wú)線移動(dòng)創(chuàng)新中心.演進(jìn)、融合與創(chuàng)新.5G白皮書(shū),2013

6 中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定,2014

7 Rappaport T S.Millimeter Wave Cellular a Road to 5G,2013

8 ITU-R Study Group 5.Future Spectrum Requirements Estimate for Terrestrial IMT,2013

9 ITU-R WP 5A.Reply Liaison Statement on Spectrum Requirements forTerrestrialMobileBroadband(ExcludingIMT)Related to WRC-15 Agenda Item 1.1,2013

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11 ETSI DTR/ERM-RM-049.Electromagnetic Compatibility and Radio Spectrum Matters(ERM);System Reference Document;Technical Characteristics of Multiple Gigabit Wireless Systems in the 60 GHz Range,Mar 2006

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14 Huang K C.Millimeter Wave Communication Systems.Wiley,2011

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