楊樂(lè)

【摘 要】5G的頻譜分配比以往各代移動(dòng)通信系統(tǒng)都更為復(fù)雜，由此導(dǎo)致的頻帶定義及基礎(chǔ)性的信道關(guān)鍵參數(shù)定義比以往的系統(tǒng)也更為復(fù)雜，因此針對(duì)全球主要國(guó)家和地區(qū)的5G頻譜分配方案，介紹了5G新無(wú)線接入技術(shù)中3.5 GHz、4.5 GHz等幾個(gè)關(guān)鍵頻段上的頻帶劃分方案和5G信道帶寬設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)方案，并給出了合理的建議。

【關(guān)鍵詞】5G無(wú)線接入 頻帶 信道帶寬

【關(guān)鍵詞】中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2017）19-0071-05

Design of Key Parameters of Frequency Band and Channel for 5G New Radio Access Technology

YANG Le

[Abstract] The 5G spectrum allocation is more complex than previous generations of mobile communication systems. This leads to that the definition of frequency band and the definition of fundamentally key channel parameters are more complex than previous systems. Therefore， 5G spectrum allocation schemes in main countries and regions all over the world were introduced. The frequency band division scheme for several key bands at 3.5 GHz and 4.5 GHz in new 5G radio access technology and the key parameter scheme in the 5G channel bandwidth design were addressed with the feasible proposal.

[Key words]5G radio access frequency band channel bandwidth

1 引言

國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP已經(jīng)明確，第五代無(wú)線通信系統(tǒng)將采取在原有4G技術(shù)持續(xù)演進(jìn)和引入新的無(wú)線接入技術(shù)相結(jié)合的策略，以實(shí)現(xiàn)既可以兼容現(xiàn)有系統(tǒng)平滑過(guò)渡，又可以以全新技術(shù)滿足新應(yīng)用場(chǎng)景、新需求的目標(biāo)。在這種背景下，3GPP決定開(kāi)展新的無(wú)線接入技術(shù)的研究工作，其中定義合適的頻帶是該新無(wú)線接入研究課題的重要議題之一，也是整個(gè)研究的工作基礎(chǔ)。

NR（New Radio Access Technology，新無(wú)線接入技術(shù)）是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的核心組成部分。對(duì)各個(gè)國(guó)家分配的5G頻段進(jìn)行劃分，定義形成工作頻帶是新無(wú)線接入技術(shù)研究的核心問(wèn)題之一。頻帶劃分將直接影響RF器件設(shè)計(jì)、基帶處理等核心方案，必須在進(jìn)行空口技術(shù)研究之前先行研究。全球各個(gè)國(guó)家地區(qū)的5G頻譜分配方案各不相同，3GPP NR基于各個(gè)國(guó)家地區(qū)的頻譜分配結(jié)果，研究能夠有效支撐各國(guó)頻譜的優(yōu)化方案。本文將介紹工作頻帶定義及信道帶寬等幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方案，并給出合理的建議。

2 5G中頻段的頻譜分配

5G分為eMBB、URLLC和mMTC三大應(yīng)用場(chǎng)景，與前幾代無(wú)線通信系統(tǒng)不同，其應(yīng)用與部署場(chǎng)景更加廣泛，對(duì)無(wú)線頻段的需求也不盡相同。

總而言之，5G頻譜可粗略的分為三大范圍：低頻段低于3 GHz；中頻段為3 GHz到6 GHz；高頻段大于6 GHz。

其中，低頻段具備良好的無(wú)線傳播特性，用于廣覆蓋，但帶寬有限；中頻段通常部署于城區(qū)，以提升網(wǎng)絡(luò)容量；高頻段覆蓋范圍較小，但帶寬富余。不同頻段范圍具有不同的特性，任何一個(gè)頻段范圍都不能滿足5G的全部需求。上述低、中、高三個(gè)頻段，低頻段是前幾代無(wú)線通信系統(tǒng)中廣泛使用的頻段，頻帶劃分及設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，基本繼承下來(lái)即可；高頻段的應(yīng)用場(chǎng)景較為局限；中頻段兼顧覆蓋和容量，是廣域覆蓋的核心頻段，也是本文討論的重點(diǎn)。

一直以來(lái)，全球范圍的無(wú)線資源的頻譜分配都是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，本質(zhì)上都是在技術(shù)基礎(chǔ)上各國(guó)政治和產(chǎn)業(yè)政策的博弈。全球不同國(guó)家、地區(qū)對(duì)5G中頻段的頻譜分配，主要包括3.5 GHz頻段和4.5 GHz頻段，雖然范圍大致相同，但在具體的起止頻率方面，仍在存在很多細(xì)節(jié)性差異，以下進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

2.1 3.5 GHz頻段

全球主要國(guó)家和地區(qū)為3.5 GHz頻段分配的頻譜方案如表1所示：

由表1可以看出：在全球范圍，整個(gè)3.5 GHz頻段的頻率范圍基本為3.3 GHz—4.2 GHz。各個(gè)國(guó)家相差不大，其中日本為5G分配的頻譜資源是最豐富的，達(dá)到了800 MHz，美國(guó)最少，只有200 MHz。3.3 GHz—3.8 GHz可以覆蓋除日本以外其他所有地區(qū)。

2.2 4.5 GHz頻段

除了3.5 GHz以外，中國(guó)和日本還在4.5 GHz附近為5G分配了頻段，如表2所示。其中，日本分配連續(xù)頻譜，中國(guó)分配兩段不連續(xù)頻譜。

3 頻帶設(shè)計(jì)方案

頻帶設(shè)計(jì)需要兼顧主要國(guó)家、地區(qū)的頻譜分配，同時(shí)還要考慮實(shí)際射頻器件、基帶處理的技術(shù)復(fù)雜度，以下結(jié)合中頻段3.5 GHz、4.5 GHz的頻譜分配方案，討論如何合理設(shè)計(jì)3GPP NR的頻帶。

首先分析3.5 GHz頻段。由于3.3 GHz—4.2 GHz頻譜較寬，將整個(gè)頻率范圍定義為一個(gè)頻帶，將可能會(huì)對(duì)終端功率放大器和濾波器的設(shè)計(jì)帶來(lái)較大困難。一般情況下，功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)BWR（Bandwidth Ratio，帶寬比）的設(shè)計(jì)可以通過(guò)下面的經(jīng)驗(yàn)公式近似衡量：endprint

當(dāng)BWR>15%時(shí)，會(huì)對(duì)終端功率放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)比較大的困難。如果以一個(gè)功率放大器覆蓋3.3 GHz—4.2 GHz整個(gè)頻段的話，BWR達(dá)到24.2%。因此實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度比較大，即使可以實(shí)現(xiàn)，也必然會(huì)增加器件成本，同時(shí)可能帶來(lái)性能穩(wěn)定性、可靠性等不確定問(wèn)題?？紤]到大多數(shù)地區(qū)的頻譜范圍為3.3 GHz—3.8 GHz，因此可以形成了以下兩個(gè)頻帶定義方案：

（1）定義兩個(gè)不同的頻帶，頻率范圍分別為：Band X：3.3 GHz—3.8 GHz；Band Y：3.6 GHz—4.2 GHz。并且要求支持Band X也必須支持Band Y。

（2）定義一個(gè)單獨(dú)的Band Z：3.3 GHz—4.2 GHz，如圖1所示。

上面兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

由于方案1限制了3.6 GHz—3.8 GHz范圍內(nèi)可以使用的頻譜只有200 MHz，如果要支持>200 MHz，載波中心頻點(diǎn)必須有所限制以保證整個(gè)載波帶寬在Band X或者Band Y內(nèi)。因此，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以改進(jìn)設(shè)計(jì)，形成方案3：即定義兩個(gè)頻帶，一個(gè)是Band X，一個(gè)是Band Z。至此有以下3個(gè)選項(xiàng)：

（1）選項(xiàng)1：Band X+Band Y；

（2）選項(xiàng)2：Band Z；

（3）選項(xiàng)3：Band X+Band Z。

在這種方案下，兼顧考慮UE的架構(gòu)，終端等級(jí)、共存和干擾協(xié)調(diào)等因素，可以靈活地定義終端能力規(guī)范。

4.5 GHz整個(gè)頻率范圍為4.4 GHz—4.99 GHz，頻譜的寬度為：0.59 GHz。按照BWR的經(jīng)驗(yàn)公式，可知該頻率范圍對(duì)應(yīng)的BWR=12.6%，小于15%，因此可采用單個(gè)功放或者濾波器覆蓋整個(gè)頻段。因此，該頻段定義一個(gè)頻帶是一個(gè)簡(jiǎn)單明了的選擇。

4 NR信道、帶寬關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

在5G NR的信道帶寬設(shè)計(jì)討論中，期望5G相對(duì)于LTE有更多的靈活性，所以設(shè)定的需求包括：

（1）子載波定義：能夠支持不同的探測(cè)參考信號(hào)要求；

（2）最大帶寬：能夠支持更大的信道帶寬；

（3）最小帶寬：能夠支持的最小的信道帶寬；

（4）靈活的信道帶寬配置：能夠適應(yīng)運(yùn)營(yíng)商的頻譜塊大小，考慮引入信道帶寬的可行性。粒度可以RB（Radio Bearer）為單位；

（5）上下行支持信道帶寬不對(duì)稱。

4.1 子載波間隔

在LTE規(guī)范中，子載波間隔是固定的15 kHz。但是在5G新無(wú)線接入技術(shù)中，由于支持更多的頻帶、更多的信道帶寬配置，因此希望定義多個(gè)子載波間隔方案來(lái)滿足需求。在定義子載波帶寬時(shí)候，需要考慮以下因素：

（1）相位噪聲影響

相位噪聲的存在，將會(huì)在子載波之間引入干擾。由于本征信號(hào)存在相位噪聲，其信號(hào)為非單頻信號(hào)，OFDM信號(hào)與該信號(hào)混頻后的信號(hào)如圖2所示：

子載波之間由于相位噪聲造成拖尾現(xiàn)象，相鄰載波的信號(hào)互相造成干擾，相位噪聲越大，該拖尾現(xiàn)象越嚴(yán)重，從而形成子載波間的干擾。在低頻段（<6 GHz），相位噪聲可以做到比較小，因此15 kHz的信道間隔也不會(huì)造成嚴(yán)重的載波間干擾，但在毫米波頻段，有研究成果表明：

1）當(dāng)f0增加一倍時(shí)，相位噪聲增加6 dB；

2）相位噪聲與信號(hào)強(qiáng)度成反比；

3）相位噪聲與振蕩器品質(zhì)因子Q成反比。

從上可以看出，隨著工作頻率的升高，相位噪聲也會(huì)升高，因此對(duì)于較高頻率如毫米波頻段，其子載波間隔不能太小。

（2）多普勒頻率擴(kuò)展的影響

多普勒效應(yīng)與頻率以及移動(dòng)速度相關(guān)。在TR38.913中，UE的最高移動(dòng)速度為500 km/h（high speed scenario），由于6 GHz以下的頻譜主要集中5 GHz以下頻段，有公式（2）：

因此15 kHz也能滿足要求，但比30 kHz和60 kHz性能上差一些，如圖3所示。

對(duì)于毫米波頻段，多普勒擴(kuò)展會(huì)增加很多?；谏鲜隹紤]，以及運(yùn)營(yíng)商的頻譜和基站和終端的的實(shí)現(xiàn)能力，一種合理的方案是分段進(jìn)行子載波間距的設(shè)定，在6 GHz以下，最大支持60 kHz子載波間隔、4 096 FFT（Fast Fourier Transform）size，支持的帶寬如表4所示：

同時(shí)，考慮到采樣率太大對(duì)于ADC和DAC的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難，雖然現(xiàn)有候選的5G頻譜資源，例如3.3 GHz—4.2 GHz、4.4 GHz—4.99 GHz比較寬，但單個(gè)運(yùn)營(yíng)商實(shí)際的頻譜應(yīng)該不會(huì)太寬。因此建議對(duì)于6 GHz以下，在R15階段最大信道帶寬為100 MHz。在毫米波頻段（>24 GHz），最大支持120 kHz，4 096 FFT長(zhǎng)度最大支持的帶寬為400 MHz。因此建議R15階段最大信道帶寬為400 MHz。

4.2 靈活帶寬配置方案

靈活帶寬的概念提出起初是為了提高運(yùn)營(yíng)商頻譜的使用效率。例如：某個(gè)運(yùn)營(yíng)商有7 MHz帶寬的頻譜，在LTE里面只能使用單載波的5 MHz，或者通過(guò)5 MHz+1.4 MHz的載波聚合方式，但都會(huì)造成2 MHz或者0.6 MHz頻譜空間的浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在5G新無(wú)線接入技術(shù)里面進(jìn)行靈活帶寬配置的研究和嘗試，其基本方案是在BS側(cè)，信道可以以RB為粒度靈活變化。如圖4所示，7 MHz的頻譜能夠得到很好的利用。

由于運(yùn)營(yíng)商的頻譜也是比較碎片化，尤其是在6 GHz以下，因此在NR階段引入靈活帶寬配置的概念，剛開(kāi)始UE側(cè)和BS側(cè)都進(jìn)行了討論。引入靈活帶寬的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1）優(yōu)點(diǎn)

1）提高頻譜利用效率；

2）根據(jù)業(yè)務(wù)量大小調(diào)整帶寬，有利于節(jié)電；endprint

3）UE側(cè)可以降低最大峰均比。

（2）缺點(diǎn)

1）可能會(huì)增加規(guī)范制定的工作量；

2）可能增加實(shí)現(xiàn)難度挑戰(zhàn)，比如混頻器、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波器等。

由于標(biāo)準(zhǔn)中很多指標(biāo)與信道帶寬直接相關(guān)，因此需要研究靈活帶寬下相關(guān)指標(biāo)如何定義。雖然大部分指標(biāo)能夠根據(jù)帶寬進(jìn)行按比例進(jìn)行縮放，但是還有指標(biāo)需要進(jìn)一步分析和設(shè)計(jì)。在這種情況下，靈活帶寬配置的整體方案是確定的，但是具體帶寬靈活調(diào)整及相應(yīng)的指標(biāo)如何定義，還需要進(jìn)一步深入的分析，并輔助以實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，才能給出定義。

5 結(jié)論

5G無(wú)線通信系統(tǒng)的目標(biāo)就是以新的頻段、新的無(wú)線接入技術(shù)，支持多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，如更高速率、更低時(shí)延，更大系統(tǒng)容量的高速無(wú)線系統(tǒng)和以萬(wàn)物互聯(lián)為代表的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在這種背景下，5G的頻譜分配比以往各代移動(dòng)通信系統(tǒng)都更為復(fù)雜，由此導(dǎo)致的頻帶定義及基礎(chǔ)性的信道關(guān)鍵參數(shù)定義比以往的系統(tǒng)也更為復(fù)雜。

本文針對(duì)全球主要國(guó)家、區(qū)域?qū)?G頻譜分配的方案，從最基本的頻帶定義開(kāi)始討論了頻帶和信道定義的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)前3GPP正在全力投入標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程，標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展較快，本文給出了頻帶定義和信道關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)的幾個(gè)可行的方案，但是3GPP關(guān)于5G無(wú)線新接入標(biāo)準(zhǔn)定義還存在較多詳細(xì)分析驗(yàn)證的問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究。

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