5G頻譜策略研究

劉婧迪, 李男, 潘峮, 劉光毅

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

當前，隨著世界范圍內的4G網絡全面部署和智能終端的普及，移動互聯網和物聯網呈現快速發展態勢，各種新型業務不斷涌現，網絡流量和連接終端數開始迅猛增長。移動通信已經深刻地改變了人們的生活，但人們對更高性能移動通信的追求從未停止。4G系統將難以滿足2020年后用戶和業務對移動通信網絡的需求。5G系統的出現，正是為了滿足各種新業務及更高性能的需求，它將滲透到未來社會的各個領域，以用戶為中心構建全方位的信息生態系統。

可以預見，未來移動寬帶的應用需要更多的頻譜，在現有已劃分和確認的頻譜基礎上，基于用戶數、簽約數量（2020年100億）以及業務量增長的測量，根據ITU-R M.1768的頻譜預測方法，從WRC-07起，到2020年，全部所需頻譜量為1 280～1 720 MHz。新的WRC-15的預測顯示，到2020年全球的頻譜需求量將達到1 340～1 960 MHz。

一方面，基于現有頻率資源，3GPP LTE-Advanced（Release 12）技術至少在峰值速率和用戶體驗速率兩項關鍵能力上無法滿足5G的需求，且存在較大差距，需要更大頻率帶寬來支持。6 GHz以下頻段已很難找到連續的大帶寬頻譜，5G需要向更高的頻段發展。另一方面，由于要滿足用戶時時在線的需求，保證用戶的高速移動性，還必須借助低頻段提供良好的網絡覆蓋。因此，5G時代勢必需要采用高低頻段結合的頻譜使用方式。

1 5G頻譜需求

頻譜資源是推動移動通信與信息產業發展的核心資源，4G發牌塵埃剛剛落定，5G頻譜戰略研究已火速拉開帷幕。國際電信聯盟（ITU）把為2020年移動通信尋找新的頻譜資源列為2015年底即將召開的世界無線電通信大會（WRC-15）的首要議題。根據ITU的預測，全球范圍內到2020年IMT總頻譜需求是1 340～1 960 MHz，2018年無線局域網在5 GHz頻段上的最小頻譜需求約為880 MHz。其中，我國到2020年IMT總頻譜需求是1 490～1 810 MHz，目前還存在約800～1 100 MHz的頻譜資源缺口。與此同時，我國IMT-2020推進組頻率組開展了面向2030年頻譜需求預測，結果顯示我國到2030年還需要約5～10 GHz左右的頻譜。

5G的表征維度相對4G更為豐富和全面，很多關鍵技術指標都與頻率是強相關的。因此，可以預見5G時代頻率對技術的引導性作用將更為明顯。除了低頻段頻率外，必須引入高頻段頻率（如毫米波頻段）才能滿足5G的需求。引入高頻段頻率就需要進行新的空中接口設計，引發物理層、網絡協議和架構等一系列技術革新，形成一套全新的5G技術體系。因此，高頻段頻率的選擇及劃分進程將是引領5G技術變革的關鍵。國際電聯5G關鍵能力及取值如表1所示。

2 5G頻譜推動策略

5G要面向移動互聯網、物聯網等多樣化應用場景，一方面，需要高頻段連續大帶寬頻譜，滿足5G業務速率需求；另一方面，需要滿足用戶時時在線的需求，保證用戶的高速移動性，還必須借助低頻段提供良好的網絡覆蓋。因此，5G時代勢必需要采用高、低頻段結合的頻譜使用方式。

如圖1所示，從5G技術路線角度出發，為了滿足5G提出的3個技術演進路線，頻譜方面既需要深耕現有頻率資源，又要挖掘包含5G低端和高端頻率在內的新頻率。

2.1 深耕現有頻率資源，科學監管，促進向5G平滑演進

在世界無線電大會2007（WRC-07）上，國際電聯通過決議，將已劃分給IMT-2000技術（3G）的頻譜用于IMT技術（3G/4G/5G等），新劃分頻率也不再區分具體技術，統一劃分給IMT技術使用。因此，從無線電規則講，已劃分給2G/3G/4G技術的頻率都可以被5G技術所使用，且由于已劃分頻率大都屬于低頻段，具有良好的傳播特性和穿透特性，若能深度挖掘其潛力，它們將成為5G技術的重要資源組成，滿足用戶移動性和時時在線的需求。

2.1.1 以市場需求為導向，推進頻率與技術松耦合，實現向5G的平滑演進

在WRC-07后，各國政府和管理機構大都順應趨勢，逐漸放松對頻率使用技術的管控，允許運營商根據市場需求自行選擇合適技術，取得了較好的反響。

韓國政府在本國4G市場的快速發展中扮演了重要的推動者和仲裁者角色。在4G發展初期，由于新的頻率很難保障，韓國政府鼓勵運營商在現有頻率上進行網絡升級。韓國運營商SKT和KT選擇在已有的1.8 GHz頻段升級，LGU+選擇在2.1 GHz頻段進行升級，充分利用了已有的天面資源和站址資源，快速形成了良好的4G網絡服務能力。此外，KT在4G網絡商用之前，申請關閉1.8 GHz頻段的2G服務，但遭到約10萬用戶的反對。經過權衡，韓國法院支持KT關閉2G服務，使得KT可以將全部的1.8 GHz頻率用來開展4G服務，極大提升了其市場競爭力。5G時代，更需要管理機構順應市場和技術發展需求，合理引導運營商在已有頻率向5G平滑演進。

圖1 無線技術路線與場景

移動通信的核心是保障用戶隨時、隨地接入網絡并獲得優質服務。4G時代如此，5G時代更是如此。良好的網絡覆蓋，對實現業務的連續性和體驗的一致性、保障用戶感受非常關鍵，而充足的帶寬也是承載爆炸性增長的業務量的根本保證。為支持國內4G發展，我國在2.3 GHz和2.6 GHz等頻段為4G（TDLTE）規劃了近300 MHz商用頻率，近期，也為4G（LTE FDD）在1.8 GHz頻段規劃了50 MHz試驗頻率。豐富的頻率資源雖為4G（TDD/FDD）承載高速數據業務提供了有效支撐，但由于頻段較高，傳播特性和穿透特性較差，這些頻率很難作為4G及未來5G的基礎覆蓋頻率。

表2給出不同頻段LTE承載12.2 kbit/s話音業務時的覆蓋能力，900 MHz頻段相對1.8 GHz和2.6 GHz頻段的覆蓋增益明顯。1 GHz以下低端頻率以其與生俱來的傳播優勢，勢必成為未來5G時代連續覆蓋和深度覆蓋的重要頻率。而目前很難在1 GHz以下頻段尋找到新的頻率，較好的方式是挖掘現有2G技術（CDMA/GSM）的850/900 MHz頻段能力。若政府允許運營商根據市場和產業需求在上述頻段開展技術升級，這無疑將極大加速我國的4G商用化進程，也為未來5G的基礎覆蓋頻率提供了重要保證。

2.1.2 積極倡導FDD/TDD融合發展，提升頻率使用效率

FDD/TDD融合發展是全球趨勢，也是同時擁有FDD和TDD頻率運營商的必然選擇。4G的FDD和TDD已不再是兩種不同的技術制式，而是統一技術制式的兩種不同頻率資源使用方式。隨著4G技術向5G的不斷演進，FDD和TDD將走向更深層次的融合。通過融合可以更好地發揮FDD和TDD各自的頻率和技術優勢。例如利用成對的FDD頻率承載話音等上下行對稱業務，利用TDD頻率承載視頻點播等非對稱數據業務，發揮TDD上下行時隙靈活配置優勢，可最大限度地提升已有頻率的利用效率。圖2給出了一種典型的FDD/TDD融合網絡部署方式，即利用載波聚合或者多流并行傳輸方案，終端可以同時使用TDD和FDD資源，有效提高用戶峰值速率和小區容量，實現快速負載均衡。其中，TDD+FDD載波聚合方案和多流并行傳輸方案分別適用于共基帶和不共基帶的不同雙工模式的小區的聯合傳輸。

圖2 FDD/TDD融合網絡部署方式

表2 LTE承載12 kbit/s話音覆蓋能力鏈路預算

全球主流運營商幾乎都同時擁有FDD和TDD頻率，但除少數同時部署了FDD和TDD網絡外，大都對TDD頻率持觀望態度。據全球移動設備供應商協會（GSMA）統計，截至2015年4月，全球已部署了391張LTE商用網絡，但只有澳大利亞運營商Optus、加拿大運營商Sasktel、中國移動香港公司及日本運營商軟銀等部署了22張FDD+TDD聯合網絡。按照目前網絡發展和流量增長的速度預測，未來2～3年，主流運營商的FDD頻率資源將面臨枯竭的困境。若無法在短時期內形成成熟的FDD/TDD融合組網解決方案，將很可能導致這些運營商全面放棄TDD技術，轉而將TDD頻譜用于FDD的下行補充。這將極大地威脅TD-LTE產業未來的全球化發展，也勢必對TD-LTE向5G演進產生不利影響，降低我國在5G技術上的影響力。因此，迫切需要政府把握融合的關鍵時間窗口，積極組織3家運營商及時開展以TDD為主的FDD/TDD融合組網試驗，快速驗證融合組網的高效的頻率使用優勢，并將成功經驗在3GPP、GTI、NGMN及GSMA等國際標準化組織或行業組織中進行積極推廣，帶動FDD/TDD融合的全球規模化發展，為5G時代的進一步融合，實現我國全面引領打下重要基礎。

表3 WRC-15 1.1議題重點研究頻段及支持情況

2.2 近中期推動以C波段為核心的低頻段頻譜，為5G儲備低端頻率

ITU預測2020年IMT系統將需要1 360～1 940 MHz頻率，我國屆時的頻率需求為1 490～1 810 MHz，尚存約800～1 100 MHz的頻率缺口。包括我國在內的眾多ITU成員需在WRC-15和WRC-19上為IMT積極爭取新的頻率。

如表3所示，從目前各國已提交的建議來看，候選頻段基本都集中在6 GHz頻段以下，尤其是3～4 GHz這個以C波段下行為核心的頻段。可以預期在WRC-15之后，C波段將成為IMT發展的又一個黃金頻段。

我國向ITU提交了包括3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz和4 800～4 990 MHz等候選頻段的建議。但上述候選頻段目前國際上支持的國家很少，預計很難在WRC-15上成為IMT頻率或成為國際主流的IMT頻率。我國在WRC-07上推動2 300～2 400 MHz頻段時，也面臨了相同的困境。當時，我國率先提出將2.3 GHz頻段作為IMT頻率的建議，但并沒有獲得其他國家的響應和支持。通過不懈努力和積極斡旋，最終成功將該頻段納入IMT頻率。雖然當時并沒有其他國家表示將會使用該頻段，但隨著IMT系統頻率需求的快速增長，2.3 GHz頻段端到端產業的成熟，以及我國在ITU、3GPP、GTI等標準化組織和行業組織的各種場合的大力推動，最終2.3 GHz頻段的使用在歐洲、非洲、亞太部分國家等地取得突破，未來有望成為國際統一的IMT頻率。因此，為應對上述不利局面，在WRC-15上取得理想結果，需要我們堅定信心，做好客觀的預期和充分的預案，并參考WRC-07經驗，除全力爭取我國主推的頻段成為IMT頻率外，也爭取將C波段中的部分頻段納入IMT囊中，推動頻段國際化，形成全球產業鏈。在6 GHz以下頻段實現突破，為5G技術儲備低端頻率。

2.3 中遠期布局6 GHz以上頻譜，為5G儲備高端頻率

高頻段頻率的選擇將直接影響后續5G技術研究的方向和產業資源的聚焦點。主流電信發達國家都期望拔得頭籌，將自身有足夠積累的頻段推動成為國際統一的5G頻率，實現本國產業利益的最大化。但在高頻段如毫米波段上進行移動通信是一個全新的研究課題，業界對此還沒有一個清晰和統一的認識。因此，需要采取積極審慎的態度進行高頻段研究和產業化的推進。圖3歸納了部分已經對5G高頻段有一定研究的國家對于高頻段候選頻段的觀點。

圖3 部分國家高頻段候選頻段

在5G研究的伊始階段，結合我國高頻段頻率的可用情況、技術積累及產業化能力，遵照連續大帶寬、共存性能好、國際一致性的高頻段候選頻段選取原則，我國已初步提出如圖4所示的我國在6～100 GHz范圍內IMT潛在候選頻段、優先級以及主要業務劃分情況。

后續，建議我國在此基礎上進一步收斂確定5G的高頻重點頻段，大力引導民族企業開展相關預研和產業化投入，提早進行知識產權和產業化布局，推動我國建議的頻段成為國際電聯的主流5G工作頻率，為未來的產業化營造良好的生態環境。此外，應組織國內企業積極參與3GPP中高頻段相關工作，影響相關標準化節奏和方向，爭取將我國在高頻主推頻段上的“軟積累”和“硬積累”真正落地。通過頻率的“早確定、早劃分、早標準、早實現、早應用”，實現“2G時代跟隨、3G時代突破、4G時代同步、5G時代引領”的宏偉戰略目標。

3 5G頻譜演進路線初步考慮

從需求和技術演進角度看，為了滿足5G時代移動通信爆炸性增長的頻率需求，既要秉承高低頻率協同發展的原則，又要在提升現有頻率資源效力的同時，大力挖掘新的頻率資源，且幾種頻率獲取方式應保持一定的節奏。

3.1 近中期

一方面，重點以加速現有2G/3G/4G頻率的技術演進及促進多運營商開展FDD/TDD融合發展為主，充分挖掘已有頻率資源的利用效率，保證未來5G技術的低頻段資源供給，滿足5G的基礎覆蓋和移動性需求。

另一方面，應在WRC-15盡可能多地為IMT爭取6 GHz以下頻率，積極推動以C波段為核心的低頻段頻譜的國際化和全球一致規劃，促進技術和產業成熟，以充分使用6 GHz以下頻率。

3.2 中遠期

及時確定我國5G高頻重點推動頻段；爭取在WRC-19階段推動高于6 GHz以上的高頻段劃分，并積極參與以及在3GPP中開展5G高頻段的研究及標準化，爭取將我國在主推頻段的“軟硬積累”落地。至2020年，完成5G低頻段及高頻段整體技術標準工作。

4 總結

圖4 高頻段候選頻段及優先級

本文首先分析了為滿足5G的需求和技術使得頻率具有多元化的組成方式，提出了以高低頻率協同發展為原則，以提升現有頻率使用效率與挖掘新頻率資源相結合為手段的5G頻率綜合解決方案，并給出了邁向5G的頻率演進路線的初步考慮，為我國制定5G整體頻率演進策略提供了技術參考。