C波段5G頻譜規(guī)劃研究最新進展

郭春霞，劉婧迪，李男

（中國移動通信集團公司研究院，北京 100053）

C波段5G頻譜規(guī)劃研究最新進展

郭春霞，劉婧迪，李男

（中國移動通信集團公司研究院，北京 100053）

為了滿足移動業(yè)務(wù)需求，5G技術(shù)將提供10倍于4G的速率，同時5G技術(shù)在可靠性、低時延方面有了大幅度提升。主要對國內(nèi)外地區(qū)5G C波段頻譜分布最新進展進行了系統(tǒng)的梳理和詳細的介紹，并基于工信部提出的C波段5G與鄰頻衛(wèi)星地球站共存性問題，通過系統(tǒng)級蒙特卡洛仿真方法進行了深入的研究。本文系統(tǒng)合理地分析了IMT基站對衛(wèi)星地球站的聚合干擾，以及兩系統(tǒng)鄰頻共存所需要的隔離距離和干擾余量，為5G頻譜規(guī)劃提供了堅實的技術(shù)儲備。

5G 頻譜規(guī)劃 C波段 鄰頻共存

1 引言

移動業(yè)務(wù)需求的不斷增長為通信技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。5G在未來將會提供10倍于4G的速率，同時在高可靠性、低時延方面有了大幅度的提升。2017年6月13日在“IMT-2020（5G）”峰會上，IMT-2020（5G）推進組副主席王志勤在接收采訪時表示，隨著國內(nèi)5G試驗的逐步推進，我國已經(jīng)實現(xiàn)了“3G突破、4G同步、5G引領(lǐng)”的整體戰(zhàn)略構(gòu)想。

頻譜資源是移動技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。ITU WP 5D進行的5G頻譜需求評估結(jié)果顯示，6 GHz以下頻段頻率需求大概為1 000 MHz，24.25 GHz以上頻率需求大概為十幾吉赫茲，如此高的頻譜需求對5G頻譜規(guī)劃提出了更高的要求。為了推進5G技術(shù)發(fā)展，主流電信國家紛紛提出國家寬帶計劃，并積極開展5G頻譜規(guī)劃，助推產(chǎn)業(yè)發(fā)展。6 GHz以下C波段良好的傳播特性，使其更加適合5G技術(shù)，因此受到國際主流電信國家和地區(qū)的青睞。

工信部發(fā)布的《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代國際移動通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz頻段相關(guān)事宜的通知（征求意見稿）》[1]中指出：3 400 MHz—3 600 MHz頻段IMT-2020系統(tǒng)電臺不應(yīng)對該頻段頻率許可有效期內(nèi)的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地球站產(chǎn)生無線電干擾?，F(xiàn)階段缺少該頻段兩系統(tǒng)共存的仿真研究，因此有必要進行相關(guān)兼容性研究，分析兩系統(tǒng)共存的可能性并計算相應(yīng)的干擾余量，為后續(xù)5G頻率規(guī)劃提供堅實的技術(shù)保證。

首先介紹了未來5G頻譜需求，包括ITU WP 5D工作組進行的未來5G頻譜需求評估結(jié)果。隨后介紹國外針對5G頻譜需求所做的5G頻譜規(guī)劃以及C波段頻率使用情況，包括日本、韓國、歐洲、美國。接著介紹我國工信部發(fā)布的5G C波段應(yīng)用征集意見稿。最后考慮意見稿中C頻段5G與衛(wèi)星地球站之間鄰頻共存干擾問題，本文通過系統(tǒng)級仿真完成兩系統(tǒng)的兼容性分析。

2 未來5G頻譜需求

GSA 2017年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，相比于2016年2月份，2017年LTE用戶設(shè)備數(shù)量增加了77%[2]，同一時期，設(shè)備商數(shù)量增加了48%，設(shè)備數(shù)量迅速增加的產(chǎn)業(yè)鏈背后是龐大的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求量。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆發(fā)式增長使得5G技術(shù)應(yīng)用存在大量的頻譜缺口。

WP 5D最終評估結(jié)果顯示[3]，未來IMT-2020所需要的6 GHz以下頻譜需求為808 MHz—1 078 MHz，詳細的IMT-2020頻譜需求情況如表1所示。

表1 未來5G頻譜需求評估結(jié)果

3 國外5G頻譜規(guī)劃以及C波段頻率使用情況

3.1 日本5G頻譜規(guī)劃以及C波段頻率使用情況

2017年1月，日本5G MF組織成立了5G試驗推進組，開啟5G相關(guān)試驗活動。日本5G系統(tǒng)試驗包括無線接入、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用等，這些試驗將在東京以及其他城市陸續(xù)展開。

為了在2020年商用5G，MIC制定了“2020無線策略”，并提出了針對無線通信系統(tǒng)的頻率配置目標(biāo)，具體目標(biāo)如下所示：

（1）對于6 GHz以下頻率：與現(xiàn)在的公共服務(wù)系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)頻率共享，并保證于2020年能夠提供包括無線局域網(wǎng)在內(nèi)的2 700 MHz帶寬。

（2）對于6 GHz以上頻率：積極推進參與國際標(biāo)準(zhǔn)化活動，預(yù)計可以提供大約23 GHz的帶寬。

日本C波段頻率策略如下所示：

（1）3.6 GHz以下頻段

◆3.4 GHz頻段：考慮加速終端試驗進程。

（2）3.6 GHz—4.9 GHz頻段：待定

◆3.6 GHz—4.2 GHz：待定；

◆4.4 GHz—4.9 GHz頻段：綜合考量國際頻率協(xié)調(diào)、國際Ramp;D趨勢以及與已有系統(tǒng)的頻率共享。

（3）5 GHz（WLAN）頻段

◆5.15 GHz—5.35 GHz：緊跟國際趨勢，積極推動與其他室外系統(tǒng)的頻率共享；

◆研究LAA、LTE-U以及MulteFire等新的頻率共享技術(shù)，緊跟國際趨勢。

3.2 5G頻譜規(guī)劃以及C波段頻率使用情況

韓國于2012年1月就已經(jīng)提出了“韓國國家寬帶計劃1.0” ，計劃到2020年提供600 MHz帶寬頻率用于IMT系統(tǒng)。2013年11月韓國又提出了“韓國國家寬帶計劃2.0”，計劃到2023年提供至少1 000 MHz帶寬頻率用于IMT通信，其中包括6 GHz以上的500 MHz帶寬以及6 GHz以下的600 MHz帶寬。

韓國于2016年4月完成頻譜拍賣，拍賣的頻率后期主要用于IMT技術(shù)應(yīng)用，本次拍賣共完成5塊頻段拍賣，包括700 MHz頻段的40 MHz帶寬，1.8 GHz頻段的20 MHz帶寬、2.1 GHz頻段的20 MHz帶寬以及2.6 GHz頻段的60 MHz（40 MHz TDD+20 MHz FDD）。

韓國對C波段5G頻譜規(guī)劃情況主要參考WRC-15頻譜劃分意見，具體如下所示：

（1）3.4 GHz—3.6 GHz（希望可以達到3.7 GHz）：

支持5G。

其中，3 300 MHz—3 400 MHz已經(jīng)分配給其他系統(tǒng)，后續(xù)5G系統(tǒng)電臺不應(yīng)對該頻段頻率許可有效期內(nèi)的系統(tǒng)產(chǎn)生無線電干擾。

（2）1 452 MHz—1 492 MHz：支持5G，但是還沒有具體規(guī)劃。

（3）4 800 MHz—4 990 MHz：支持現(xiàn)有系統(tǒng)、設(shè)備。

3.3 歐洲5G頻譜規(guī)劃以及C波段頻率使用情況

歐盟CEPT于2016年公開征集在5G使用C波段3 400 MHz—3 800 MHz頻段相關(guān)意見，并于2016年11月30日完成意見征集。這些意見包括成員國在C波段3 400 MHz—3 800 MHz頻段內(nèi)的授權(quán)，現(xiàn)在以及未來頻率配置情況以及該頻段設(shè)備使用情況。此次意見征集收到了良好的反饋，30個成員機構(gòu)中有22個機構(gòu)給出了反饋，這意味著C波段3 400 MHz—3 800 MHz頻段中至少有一部分會被用于5G技術(shù)。移動工業(yè)組織同時指出，C波段3 400 MHz—3 800 MHz頻段將會是eMBB技術(shù)的主要頻段，相關(guān)試驗表明該頻段傳播特性適合密集城區(qū)室內(nèi)、室外部署場景。

2017年11月，歐盟委員會下屬組織RSPG宣布優(yōu)先選擇C頻段3 400 MHz—3 800 MHz頻段進行5G部署。

3.4 美國5G頻譜規(guī)劃以及C波段頻率使用情況

現(xiàn)階段美國5G頻段主要集中在毫米頻段以及最近剛剛拍賣完成的600 MHz頻段。除了高、低頻段，美國同時考慮C頻段5G部署情況。2017年3月，美國發(fā)布了MNA（Mobile Now Act）項目，建議在C波段，除了已經(jīng)配置的用于IMT的3 550 MHz—3 700 MHz以外，另外考慮3 100 MHz—3 550 MHz以及3 700 MHz—4 200 MHz頻段5G技術(shù)應(yīng)用的可能性。美國Doc以及NTIA在2016年11月份的工作報告中指出，考慮到3 100 MHz—3 550 MHz頻段復(fù)雜的頻率使用情況，需要加緊完成3 100 MHz—3 550 MHz頻段測試驗證，以便確定該頻段是否可以用于5G。針對3 700 MHz—4 200 MHz頻段復(fù)雜的電磁環(huán)境，F(xiàn)CC在2017年考慮通過高效合理的頻率管理辦法，如頻率共享機制，以實現(xiàn)頻譜資源高效合理的利用。

雖然現(xiàn)階段美國還沒有決定是否在C波段部署5G網(wǎng)絡(luò)，但運營商以及監(jiān)管機構(gòu)依舊支持在3 300 MHz—3 400 MHz頻段以及3 400 MHz—3 600 MHz/3 700 MHz的5G全球頻率規(guī)劃。

4 我國工信部發(fā)布5G C波段應(yīng)用征集意見稿

為了實現(xiàn)“中國制造2025”以及“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)4.0”計劃，我國正在積極推進5G技術(shù)發(fā)展，以實現(xiàn)信息化、數(shù)字化工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級。根據(jù)我國十三五規(guī)劃，到2019年，至少為5G技術(shù)發(fā)展規(guī)劃500 MHz的頻率范圍。

2017年6月5日，工信部發(fā)布《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代國際移動通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3 300 MHz —3 600 MHz和 4 800 MHz—5 000 MHz頻段相關(guān)事宜的通知（征求意見稿）》?！兑庖姟分忻鞔_了C波段3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz頻段為IMT-2020工作頻段。同時建議 3 400 MHz—3 600 MHz頻段IMT-2020系統(tǒng)電臺不應(yīng)對該頻段頻率許可有效期內(nèi)的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地球站產(chǎn)生無線電干擾。對于頻率許可到期但用于衛(wèi)星遙測的該頻段及鄰頻地球站，應(yīng)給予一定的保護，具體措施由IMT-2020系統(tǒng)運營方與相關(guān)衛(wèi)星操作者協(xié)商解決。

考慮未來5 G與已經(jīng)存在的衛(wèi)星地球站在C 波段3 400 MHz—3 600 MHz 鄰頻共存的情況，且現(xiàn)階段缺乏兩系統(tǒng)鄰頻共存的研究，因此有必要進行兩系統(tǒng)鄰頻共存分析。本文第五章主要研究5G與鄰頻衛(wèi)星系統(tǒng)鄰頻共存情況以及兩系統(tǒng)共存所需要的隔離距離。

5 5G C波段與鄰頻系統(tǒng)共存研究

5.1 研究內(nèi)容

工信部發(fā)布的《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代國際移動通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz頻段相關(guān)事宜的通知（征求意見稿）》中指出：3 400 MHz—3 600 MHz頻段IMT-2020系統(tǒng)電臺不應(yīng)對該頻段頻率許可有效期內(nèi)的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地球站產(chǎn)生無線電干擾。現(xiàn)階段缺少該頻段兩系統(tǒng)共存的仿真研究，因此有必要進行相關(guān)兼容性研究，為后續(xù)5G頻率規(guī)劃，提供堅實的技術(shù)保證。

本文研究工作于3.5 GHz的5G（IMT-2020）系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地球站之間的鄰頻共存情況。相對于5G終端，5G基站擁有更高發(fā)射功率以及天線增益，因此更易對衛(wèi)星地球站產(chǎn)生干擾。因此本文側(cè)重研究5G系統(tǒng)基站對衛(wèi)星地球站的聚合干擾情況。通過給出兩系統(tǒng)鄰頻共存所需要的隔離距離以及干擾余量，研究兩系統(tǒng)在現(xiàn)階段仿真參數(shù)以及場景情況下，鄰頻共存的情況。

5.2 系統(tǒng)參數(shù)

（1）干擾保護準(zhǔn)則

根據(jù)《ITU-R S 1432-1》[4]，本文兼容性分析使用的干擾準(zhǔn)則為I/N=-12.2 dB，該干擾準(zhǔn)則是較為嚴苛的干擾準(zhǔn)則，考慮實際系統(tǒng)地球站擁有更好的接收機性能，抗干擾能力更強，實際系統(tǒng)所需要的距離要小于本文得出的隔離距離。

（2）5G基站參數(shù)[5]

表2給出了5G基站系統(tǒng)仿真參數(shù)，本文主要考慮郊區(qū)以及城區(qū)環(huán)境下5G基站對地球站的聚合干擾情況。

表2 5G基站參數(shù)

表3 衛(wèi)星地球站參數(shù)

（3）衛(wèi)星地球站參數(shù)

C波段衛(wèi)星地球站工作于3 400 MHz—4 200 MHz，與未來的5G系統(tǒng)鄰頻共存，表3給出了衛(wèi)星地球站的相關(guān)參數(shù)。

（4）干擾保護方案

當(dāng)兩系統(tǒng)鄰頻共存時，考慮的主要干擾保護手段包括距離隔離、頻率隔離、提高發(fā)射、接收機濾波特性等。本文主要考慮通過距離隔離以及提升基站發(fā)射機濾波特性的方法，有效避免5G基站對衛(wèi)星地球站的干擾。

5.3 干擾原理和研究方法

本文考慮兩系統(tǒng)鄰頻干擾的情況，其中主要考慮的干擾類型為帶外干擾、雜散輻射、阻塞干擾。使用系統(tǒng)級仿真方法完成共存性分析。具體仿真方法參見ITU-R M.2101。

帶外干擾、雜散輻射以及阻塞干擾是鄰頻共存性仿真中主要考慮的鄰頻干擾種類。

帶外干擾是由于發(fā)射、接收機濾波器特性的非理想性造成的，發(fā)射機濾波器會將一部分有用信號泄漏到正常接收機接收帶寬內(nèi)，同時接收機會接收到一部分鄰頻干擾，兩部分干擾組成了鄰頻共存場景中的帶外干擾。

發(fā)射機的雜散輻射是由于發(fā)射機中的非線性器件造成的，是指用標(biāo)準(zhǔn)信號調(diào)制時在除載頻和由于正常調(diào)制和切換瞬態(tài)引起的邊帶以及鄰道以外離散頻率上的輻射。雜散輻射的來源主要是一些非線性元器件產(chǎn)生的諧波分量、交調(diào)信號等。

阻塞干擾是指接收機在接收弱有用信號時，受到接收頻率兩旁、高頻回路帶內(nèi)一個強干擾信號的干擾，其害處是將被干擾系統(tǒng)的接收機推向飽和而阻礙通信。阻塞會導(dǎo)致接收機無法正常工作，長時間的阻塞還可能造成接收機的永久性性能下降。

5.4 系統(tǒng)級仿真分析

（1）共存場景

未來5G技術(shù)的主要應(yīng)用場景為城區(qū)、郊區(qū)熱點地區(qū)。為了避免與其他潛在鄰頻系統(tǒng)間的干擾，現(xiàn)階段的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要部署在人口密度較低的郊區(qū)和農(nóng)村。衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)與IMT系統(tǒng)之間存在天然的地理隔離，因此本文主要考慮“地球站位于IMT配置小區(qū)一側(cè)”的共存場景，即衛(wèi)星地球站位于整個IMT系統(tǒng)地理區(qū)域的一側(cè)，兩系統(tǒng)鄰頻鄰地理區(qū)域共存，此時的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示[10]。

圖1 共存場景拓撲結(jié)構(gòu)

（2）兩系統(tǒng)鄰頻共存仿真結(jié)果

通過蒙特卡洛系統(tǒng)級仿真，本文給出了城區(qū)以及郊區(qū)環(huán)境下，5G基站對不同仰角的衛(wèi)星地球站的聚合干擾值、兩系統(tǒng)共存所需要的隔離距離，以及對應(yīng)環(huán)境下的實際干擾值以及干擾余量。

其中，文中描述的隔離距離是指衛(wèi)星地球站與IMT部署小區(qū)邊緣之間的距離，即隔離距離為0，這意味著地球站部署在小區(qū)邊緣位置。評估場景一中隔離距離如表4所示，評估場景一中郊區(qū)環(huán)境的實際干擾值與干擾余量如表5所示，評估場景一中城區(qū)環(huán)境的實際干擾值與干擾余量如表6所示。

根據(jù)蒙特卡洛仿真結(jié)果可知，場景一中，當(dāng)ACLR=65時，在郊區(qū)和城區(qū)環(huán)境中都可以實現(xiàn)5G系統(tǒng)與衛(wèi)星地球站之間的鄰頻共存，隔離距離幾乎為零。郊區(qū)環(huán)境中，當(dāng)使用俯仰角為15°、30°、45°的衛(wèi)星地球站時，隔離距離為零的情況下，可以獲得6.34 dB、14.18 dB、18.68 dB的干擾余量。城區(qū)環(huán)境中，當(dāng)使用俯仰角為15°、30°、45°的衛(wèi)星地球站時，隔離距離為零情況下，可以獲得0 dB、8.06 dB、12.56 dB的干擾余量。

因此根據(jù)本文的仿真結(jié)果，當(dāng)ACLR=65時，兩系統(tǒng)共存所需要的隔離距離幾乎為0。且相比于本文所使用的衛(wèi)星地球站接收機，實際系統(tǒng)中衛(wèi)星接收機擁有更加靈敏的接收性能，抗干擾能力更強。因此實際系統(tǒng)中，通過提高IMT基站發(fā)射機性能，可以實現(xiàn)5G系統(tǒng)與衛(wèi)星地球站之間的鄰頻共存。

6 結(jié)束語

本文首先對現(xiàn)階段國內(nèi)外C波段5G頻譜規(guī)劃最新進展情況進行了詳細的介紹和系統(tǒng)梳理，包括3GPP C波段5G NR頻段定義，我國、日本、韓國、歐洲、美國在C波段的頻譜劃分以及使用情況。最后通過蒙特卡洛仿真分析了5G系統(tǒng)與衛(wèi)星地球站在C波段的鄰頻共存情況，仿真結(jié)果表明，可以實現(xiàn)5G系統(tǒng)與IMT系統(tǒng)之間的鄰頻共存。

表4 評估場景一中隔離距離

表5 評估場景一中郊區(qū)環(huán)境的實際干擾值與干擾余量

表6 評估場景一中城區(qū)環(huán)境的實際干擾值與干擾余量

[1]工業(yè)和信息化部. 公開征求對第五代國際移動通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段的意見[Z]. 2017.

[2]3GPP TS 45.005. Radio Transmission and Reception[S]. 2017.

[3]3GPP TS 36.106. FDD Repeater Radio Transmission and Reception[S]. 2017.

[4]ITU-R S 1432-1. Apportionment of the allowable error performance degradations to fixed-satellite service (fss)hypothetical reference digital paths arising from time invariant interference for systems operating below 30 ghz[R]. 2006.

[5]3GPP TS 36.104. Base Station (BS) Radio Transmission and Reception[S]. 2017.

[6]ITU-R M 2101. Modelling and simulation of IMTnetworks and systems for use in sharing and compatibility studies[R]. 2017.

[7]3GPP TR 37.842. Higher layer aspects (Release 12)[R]. 2013.

[8]3GPP TR 37.840. Study of Radio Frequency (RF)and Electromagnetic[R]. 2017.

[9]ITU-R P452.16. Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the earth at frequencies above about 0.1 GHz[R]. 2015

[10]3GPP TS 36.942. Radio Frequency (RF) system scenarios (Release 14)[S]. 2017.

Latest Research Advances in 5G Spectrum Planning at C Band

GUO Chunxia, LIU Jingdi, LI Nan
(China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

In order to meet the increasing demand of mobile traffic, 5G will provide 10 times of the rate of 4G. In the meantime, 5G technology has the high improvement in the reliability and the latency. The latest domestic and abroad advances in the spectrum allocation at C band were systematically addressed. The system-level Monte-Carlo simulation method was introduced to investigate the coexistence of 5G and satellite ground station at C band proposed by the Ministry of Industry and Information Technology. The aggregation interference of IMT base stations to the satellite ground stations was systematically and feasibly analyzed. The isolation distance and interference margin needed by the adjacent frequency coexistence of these two systems were analyzed to provide the solid technical support to the 5G spectrum planning.

5G spectrum planning C band coexistence

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.010

TN929.53

A

1006-1010(2017)20-0058-06

郭春霞,劉婧迪,李男. C波段5G頻譜規(guī)劃研究最新進展[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 58-63.

2017-06-27

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

郭春霞：碩士研究生，現(xiàn)任職于中國移動通信集團公司研究院，工作內(nèi)容主要為系統(tǒng)兼容性分析、干擾測試、頻率標(biāo)準(zhǔn)化等。

劉婧迪：碩士研究生，現(xiàn)任職于中國移動通信集團公司研究院，工作內(nèi)容主要為系統(tǒng)兼容性分析、干擾測試、頻率標(biāo)準(zhǔn)化等。

李男：碩士研究生，現(xiàn)任職于中國移動通信集團公司研究院，工作內(nèi)容主要為系統(tǒng)兼容性分析、干擾測試、頻率標(biāo)準(zhǔn)化等。