40GHz頻段美國5G頻率規劃解析

謝 剛，王 坦，曾昱祺

（1.華北電力大學，北京 102206；2.國家無線電監測中心，北京 100037）

1 引言

頻譜資源作為新一代戰略資源，其規劃與5G移動通信系統緊密相關。已召開的WRC-15大會議題主要面向6GHz以下頻段，而即將召開的WRC-19大會則面向6GHz以上毫米波頻段，其中全球研究的焦點主要集中在26GHz（24.25-27.5GHz）和40GHz（37-43.5GHz）兩個頻段。

在5G毫米波頻率規劃方面，美國于2016年7月率先發布了《用于移動業務的24GHz以上頻段》的執行公告[1]，規劃了27.5-28.35GHz、37-40GHz和64-71GHz頻段。接下來于2017年11月、2018年6月先后發布了第二次[2]以及第三次執行公告[3]，進一步規劃了24.25-24.45GHz、24.75-25.25GHz和47.2-48.2GHz頻段，并對先前規劃做出了補充修改。2018年11月15日，美國聯邦通訊委員會（FCC）成功召開了美國第一次5G頻譜拍賣會，共計安排發放3072張28GHz頻段牌照，并預計2018年年底完成24GHz頻段牌照的拍賣。同時，FCC還計劃在2019年拍賣40GHz頻段用于5G商用。而歐盟已宣布將24.25-27.5GHz頻段作為5G移動通信系統最為優先選擇的頻段，同時積極推動40GHz頻段規劃用于5G通信。

目前，我國工信部已就26GHz和40GHz等頻段可能用于5G進行公開征求意見。40GHz頻段作為毫米波頻段研究的下一個頻段，同樣有著較寬的可用頻譜，其5G系統與其他業務共存形勢相對較好。2018年8月10日，GSA（Global mobile Suppliers Association）在其“5G網絡頻譜：全球許可進展”報告[4]中表示全球42個國家和地區的監管機構正在積極進行5G頻譜規劃，圖1表明了不同頻段規劃的國家數目，其中可看出40GHz頻段是國際毫米波頻段研究熱點。

本文意在通過分析美國5G頻段規劃報告中40GHz頻段，為我國5G毫米波頻段規劃工作提供參考。圖2表明了美國5G頻率規劃報告中40GHz頻段規劃工作進度，分為三個階段：征求意見、提出規劃以及補充修改；表1為報告中美國地理區域單位概念。

2 39GHz頻段（38.6-40GHz）

2.1 背景

目前該頻段劃分給非聯邦的固定業務、固定衛星業務和移動業務，其中在39.5-40GHz頻段內有劃分給專用系統的聯邦衛星固定業務（FSS）和衛星移動業務（MSS）。FCC認為39GHz頻段的寬帶寬有助于滿足持續增長的移動數據需求，授權移動業務于該頻段。由于衛星業務對地面業務的影響較小，FCC提議該頻段地面和衛星業務共存。美國最新頻率劃分表39GHz頻段的使用詳情如表2所示：

圖1 不同頻段規劃的國家數目

圖2 40GHz頻段規劃工作進度圖

表1 基礎地理區域單位

表2 39GHz頻段美國頻率劃分表

2.2 授權機制

FCC在39GHz頻段上使用地理區域許可來授權。美國5G頻率規劃將“PEA”作為39GHz頻段許可證的基礎地理區域單位，有以下優勢：（1）執照持有者能靈活購買目標容量區域。相對于以BTA或EA作為區域單位來授權，建立較小的許可區域有利于執照持有者根據市場力量和客戶需求制定部署決策。（2）PEA可以嵌入到EA中，也可以分解為多個縣，允許運營商將其組合或劃分為目標許可區域。組合和分區的能力給執照持有者帶來了便利，有助于快速部署執照。

2.3 非聯邦衛星地面業務共存

美國5G頻率規劃報告指出，不同于28GHz頻段地球站的地對空衛星業務，39GHz頻段地球站將授權空對地衛星業務，需要重點考慮地面業務對地球站接收端的干擾問題。美國EchoStar公司表明其地球站需要半徑2千米的禁區，禁區面積大約是28GHz頻段地球站禁區的138倍。美國48個州的平均PEA面積約為18，692平方千米，因此，禁區將覆蓋平均面積的0.0674%。如果人口均勻分布，相當于僅覆蓋了基本單元內不到0.1%的人口。此外，衛星運營商可以通過構建人工場地防護罩或利用自然地形特征來大幅減少所需禁區 大小。另外，FCC以先到先得的方式授權39GHz頻段地球站，滿足以下條件：一是地球站申請人必須在其地球站周圍定義一個保護區，使用合理方法證明指定的保護區不大于保護其地球站所需的保護區。二是每個PEA中授權最多三個保護區，申請人必須證明PEA中現有不超過兩個保護區。三是申請人必須證明保護區覆蓋總計不會超過PEA人口的0.1%。四是申請人必須證明保護區不侵犯任何重大事件地點，主干道，洲際公路或美國公路，城市公共交通路線，客運鐵路或游輪港口。五是球站申請人必須與授權區域執照持有者協調，以確保保護區不存在地面業務。

2.4 頻段安排

FCC將在39GHz頻段內創建7個200MHz帶寬的分區。FCC認為該信道大小能夠充分利用數據吞吐量產生足夠數量的信道以同時對多個運營商接入。FCC修改了基于成對頻譜塊的頻段規劃來實現時分雙工（TDD）。FCC采用的規范將允許任何類型的雙工，執照持有者可以通過獲取和配對多個頻譜塊來實現頻分雙工（FDD）。

3 37GHz頻段（37-38.6GHz）

3.1 背景

美國37GHz頻段除了有限數量的聯邦業務之外，沒有非聯邦地面業務或移動業務。FCC發現允許該頻段內的固定和移動業務有很多優勢：包含1600MHz的連續頻譜，可以支持高數據速率；與39GHz頻段相鄰，允許運營商在兩個頻段上聚合頻譜；在全球有著共同的固定和移動劃分，允許運營商實現規模運營。

然而FCC表示由于該頻段具有聯邦和非聯邦撥款，因此制定移動業務的規范將具有挑戰性。37GHz頻段主要劃分給固定和移動業務，供聯邦和非聯邦使用；部分37GHz頻段劃分給空間研究業務（SRS），作為聯邦使用（37-38GHz）和固定衛星業務（FSS）的主要基礎；37GHz頻段與36-37GHz頻段相鄰，地球探測衛星業務（EESS）和SRS中的無源傳感器位于此頻段。為了滿足這些不同需求，靈活的規范框架能夠盡可能地提供服務。美國最新頻率劃分表37GHz頻段的使用詳情如表3所示：

表3 37GHz頻段美國頻率劃分表

3.2 授權機制

FCC采用以下授權方案：在頻帶的37.6-38.6GHz部分（高頻段）中，使用地理區域許可來授權；在頻帶的37-37.6GHz部分（低頻段）中，沒有特定的授權制度，而是聯邦和非聯邦用戶之間協調共享該頻段，其中非聯邦用戶使用共享訪問許可證（SAL）來獲得授權。在高頻段，37GHz頻段和39GHz頻段在同一框架下獲得授權，具有相同的技術和授權機制，有利于37GHz和39GHz頻段的執照持有者聚合頻譜塊；在低頻段，有助于進一步促進聯邦和非聯邦用戶之間的共享，并使聯邦用戶和消費者有機會加速上市和降低部署技術成本。

FCC決定在37GHz高頻段（37.6-38.6GHz）上采用PEA作為地理區域授權單位，有以下優勢：與39GHz 頻段保持一致，這將允許運營商使用2400MHz（37.6-40GHz）的連續頻譜，靈活地購買目標區域滿足自身需求；以PEA為授權單位既可以使大小型運營商降低協調難度，也可以激勵投資來促進部署。

在37GHz低頻段，FCC認為必須進一步制定在聯邦與非聯邦用戶或非聯邦用戶之間的協調共享機制。協調共享機制實際上是促進協調訪問所必需的監管、技術或程序工具，其用來授權特定用戶在特定地點使用特定頻譜帶寬。協調共享機制必須滿足以下規定：能夠獲得有關設備類型、協調位置的信號輪廓以及所求帶寬與可用帶寬的信息；能夠定期更新協調位置的狀態（開/關或授權/未授權）；能夠將這類信息納入聯邦和非聯邦固定和移動業務。

3.3 衛星地面業務共存

美國5G頻段規劃將37GHz頻段劃分給聯邦和非聯邦固定業務和移動業務，部分頻段也劃分給聯邦空間研究業務（SRS），但僅限于空對地業務。FCC發現很多聯邦站點使用了該頻段，NTIA聲明FCC需要保護這些站點免受37-38GHz頻段的地面和FSS業務的影響，其中包括該頻段的14個專用站點和3個科學站點。

FCC表示非聯邦業務和移動業務可以在一定條件下與SRS下行鏈路業務共享37-38GHz頻段，其內容如下：一是將在專用站點建立協調區，并且在美國劃分表中添加需要保護的站點位置和各自的協調區位置。二是采用相關條例要求該頻段內地球站不會對專用站點造成有害干擾，并且雙方應協商處理干擾問題。

因此，非聯邦固定和移動業務可以與國防部業務共享37-38.6GHz頻段。而關于聯邦使用37GHz頻段的問題，FCC將通過條例在協調基礎上增加未來站點的能力，其中包括NTIA為14個專用站點和3個科學站點建議的協調區。

3.4 頻段安排

FCC提議把37GHz高頻段劃分為5個200MHz的分區。對于37GHz低頻段，FCC沒有制定出頻段安排，而是由聯邦組織和非聯邦組織共同協調使用，且聯邦業務和非聯邦業務的優先級相同。

4 40-42GHz頻段

目前，美國頻率劃分表表示40-42GHz頻段用于衛星相關業務。其中，40-40.5GHz頻段劃分給了非聯邦的FSS（空對地）、MSS（空對地）以及聯邦各種衛星空間研究；40.5-41GHz頻段劃分給了聯邦和非聯邦的FSS（空對地）和MSS（空對地），以及廣播衛星業務（BSS）；41-42GHz頻段劃分給了非聯邦的FSS（空對地）和BSS業務。目前并沒有解決該頻段與衛星業務共存問題，FCC表示暫時不考慮該頻段5G業務，但衛星業務得到批準。2018年10月25日，美國太空探索技術公司（SpaceX）[9]、電信衛星公司（Telesat）[10]、LeoSat公司[11]以及Kepler公司[12]等分別向FCC提交的申請得到批復。FCC表示只要符合該頻段的授權規定，允許在37.5-42GHz頻段進行市場接入，但一切操作必須遵守該頻段頻譜共享規范。

美國最新頻率劃分表40-42GHz頻段的使用詳情如表4所示：

表4 40-42GHz頻段美國頻率劃分表

5 42-43.5GHz頻段

5.1 背景

目前42-42.5GHz頻段主要用于非聯邦使用的固定和移動業務，尚未制定地面業務規范。而相鄰42.5-43.5GHz頻段已經被劃分用于聯邦和非聯邦使用的射電天文（RAS）業務，以及聯邦固定業務，固定衛星（地對空）和移動業務（航空移動業務除外）。由于考慮42.5GHz-43.5GHz頻段其他業務可能會干擾到射電天文（RAS）觀測，FCC拒絕為該頻段提出進一步的頻率規劃。美國最新頻率劃分表42-43.5GHz頻段的使用詳情如表5所示：

表5 42-43.5GHz頻段美國頻率劃分表

5.2 授權機制

美國5G頻率規劃報告中，FCC提議在42-42.5GHz頻段上授權固定和移動業務，但前提是必須保證相鄰信道RAS觀測不受到干擾。FCC建議在該頻段上使用地理區域許可來授權，且其基本單位為PEA。并且FCC決定與37GHz頻段一樣建立一個聯邦與非聯邦用戶可以共享該頻段的機制。FCC尋求對此提案以及替代方案發表評論。而對于42.5-43.5GHz頻段，FCC表示保留授權非聯邦固定業務的規劃。

5.3 頻段安排

對于42-42.5GHz頻段安排，目前FCC沒有給出確定的方案。FCC提出兩種方案：將500MHz帶寬分成兩個250MHz的分區或多個100MHz的分區。FCC傾向于采用第二種方案，因為這個方案符合頻譜最大化效率的行業標準，同時感興趣的各行業能夠在需要更大頻段時聚合這些分區。

并且FCC認識到建立一個中間頻帶能更好的保護RAS觀測免受干擾。如果采用保護頻帶的方案，采用什么頻段最為合適？對于這些問題，FCC積極向廣大運營商征求意見。

6 思考與總結

隨著美國三份5G頻率規劃報告的發布，美國最先將5G毫米波頻段規劃展現給全世界。FCC從一開始向運營商征求意見，接著權衡利弊確定頻段的使用規定，包括授權機制，共存方案以及頻段安排，最后根據反饋意見對規定進行補充修改。這三個階段層次分明，步步推進，有序合理地將頻譜規劃工作落到實處。通過分析美國40GHz頻段規劃過程，本文認為美國頻譜規劃有以下特點：

（1）公共利益優先考慮，各運營商利益共同發展。美國FCC認真聽取各大運營商反饋意見，權衡利弊，在不損害公眾利益的前提下，采納合理的意見協調各運營商的不同利益，謀求共同發展。

（2）因地制宜協調規劃不同頻段。40GHz頻段有著較大帶寬，各個頻段現存情況有著很大差異，需要分別考慮適合的規劃方案。如上文所說，FCC在37GHz高頻段采用地理區域許可來授權執照，而在37GHz低頻段采用聯邦與非聯邦協調共享機制來授權執照。

（3）重視候選頻段間業務頻譜共享。頻譜資源是新一代有限的戰略資源，業務間的頻譜共享是必然趨勢——衛星業務與5G業務之間的互補、融合。例如美國40GHz頻段資源已經有很多衛星及聯邦用戶在使用，FCC考慮在這些頻段上授權移動業務，對衛星業務和地面業務共存進行分析，希望在互不干擾的情況下，共享寶貴的頻譜資源。綜上所述，美國通過一套頻率規劃管理流程，積極聽取公眾反饋意見，穩步推進了相關頻譜規劃工作，這為美國在5G毫米波頻段及早完成部分頻率規劃提供了有力保障。■