5G新无线接入技术频带与信道关键参数设计

杨乐

【摘 要】5G的频谱分配比以往各代移动通信系统都更为复杂，由此导致的频带定义及基础性的信道关键参数定义比以往的系统也更为复杂，因此针对全球主要国家和地區的5G频谱分配方案，介绍了5G新无线接入技术中3.5 GHz、4.5 GHz等几个关键频段上的频带划分方案和5G信道带宽设计中的关键参数方案，并给出了合理的建议。

【关键词】5G无线接入 频带 信道带宽

【关键词】中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：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

国际通信标准化组织3GPP已经明确，第五代无线通信系统将采取在原有4G技术持续演进和引入新的无线接入技术相结合的策略，以实现既可以兼容现有系统平滑过渡，又可以以全新技术满足新应用场景、新需求的目标。在这种背景下，3GPP决定开展新的无线接入技术的研究工作，其中定义合适的频带是该新无线接入研究课题的重要议题之一，也是整个研究的工作基础。

NR（New Radio Access Technology，新无线接入技术）是第五代移动通信技术的核心组成部分。对各个国家分配的5G频段进行划分，定义形成工作频带是新无线接入技术研究的核心问题之一。频带划分将直接影响RF器件设计、基带处理等核心方案，必须在进行空口技术研究之前先行研究。全球各个国家地区的5G频谱分配方案各不相同，3GPP NR基于各个国家地区的频谱分配结果，研究能够有效支撑各国频谱的优化方案。本文将介绍工作频带定义及信道带宽等几个关键参数设计方案，并给出合理的建议。

2 5G中频段的频谱分配

5G分为eMBB、URLLC和mMTC三大应用场景，与前几代无线通信系统不同，其应用与部署场景更加广泛，对无线频段的需求也不尽相同。

总而言之，5G频谱可粗略的分为三大范围：低频段低于3 GHz；中频段为3 GHz到6 GHz；高频段大于6 GHz。

其中，低频段具备良好的无线传播特性，用于广覆盖，但带宽有限；中频段通常部署于城区，以提升网络容量；高频段覆盖范围较小，但带宽富余。不同频段范围具有不同的特性，任何一个频段范围都不能满足5G的全部需求。上述低、中、高三个频段，低频段是前几代无线通信系统中广泛使用的频段，频带划分及设计已经非常成熟，基本继承下来即可；高频段的应用场景较为局限；中频段兼顾覆盖和容量，是广域覆盖的核心频段，也是本文讨论的重点。

一直以来，全球范围的无线资源的频谱分配都是一个非常复杂的问题，本质上都是在技术基础上各国政治和产业政策的博弈。全球不同国家、地区对5G中频段的频谱分配，主要包括3.5 GHz频段和4.5 GHz频段，虽然范围大致相同，但在具体的起止频率方面，仍在存在很多细节性差异，以下进行简单的介绍。

2.1 3.5 GHz频段

全球主要国家和地区为3.5 GHz频段分配的频谱方案如表1所示：

由表1可以看出：在全球范围，整个3.5 GHz频段的频率范围基本为3.3 GHz—4.2 GHz。各个国家相差不大，其中日本为5G分配的频谱资源是最丰富的，达到了800 MHz，美国最少，只有200 MHz。3.3 GHz—3.8 GHz可以覆盖除日本以外其他所有地区。

2.2 4.5 GHz频段

除了3.5 GHz以外，中国和日本还在4.5 GHz附近为5G分配了频段，如表2所示。其中，日本分配连续频谱，中国分配两段不连续频谱。

3 频带设计方案

频带设计需要兼顾主要国家、地区的频谱分配，同时还要考虑实际射频器件、基带处理的技术复杂度，以下结合中频段3.5 GHz、4.5 GHz的频谱分配方案，讨论如何合理设计3GPP NR的频带。

首先分析3.5 GHz频段。由于3.3 GHz—4.2 GHz频谱较宽，将整个频率范围定义为一个频带，将可能会对终端功率放大器和滤波器的设计带来较大困难。一般情况下，功率放大器匹配网络BWR（Bandwidth Ratio，带宽比）的设计可以通过下面的经验公式近似衡量：endprint

当BWR>15%时，会对终端功率放大器、匹配网络的设计会带来比较大的困难。如果以一个功率放大器覆盖3.3 GHz—4.2 GHz整个频段的话，BWR達到24.2%。因此实现的技术难度比较大，即使可以实现，也必然会增加器件成本，同时可能带来性能稳定性、可靠性等不确定问题。考虑到大多数地区的频谱范围为3.3 GHz—3.8 GHz，因此可以形成了以下两个频带定义方案：

（1）定义两个不同的频带，频率范围分别为：Band X：3.3 GHz—3.8 GHz；Band Y：3.6 GHz—4.2 GHz。并且要求支持Band X也必须支持Band Y。

（2）定义一个单独的Band Z：3.3 GHz—4.2 GHz，如图1所示。

上面两个方案的优缺点如表3所示。

由于方案1限制了3.6 GHz—3.8 GHz范围内可以使用的频谱只有200 MHz，如果要支持>200 MHz，载波中心频点必须有所限制以保证整个载波带宽在Band X或者Band Y内。因此，为了解决这个问题，可以改进设计，形成方案3：即定义两个频带，一个是Band X，一个是Band Z。至此有以下3个选项：

（1）选项1：Band X+Band Y；

（2）选项2：Band Z；

（3）选项3：Band X+Band Z。

在这种方案下，兼顾考虑UE的架构，终端等级、共存和干扰协调等因素，可以灵活地定义终端能力规范。

4.5 GHz整个频率范围为4.4 GHz—4.99 GHz，频谱的宽度为：0.59 GHz。按照BWR的经验公式，可知该频率范围对应的BWR=12.6%，小于15%，因此可采用单个功放或者滤波器覆盖整个频段。因此，该频段定义一个频带是一个简单明了的选择。

4 NR信道、带宽关键参数设计

在5G NR的信道带宽设计讨论中，期望5G相对于LTE有更多的灵活性，所以设定的需求包括：

（1）子载波定义：能够支持不同的探测参考信号要求；

（2）最大带宽：能够支持更大的信道带宽；

（3）最小带宽：能够支持的最小的信道带宽；

（4）灵活的信道带宽配置：能够适应运营商的频谱块大小，考虑引入信道带宽的可行性。粒度可以RB（Radio Bearer）为单位；

（5）上下行支持信道带宽不对称。

4.1 子载波间隔

在LTE规范中，子载波间隔是固定的15 kHz。但是在5G新无线接入技术中，由于支持更多的频带、更多的信道带宽配置，因此希望定义多个子载波间隔方案来满足需求。在定义子载波带宽时候，需要考虑以下因素：

（1）相位噪声影响

相位噪声的存在，将会在子载波之间引入干扰。由于本征信号存在相位噪声，其信号为非单频信号，OFDM信号与该信号混频后的信号如图2所示：

子载波之间由于相位噪声造成拖尾现象，相邻载波的信号互相造成干扰，相位噪声越大，该拖尾现象越严重，从而形成子载波间的干扰。在低频段（<6 GHz），相位噪声可以做到比较小，因此15 kHz的信道间隔也不会造成严重的载波间干扰，但在毫米波频段，有研究成果表明：

1）当f0增加一倍时，相位噪声增加6 dB；

2）相位噪声与信号强度成反比；

3）相位噪声与振荡器品质因子Q成反比。

从上可以看出，随着工作频率的升高，相位噪声也会升高，因此对于较高频率如毫米波频段，其子载波间隔不能太小。

（2）多普勒频率扩展的影响

多普勒效应与频率以及移动速度相关。在TR38.913中，UE的最高移动速度为500 km/h（high speed scenario），由于6 GHz以下的频谱主要集中5 GHz以下频段，有公式（2）：

因此15 kHz也能满足要求，但比30 kHz和60 kHz性能上差一些，如图3所示。

对于毫米波频段，多普勒扩展会增加很多。基于上述考虑，以及运营商的频谱和基站和终端的的实现能力，一种合理的方案是分段进行子载波间距的设定，在6 GHz以下，最大支持60 kHz子载波间隔、4 096 FFT（Fast Fourier Transform）size，支持的带宽如表4所示：

同时，考虑到采样率太大对于ADC和DAC的设计带来很大的困难，虽然现有候选的5G频谱资源，例如3.3 GHz—4.2 GHz、4.4 GHz—4.99 GHz比较宽，但单个运营商实际的频谱应该不会太宽。因此建议对于6 GHz以下，在R15阶段最大信道带宽为100 MHz。在毫米波频段（>24 GHz），最大支持120 kHz，4 096 FFT长度最大支持的带宽为400 MHz。因此建议R15阶段最大信道带宽为400 MHz。

4.2 灵活带宽配置方案

灵活带宽的概念提出起初是为了提高运营商频谱的使用效率。例如：某个运营商有7 MHz带宽的频谱，在LTE里面只能使用单载波的5 MHz，或者通过5 MHz+1.4 MHz的载波聚合方式，但都会造成2 MHz或者0.6 MHz频谱空间的浪费。为了解决这个问题，在5G新无线接入技术里面进行灵活带宽配置的研究和尝试，其基本方案是在BS侧，信道可以以RB为粒度灵活变化。如图4所示，7 MHz的频谱能够得到很好的利用。

由于运营商的频谱也是比较碎片化，尤其是在6 GHz以下，因此在NR阶段引入灵活带宽配置的概念，刚开始UE侧和BS侧都进行了讨论。引入灵活带宽的优缺点如下：

（1）优点

1）提高频谱利用效率；

2）根据业务量大小调整带宽，有利于节电；endprint

3）UE側可以降低最大峰均比。

（2）缺点

1）可能会增加规范制定的工作量；

2）可能增加实现难度挑战，比如混频器、数模/模数转换、滤波器等。

由于标准中很多指标与信道带宽直接相关，因此需要研究灵活带宽下相关指标如何定义。虽然大部分指标能够根据带宽进行按比例进行缩放，但是还有指标需要进一步分析和设计。在这种情况下，灵活带宽配置的整体方案是确定的，但是具体带宽灵活调整及相应的指标如何定义，还需要进一步深入的分析，并辅助以实验结果的验证，才能给出定义。

5 结论

5G无线通信系统的目标就是以新的频段、新的无线接入技术，支持多种不同的应用场景，如更高速率、更低时延，更大系统容量的高速无线系统和以万物互联为代表的物联网应用。在这种背景下，5G的频谱分配比以往各代移动通信系统都更为复杂，由此导致的频带定义及基础性的信道关键参数定义比以往的系统也更为复杂。

本文针对全球主要国家、区域对5G频谱分配的方案，从最基本的频带定义开始讨论了频带和信道定义的几个关键参数。当前3GPP正在全力投入标准设计和开发过程，标准化的进展较快，本文给出了频带定义和信道关键参数设计的几个可行的方案，但是3GPP关于5G无线新接入标准定义还存在较多详细分析验证的问题，有待进一步研究。

参考文献：

[1] RP-160671. Study on New Radio Access Technology[R]. 2016.

[2] R1-164383. Further discussion on evaluation assumption for eMBB deployment scenarios[R]. 2016.

[3] R4-1703099. Way forward on categorization of IFFT-based waveform candidates[R]. 2016.

[4] R1-165891. WF on subcarrier spacing in NR[R]. 2016.

[5] 3GPP. 3GPP RAN progress on "5G"[S]. 2016.

[6] 3GPP. 3GPP on track to 5G[EB/OL]. （2016-07-27）[2017-08-09]. http：//www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1787-ontrack_5g.

[7] R1-163993. Non-Orthogonal Multiple Access Considerations for NR[R]. 2016.

[8] R1-163992. Non-Orthogonal Multiple Access Candidate for NR[R]. 2016.

[9] 3GPP TR 36.859 v13.0. Study on Downlink Multiuser Superposition Transmission （MUST） for LTE[S]. 2016.

[10] R1-164023. Discussion on interference management based on advanced transceivers for NR[R]. 2016.endprint