C波段5G频谱规划研究最新进展

2017-12-01郭春霞刘婧迪李男

移动通信 2017年20期

关键词：波段频段频谱

郭春霞，刘婧迪，李男

（中国移动通信集团公司研究院，北京 100053）

C波段5G频谱规划研究最新进展

郭春霞，刘婧迪，李男

（中国移动通信集团公司研究院，北京 100053）

为了满足移动业务需求，5G技术将提供10倍于4G的速率，同时5G技术在可靠性、低时延方面有了大幅度提升。主要对国内外地区5G C波段频谱分布最新进展进行了系统的梳理和详细的介绍，并基于工信部提出的C波段5G与邻频卫星地球站共存性问题，通过系统级蒙特卡洛仿真方法进行了深入的研究。本文系统合理地分析了IMT基站对卫星地球站的聚合干扰，以及两系统邻频共存所需要的隔离距离和干扰余量，为5G频谱规划提供了坚实的技术储备。

5G 频谱规划 C波段邻频共存

1 引言

移动业务需求的不断增长为通信技术的发展提出了更高的要求。5G在未来将会提供10倍于4G的速率，同时在高可靠性、低时延方面有了大幅度的提升。2017年6月13日在“IMT-2020（5G）”峰会上，IMT-2020（5G）推进组副主席王志勤在接收采访时表示，随着国内5G试验的逐步推进，我国已经实现了“3G突破、4G同步、5G引领”的整体战略构想。

频谱资源是移动技术发展的基础。ITU WP 5D进行的5G频谱需求评估结果显示，6 GHz以下频段频率需求大概为1 000 MHz，24.25 GHz以上频率需求大概为十几吉赫兹，如此高的频谱需求对5G频谱规划提出了更高的要求。为了推进5G技术发展，主流电信国家纷纷提出国家宽带计划，并积极开展5G频谱规划，助推产业发展。6 GHz以下C波段良好的传播特性，使其更加适合5G技术，因此受到国际主流电信国家和地区的青睐。

工信部发布的《工业和信息化部关于第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz频段相关事宜的通知（征求意见稿）》[1]中指出：3 400 MHz—3 600 MHz频段IMT-2020系统电台不应对该频段频率许可有效期内的卫星固定业务地球站产生无线电干扰。现阶段缺少该频段两系统共存的仿真研究，因此有必要进行相关兼容性研究，分析两系统共存的可能性并计算相应的干扰余量，为后续5G频率规划提供坚实的技术保证。

首先介绍了未来5G频谱需求，包括ITU WP 5D工作组进行的未来5G频谱需求评估结果。随后介绍国外针对5G频谱需求所做的5G频谱规划以及C波段频率使用情况，包括日本、韩国、欧洲、美国。接着介绍我国工信部发布的5G C波段应用征集意见稿。最后考虑意见稿中C频段5G与卫星地球站之间邻频共存干扰问题，本文通过系统级仿真完成两系统的兼容性分析。

2 未来5G频谱需求

GSA 2017年的统计数据显示，相比于2016年2月份，2017年LTE用户设备数量增加了77%[2]，同一时期，设备商数量增加了48%，设备数量迅速增加的产业链背后是庞大的移动数据业务需求量。数据业务需求的爆发式增长使得5G技术应用存在大量的频谱缺口。

WP 5D最终评估结果显示[3]，未来IMT-2020所需要的6 GHz以下频谱需求为808 MHz—1 078 MHz，详细的IMT-2020频谱需求情况如表1所示。

表1 未来5G频谱需求评估结果

3 国外5G频谱规划以及C波段频率使用情况

3.1 日本5G频谱规划以及C波段频率使用情况

2017年1月，日本5G MF组织成立了5G试验推进组，开启5G相关试验活动。日本5G系统试验包括无线接入、网络、应用等，这些试验将在东京以及其他城市陆续展开。

为了在2020年商用5G，MIC制定了“2020无线策略”，并提出了针对无线通信系统的频率配置目标，具体目标如下所示：

（1）对于6 GHz以下频率：与现在的公共服务系统以及其他系统频率共享，并保证于2020年能够提供包括无线局域网在内的2 700 MHz带宽。

（2）对于6 GHz以上频率：积极推进参与国际标准化活动，预计可以提供大约23 GHz的带宽。

日本C波段频率策略如下所示：

（1）3.6 GHz以下频段

◆3.4 GHz频段：考虑加速终端试验进程。

（2）3.6 GHz—4.9 GHz频段：待定

◆3.6 GHz—4.2 GHz：待定；

◆4.4 GHz—4.9 GHz频段：综合考量国际频率协调、国际Ramp;D趋势以及与已有系统的频率共享。

（3）5 GHz（WLAN）频段

◆5.15 GHz—5.35 GHz：紧跟国际趋势，积极推动与其他室外系统的频率共享；

◆研究LAA、LTE-U以及MulteFire等新的频率共享技术，紧跟国际趋势。

3.2 5G频谱规划以及C波段频率使用情况

韩国于2012年1月就已经提出了“韩国国家宽带计划1.0” ，计划到2020年提供600 MHz带宽频率用于IMT系统。2013年11月韩国又提出了“韩国国家宽带计划2.0”，计划到2023年提供至少1 000 MHz带宽频率用于IMT通信，其中包括6 GHz以上的500 MHz带宽以及6 GHz以下的600 MHz带宽。

韩国于2016年4月完成频谱拍卖，拍卖的频率后期主要用于IMT技术应用，本次拍卖共完成5块频段拍卖，包括700 MHz频段的40 MHz带宽，1.8 GHz频段的20 MHz带宽、2.1 GHz频段的20 MHz带宽以及2.6 GHz频段的60 MHz（40 MHz TDD+20 MHz FDD）。

韩国对C波段5G频谱规划情况主要参考WRC-15频谱划分意见，具体如下所示：

（1）3.4 GHz—3.6 GHz（希望可以达到3.7 GHz）：

支持5G。

其中，3 300 MHz—3 400 MHz已经分配给其他系统，后续5G系统电台不应对该频段频率许可有效期内的系统产生无线电干扰。

（2）1 452 MHz—1 492 MHz：支持5G，但是还没有具体规划。

（3）4 800 MHz—4 990 MHz：支持现有系统、设备。

3.3 欧洲5G频谱规划以及C波段频率使用情况

欧盟CEPT于2016年公开征集在5G使用C波段3 400 MHz—3 800 MHz频段相关意见，并于2016年11月30日完成意见征集。这些意见包括成员国在C波段3 400 MHz—3 800 MHz频段内的授权，现在以及未来频率配置情况以及该频段设备使用情况。此次意见征集收到了良好的反馈，30个成员机构中有22个机构给出了反馈，这意味着C波段3 400 MHz—3 800 MHz频段中至少有一部分会被用于5G技术。移动工业组织同时指出，C波段3 400 MHz—3 800 MHz频段将会是eMBB技术的主要频段，相关试验表明该频段传播特性适合密集城区室内、室外部署场景。

2017年11月，欧盟委员会下属组织RSPG宣布优先选择C频段3 400 MHz—3 800 MHz频段进行5G部署。

3.4 美国5G频谱规划以及C波段频率使用情况

现阶段美国5G频段主要集中在毫米频段以及最近刚刚拍卖完成的600 MHz频段。除了高、低频段，美国同时考虑C频段5G部署情况。2017年3月，美国发布了MNA（Mobile Now Act）项目，建议在C波段，除了已经配置的用于IMT的3 550 MHz—3 700 MHz以外，另外考虑3 100 MHz—3 550 MHz以及3 700 MHz—4 200 MHz频段5G技术应用的可能性。美国Doc以及NTIA在2016年11月份的工作报告中指出，考虑到3 100 MHz—3 550 MHz频段复杂的频率使用情况，需要加紧完成3 100 MHz—3 550 MHz频段测试验证，以便确定该频段是否可以用于5G。针对3 700 MHz—4 200 MHz频段复杂的电磁环境，FCC在2017年考虑通过高效合理的频率管理办法，如频率共享机制，以实现频谱资源高效合理的利用。

虽然现阶段美国还没有决定是否在C波段部署5G网络，但运营商以及监管机构依旧支持在3 300 MHz—3 400 MHz频段以及3 400 MHz—3 600 MHz/3 700 MHz的5G全球频率规划。

4 我国工信部发布5G C波段应用征集意见稿

为了实现“中国制造2025”以及“工业互联网4.0”计划，我国正在积极推进5G技术发展，以实现信息化、数字化工业产业升级。根据我国十三五规划，到2019年，至少为5G技术发展规划500 MHz的频率范围。

2017年6月5日，工信部发布《工业和信息化部关于第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3 300 MHz —3 600 MHz和 4 800 MHz—5 000 MHz频段相关事宜的通知（征求意见稿）》。《意见》中明确了C波段3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz频段为IMT-2020工作频段。同时建议 3 400 MHz—3 600 MHz频段IMT-2020系统电台不应对该频段频率许可有效期内的卫星固定业务地球站产生无线电干扰。对于频率许可到期但用于卫星遥测的该频段及邻频地球站，应给予一定的保护，具体措施由IMT-2020系统运营方与相关卫星操作者协商解决。

考虑未来5 G与已经存在的卫星地球站在C 波段3 400 MHz—3 600 MHz 邻频共存的情况，且现阶段缺乏两系统邻频共存的研究，因此有必要进行两系统邻频共存分析。本文第五章主要研究5G与邻频卫星系统邻频共存情况以及两系统共存所需要的隔离距离。

5 5G C波段与邻频系统共存研究

5.1 研究内容

工信部发布的《工业和信息化部关于第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz频段相关事宜的通知（征求意见稿）》中指出：3 400 MHz—3 600 MHz频段IMT-2020系统电台不应对该频段频率许可有效期内的卫星固定业务地球站产生无线电干扰。现阶段缺少该频段两系统共存的仿真研究，因此有必要进行相关兼容性研究，为后续5G频率规划，提供坚实的技术保证。

本文研究工作于3.5 GHz的5G（IMT-2020）系统与卫星固定业务地球站之间的邻频共存情况。相对于5G终端，5G基站拥有更高发射功率以及天线增益，因此更易对卫星地球站产生干扰。因此本文侧重研究5G系统基站对卫星地球站的聚合干扰情况。通过给出两系统邻频共存所需要的隔离距离以及干扰余量，研究两系统在现阶段仿真参数以及场景情况下，邻频共存的情况。

5.2 系统参数

（1）干扰保护准则

根据《ITU-R S 1432-1》[4]，本文兼容性分析使用的干扰准则为I/N=-12.2 dB，该干扰准则是较为严苛的干扰准则，考虑实际系统地球站拥有更好的接收机性能，抗干扰能力更强，实际系统所需要的距离要小于本文得出的隔离距离。

（2）5G基站参数[5]

表2给出了5G基站系统仿真参数，本文主要考虑郊区以及城区环境下5G基站对地球站的聚合干扰情况。

表2 5G基站参数

表3 卫星地球站参数

（3）卫星地球站参数

C波段卫星地球站工作于3 400 MHz—4 200 MHz，与未来的5G系统邻频共存，表3给出了卫星地球站的相关参数。

（4）干扰保护方案

当两系统邻频共存时，考虑的主要干扰保护手段包括距离隔离、频率隔离、提高发射、接收机滤波特性等。本文主要考虑通过距离隔离以及提升基站发射机滤波特性的方法，有效避免5G基站对卫星地球站的干扰。

5.3 干扰原理和研究方法

本文考虑两系统邻频干扰的情况，其中主要考虑的干扰类型为带外干扰、杂散辐射、阻塞干扰。使用系统级仿真方法完成共存性分析。具体仿真方法参见ITU-R M.2101。

带外干扰、杂散辐射以及阻塞干扰是邻频共存性仿真中主要考虑的邻频干扰种类。

带外干扰是由于发射、接收机滤波器特性的非理想性造成的，发射机滤波器会将一部分有用信号泄漏到正常接收机接收带宽内，同时接收机会接收到一部分邻频干扰，两部分干扰组成了邻频共存场景中的带外干扰。

发射机的杂散辐射是由于发射机中的非线性器件造成的，是指用标准信号调制时在除载频和由于正常调制和切换瞬态引起的边带以及邻道以外离散频率上的辐射。杂散辐射的来源主要是一些非线性元器件产生的谐波分量、交调信号等。

阻塞干扰是指接收机在接收弱有用信号时，受到接收频率两旁、高频回路带内一个强干扰信号的干扰，其害处是将被干扰系统的接收机推向饱和而阻碍通信。阻塞会导致接收机无法正常工作，长时间的阻塞还可能造成接收机的永久性性能下降。

5.4 系统级仿真分析

（1）共存场景

未来5G技术的主要应用场景为城区、郊区热点地区。为了避免与其他潜在邻频系统间的干扰，现阶段的卫星固定业务系统主要部署在人口密度较低的郊区和农村。卫星固定业务系统与IMT系统之间存在天然的地理隔离，因此本文主要考虑“地球站位于IMT配置小区一侧”的共存场景，即卫星地球站位于整个IMT系统地理区域的一侧，两系统邻频邻地理区域共存，此时的拓扑结构如图1所示[10]。

图1 共存场景拓扑结构

（2）两系统邻频共存仿真结果

通过蒙特卡洛系统级仿真，本文给出了城区以及郊区环境下，5G基站对不同仰角的卫星地球站的聚合干扰值、两系统共存所需要的隔离距离，以及对应环境下的实际干扰值以及干扰余量。

其中，文中描述的隔离距离是指卫星地球站与IMT部署小区边缘之间的距离，即隔离距离为0，这意味着地球站部署在小区边缘位置。评估场景一中隔离距离如表4所示，评估场景一中郊区环境的实际干扰值与干扰余量如表5所示，评估场景一中城区环境的实际干扰值与干扰余量如表6所示。

根据蒙特卡洛仿真结果可知，场景一中，当ACLR=65时，在郊区和城区环境中都可以实现5G系统与卫星地球站之间的邻频共存，隔离距离几乎为零。郊区环境中，当使用俯仰角为15°、30°、45°的卫星地球站时，隔离距离为零的情况下，可以获得6.34 dB、14.18 dB、18.68 dB的干扰余量。城区环境中，当使用俯仰角为15°、30°、45°的卫星地球站时，隔离距离为零情况下，可以获得0 dB、8.06 dB、12.56 dB的干扰余量。

因此根据本文的仿真结果，当ACLR=65时，两系统共存所需要的隔离距离几乎为0。且相比于本文所使用的卫星地球站接收机，实际系统中卫星接收机拥有更加灵敏的接收性能，抗干扰能力更强。因此实际系统中，通过提高IMT基站发射机性能，可以实现5G系统与卫星地球站之间的邻频共存。

6 结束语

本文首先对现阶段国内外C波段5G频谱规划最新进展情况进行了详细的介绍和系统梳理，包括3GPP C波段5G NR频段定义，我国、日本、韩国、欧洲、美国在C波段的频谱划分以及使用情况。最后通过蒙特卡洛仿真分析了5G系统与卫星地球站在C波段的邻频共存情况，仿真结果表明，可以实现5G系统与IMT系统之间的邻频共存。

表4 评估场景一中隔离距离

表5 评估场景一中郊区环境的实际干扰值与干扰余量

表6 评估场景一中城区环境的实际干扰值与干扰余量

[1]工业和信息化部. 公开征求对第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段的意见[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

1006-1010(2017)20-0058-06

郭春霞,刘婧迪,李男. C波段5G频谱规划研究最新进展[J]. 移动通信, 2017,41(20)： 58-63.

2017-06-27

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn