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王坦:5G峰值流量担当,26GHz频段走向解析

【字体: 2017年09月01日 17:08 来源:中国无线电管理网 作者:王坦 何天琦(华北电力大学)

一、前言

相比于历代移动通信系统,IMT-2020(5G)系统将是一个复合系统,将不仅可以提供超清视频、虚拟现实等极致业务体验,满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种区域的多样化业务需求,还能够支撑各个垂直领域的物联网应用。

与此同时,为实现在覆盖、容量、性能等方面的要求,5G系统的频谱需求缺口显著增加。根据我国IMT-2020(5G)推进组研究结果:在低频段方面(6GHz以下),我国5G总体需求量为808-1078MHz,而在高频段方面(6GHz以上)需求量则达到了14-19GHz。其中,6GHz以下的中、低频段将成为提供5G业务覆盖的主频段,而6GHz以上的频段将成为高密度地区峰值流量的承载频段。

国际电信联盟(ITU)为2019年世界无线电通信大会(WRC-19)设立的5G高频段议题1.13,标志着5G频谱全面迈入毫米波时代。1.13议题将针对24.25-86GHz频段范围的11个候选频段开展研究,为IMT家族的未来发展找寻新的频谱资源。

二、26GHz频段概况

24.25-27.5GHz频段(简称26GHz频段),是WRC-19 1.13议题11个候选频段中频段最低的一段。在ITU《无线电规则》频率划分表中,该频段有移动业务的主要划分。总的来说,26GHz由于频段相对较低、带宽较大(3250MHz的连续带宽)等特点,在议题确立之后就被全球IMT产业火速锁定为优先研究并极力争取的频段。但是,该频段还存在着多种其它无线电业务的划分和应用。例如,卫星间业务主要用于数据中继卫星系统,在航天领域发挥着重要作用;卫星地球探测和空间研究业务主要在气象等领域,用于卫星对地数传、遥感观测等;此外,邻频23.6-24GHz还有无源卫星地球探测业务。而且,世界各国的使用现状存在着一定的差异(下图给出了我国26GHz频段范围内有划分、已规划或部署的业务错综复杂)。这使得26GHz这个全球最瞩目、研究最集中的频段也成为了形势最复杂、讨论最激烈的议题频段。想要发展IMT系统,就需要确保它对现存业务不产生有害干扰,开展IMT系统与该业务的兼容共存分析研究是5G正式部署之前的必经之路。

图1  26GHz频段内我国相关无线电业务划分情况

三、26GHz全球研究动态

2016年11月的意大利5G峰会上,我国无线电主管部门表示中国正在积极开展26GHz频段的兼容性研究工作。截至目前,多个国家和地区均对IMT产业在26GHz频段的发展显示出浓厚兴趣。

1)欧洲:2016年11月,欧盟无线电频谱政策工作组(RSPG)发布了欧洲5G发展战略路线[5],将26GHz频段定位为5G优先发展频段。欧洲邮电管理委员会(CEPT)特别表态,欧洲26GHz频段的5G协调工作将会在WRC-19大会之前完成,提前为世界范围的5G协调做好准备。

2)美国:联邦通信委员会(FCC)于2016年7月率先发布了美国5G频率规划,将28GHz、37GHz、39GHz、64-71GHz四个频段作为美国第一批5G主要频段。目前,美国境内26GHz部分频段有汽车雷达应用,但美国并不反对其它各国IMT产业发展26GHz,。

3)德国:德国支持RSPG频谱工作意见,并将根据市场需求,结合下一代移动通信系统(5G)、物联网、M2M、工业4.0、智能电网等概念优先发展700MHz、2GHz、3.4-3.8GHz、26GHz等频段。

4)韩国:目前,韩国明确支持26GHz用于5G系统。此外,由于在26.5GHz以下有部分频段用于汽车雷达,因此韩国现阶段重点支持26GHz频段中的26.5-27.5 GHz部分。

5)日本:拟在3.6-4.2GHz、4.4-4.9GHz和27.5-29.5GHz开展5G试验,并支持1.13议题其它候选频段用于5G。

6)俄罗斯:为便于未来国际协调,俄联邦将24.25-27.5GHz、31.8-33.4GHz、40.5-42.5GHz和66-71GHz作为优先研究频段。

7)澳大利亚:在11个候选频段中,24.25-27.5GHz与37-43.5 GHz是澳大利亚最感兴趣的两个频段。前者中的27-27.5GHz部分现有FSS业务,需要国际保护。

8)阿拉伯地区:阿拉伯频谱管理组织(ASMG)将对24.25-27.5GHz、31.8-33.4GHz、40.5-42.5GHz和42.5-43.5GHz四个较低频段优先展开兼容共存分析研究。

下图归纳整理了世界部分国家及区域开展5G研究的重点频段情况。

图2 世界部分国家5G重点研究频段

四、26GHz兼容性研究要点

兼容共存分析研究是候选频段可行性研究的关键环节,其目的是确保频段内现存业务与新业务之间互不干扰。在国际规则中,遵循“次要业务让主要业务、后用让先用、无规划让有规划”等准则。当同一频段内存在多种业务时,不同业务类型具有不同的特点和参数,保护要求和方式也不尽相同。因此,将26GHz频率给5G使用,就要确保5G系统能够与现有业务“和平共处”。目前,该频段中现有的、有待重点开展兼容性研究的其它无线电业务主要包括:卫星间业务(ISS)、卫星地球探测业务与空间研究业务(EESS/SRS)(空地对)、卫星固定业务(FSS)(地对空)等。

(一)卫星间业务

ISS是在人造地球卫星之间的无线电通信业务,目前主要用于数据中继卫星系统。根据国际电联现有建议书,25.25-27.5GHz频段是ISS的反向链路,也即距地高度约数百公里的低轨卫星(NGSO)或飞行器向赤道上方距地高度约36000公里的地球同步卫星(GSO)发射的链路,如图3所示。

5G系统与ISS的共存问题是空、地间电磁兼容分析的典范,具有较高的复杂性。GSO与地球时刻保持相对静止,而NGSO通常几个小时就绕地球一圈。为保证GSO和NGSO之间有效通信,GSO的接收天线通常对NGSO具有一定的跟踪能力,也即,GSO接收机的天线会根据通信目标的运动不断调整其接收方向。这导致了星间通信链路具有很大的动态性。另外,NGSO一般是以星座的形态运行——GSO与星座之间执行一套特定的追踪方法,例如:追踪星座中特定的一颗NGSO,或追踪当前距离最近的一颗NGSO等。这些问题给5G与ISS的兼容共存研究带来了不小的麻烦。如图3所示,当GSO接收天线在指向某颗NGSO时,其天线朝向也正好指向了地面上的一片IMT聚集区域,那么它很可能会接收到区域内大规模IMT系统的集总信号干扰。干扰有多大?是否超过门限?干扰时间有多长?这些问题需要通过兼容性研究来解决。

图3 卫星间业务示意图

此外,5G系统与ISS的共存问题还是一个全球性问题。26GHz频段与ISS有关的GSO轨位在全球范围内有数十个,而IMT系统一旦部署也通常是在全球范围。由于GSO指向NGSO角度变化的动态性,不可避免的,GSO接收天线将对全球地面区域进行“扫描”。所以,兼容性研究不仅要考虑本国IMT系统对本国GSO的干扰,还要考虑本国IMT系统对他国的干扰,以及他国IMT系统对本国GSO的干扰。图4展示了我国经度范围内赤道上空某一星间系统与全球IMT系统的关系,虚线表示GSO正在跟踪某一颗星。如图可见,当前ISS业务有可能受到东南亚地区的IMT系统影响。

目前,5G与ISS的兼容共存研究,由于研究场景较新、参数模型较新,开展技术分析的方法还有较大的不确定性,现有分析软件均不再适用。多个国家和区域电信组织都在积极搭建全新的分析平台,争取及早给出有信服力的结果,在国际协调上争得话语权。

图4 全球IMT系统与卫星间系统示意图

(二)卫星地球探测/空间研究业务(空对地)

EESS/SRS(空对地)是包含地球站与一个或多个卫星的无线电通信,以及卫星之间的通信。在26GHz频段内,EESS/SRS业务的空间电台将收集到的数据(地球特征、自然现象、太空特征等)对地传输到指定的卫星地球站。通常,这类数传具有带宽大、速率高、站址相对较少的特点。其中,空间电台可能是GSO,也可能是NGSO,分别如图5和图6所示。当地球站接收天线朝向有IMT系统部署的区域时,可能受到来自IMT系统的集总干扰。

图5 地球探测业务(与GSO关联)示意图

对该类地球站实施保护的重要目标是确定保护距离,也即以被保护地球站为圆心进行“挖洞”,在“挖洞”区域内禁止部署干扰系统。目前,我国境内该类业务的卫星地球站数量不多,通常地处相对偏远地区,与部署在城市热点区域的高频段IMT系统先天存在一定的地理隔离,为实施保护提供了一定的先决条件。

和ISS相比,5G系统与EESS/SRS兼容共存研究的场景在地理范围上相对较小,对于“GSO-地球站”场景,卫星地球站始终指向GSO,仰角通常是固定的,也即地球站始终处于“抬头”状态,不大“看得见”地面的IMT系统。地球站纬度越高,仰角相对越低。而对于“NGSO-地球站”场景,卫星地球站的接收天线以一定规则对NGSO进行跟踪。当NGSO在保持通信的状态下运行到地球表面切线位置时,地球站的仰角可能很低,几乎处于“平视”状态,那么地球站有可能受到接收天线前方区域内IMT系统的集总干扰。

通常,对地球站的保护距离约为几公里到几十公里,大体上属于国内协调的事宜。

图6 地球探测业务(与NGSO关联)示意图

(三)卫星固定业务(地对空)

FSS指的是一个或多个卫星与地面给定位置的地球站或终端的无线电通信业务,完成固定点之间的通信。目前绝大多数的卫星通信服务都是来自FSS业务,例如VSAT通信、电视直播到户、电视节目传输、应急通信等。FSS业务在26GHz频段有24.65-25.25GHz与27-27.5GHz两段,均属于上行链路,如图7所示,GSO接收来自卫星地球站/终端的数据消息。

图7 卫星固定业务示意图

从兼容性分析的角度考虑,FSS业务需要5G保护的是空中电台的接收,研究场景与ISS业务相似,因此也是全球性问题。但FSS的通信对象主要是地面上的卫星地球站或终端,相比ISS场景下的低轨卫星,其接收天线是相对“静止”的。

五、5G系统有助于兼容共存的特征

2017年2月,ITU-R正式发布了IMT系统兼容共存分析的建模与仿真建议书M.2101,这份国际标准的发布为未来开展IMT系统与其它无线电系统兼容共存分析方法提供了重要依据。在国际电联的议题研究框架下,世界各国及区域组织均需要遵循其中的设定。与此同时,ITU-R还给出了26GHz的5G系统场景分类、部署密度、天线规格和传播模型等系统参数。借鉴美国开展5G频率规划时的相关研究,从定性角度分析,5G系统部分关键技术特征有助于加强5G系统与其他无线电业务系统的共存能力,包括:

(1)天线采用波束赋形技术:利用大规模的天线阵列将波束赋形、指向用户,可以增强用户接受信号质量。一般来说,只有当发射端朝向接收端时,也同时指向被干扰系统时,干扰才达到较大值。

(2)终端采用功率控制技术:用户终端向基站发送信号时通常是辅以功率控制技术。功控的作用在于保证了终端用最小的功率即可与基站正常通信,避免能量的浪费。通常情况下,采用功率控制的终端,其发射功率显著低于其最大发射功率,有助于降低对其它系统的干扰。

(3)基站高度低、覆盖范围小:高频段5G基站的天线高度一般为6米左右,具备了10度左右的物理下倾角。假设终端天线高度为1.5米,那么基站天线实际上是长期保持着一种“低头”的状态。传播路径不会直线延伸至远方地球站的天线高度(30米),更别说是卫星了。另外,高频段5G基站主要服务于热点区域,天线通常就安装在房檐下,覆盖范围较小。较为复杂的周围环境也对信号传播构成了一定的阻挡。

(4)传播损耗大:工作频率决定了信号在空间传播中经过了多少的距离仍具有一定的强度。信号在高频段中的传播损耗要远远大于低频段。也就是说,当两个系统距离很远时,干扰信号很大概率在空间中某一位置已经“消失”了,无法达到被保护系统的位置。这是高频段IMT系统可以大面积、高密度部署的重要因素。

目前,国际上正在积极开展26GHz频段5G系统与其他无线电业务的共存研究。2017年5月TG5/1第二次会议期间,多个国家就该频段兼容共存分析向ITU提交了研究文稿,会议讨论十分热烈。我国针对26GHz频段几种不同的无线电业务提交了3篇文稿,涉及2种ISS兼容性研究方法、2种EESS兼容性研究方法和1种FSS的兼容性研究方法,均获得了采纳,在全球26GHz频段的研究工作上发挥了积极作用。

六、结语

为在下一代移动通信产业发展周期中争得先机,世界各国竞相开展5G移动通信技术和频谱的研究工作。哪些频段被认定为5G候选频段,哪些候选频段最具优先发展价值,这些问题是IMT产业关注的重中之重。其中,24.25-27.5GHz(26GHz频段)因其频率低、宽带大的特点在毫米波候选频段中脱颖而出。

全球范围内,26GHz频段划分有ISS、FSS、EESS等一系列卫星相关业务。因此,IMT产业在该频段的发展必定需要解决这些全球性研究问题,以确保各方面利益不受损害。在国际上,我国及其它IMT大国表达了对26GHz频段的极大兴趣,我国在研究进度方面达到与世界同步以致领先的状态。如今,国内外5G频谱研究工作还在稳步有序的推进,我国将为26GHz频段成为5G全球一致频段做出不懈努力。


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