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5G频谱推荐白皮书(六):5G接入新频谱的潜在解决方案

1、引言
 
本部分介绍美洲移动通信协会对为使未来第五代移动通信无线接入网络能采取新兴物理频段的一些潜在解决方案的思考,这些方案与相关的技术进步是直接相关的。例如,高频段(比如毫米波频段)芯片及天线阵列技术的商用可行性,可为现在尚无法使用这些物理频段的移动通信及数据接入系统提供很多的发展机遇。同样地,空口干扰避与/或保护机制将促进统一物理频段内各个移动通信基础网络运营商相关系统更好地共存。
 
2、对移动通信无线接入网络相互干扰的保护问题
 
由于采取的是独家使用的授权型频谱分配机制,商用移动通信市场获得了繁荣发展。此类机制正在强劲地驱动着第四代移动宽带接入网络在全球的部署及商用,并将持续延伸至未来的第五代移动通信时代。因此,对于未来第五代移动通信无线接入网络,政府通信监管部门的首要目标应该仍然是为其指配具有更多可用无线频谱资源的授权型物理频段。
 
美洲移动通信协会正在促进美洲各国政府通信监管部门仅最大努力来确保对未来第五代移动通信无线接入网络所有可用物理频段进行授权型指配,同时考虑在适当的时间段内进行频谱共享接入的相关机制。例如,当研发出可灵活使用相关频谱的技术,并能够确保对主级用户(其他无线电系统)具有足够保护度的时候,移动通信基础网络运营商就能与FSS(Fixed Satellite Services,固定卫星服务)运营商及雷达通信方等进行频谱的共享接入与使用。因此,美洲移动通信协会建议美洲各国政府通信监管部门进行相关的无线兼容性研究,以得到可促进未来第五代移动通信无线接入网络在同一或相邻物理频段内与其他无线电业务系统相互共存的辐射及协调需求。
 
此外,在一些无线电业务系统的应用场景之中,仅在某个/些地方与时间段才会使用大量的无线频谱资源。由此,未来的第五代移动通信无线接入网络就可以探索相关的可能性,研发基于地域或者时间段的频谱共享接入机制。通过此种方式,政府通信监管部门可以确保在不对其他无线电业务系统造成有害干扰的前提下,使得未来的第五代移动通信无线接入网络能够使用更多的底层无线频谱资源。
 
采取频谱共享接入机制时,为了对其他无线电业务系统进行射频干扰保护,相关的解决方案主要有以下三大类:
 
(1)终端感知设备一定要能监测到频谱的主级用户是否在使用其无线频谱资源。而且/或者,需要建设并维护一个可以实时更新的数据库,用以实时跟踪主级用户的频谱使用现状及需求情况;
 
(2)频谱的主级用户需发射一个信标信号,位于该地理区域内的移动通信及宽带数据接入用户的终端设备监测到这个信标后,随即对于无线数据传输进行调整;
 
(3)当在同一个物理频段或相邻信道中部署多种无线电技术系统时,需要进行适当的公平性考虑,以确保实现高效的频谱共享接入、避免出现干扰现象。
 
对于仅在固定地点进行无线通信的无线电业务系统(比如:地面广播电视发射台、固定卫星通信服务地球站、地面雷达站等),基于地理区域的频谱共享接入机制最好采取“频谱数据库”解决方案。目前,行业里已经出现了相关的试验系统:2300 MHz频段处,面向TD-LTE、基于频谱数据库的频谱共享接入机制。
 
如果相关无线电业务系统(比如:海事雷达)的用户是移动的,或者仅在一定的时间段内使用相关的无线频谱资源,基于时间段的频谱共享接入机制最好采取“现场无线感知”解决方案。
 
最近,美国联邦通信委员会发布了一份R&O(Report and Order,报告与命令),要求在3.55 GHz频段进行物理带宽总共150 MHz的无线频谱资源共享。目前,这一频段由美军方、固定卫星服务及无线宽带服务使用。美国联邦通信委员会在此频段定义了基于三级用户的频谱共享接入机制:第一级是现有用户(主级用户),第二级将是获得“优先接入牌照”的用户;第三级将是获得“通用接入牌照”的用户(其优先级是最低的)。
 
对于3550 MHz~3650 MHz频段(现由美军方使用)的频谱共享接入使用,美国联邦通信委员会划分了两个阶段。在第一阶段中,无需部署ESC(Environmental Sensing Capability,环境感知能力),然而,美国联邦通信委员会划分出了一个很大的隔离频段(尤其是对于相关无线频谱资源使用度最小的海岸线)。在第二阶段,可以使用上述隔离频段内的无线频谱资源,但前提是美国联邦通信委员会批准采用EPS,而且在相关地理区域内,美军方没有使用相关无线频谱资源的时候。而即使美军方正在使用相关的物理频段,但也仅是使用其中的一小部分,而非全部,从而采取频谱共享接入机制就具备可能性。
 
美国政府已经确认,将在未来几年的时间中,拿出物理带宽总计1000 MHz的无线频谱资源进行基于频谱共享机制的商用。2013年6月14日,奥巴马总统签署了一份备忘录,其中表明,美国政府正在寻求基于允许并鼓励无线电业务提供方拿出更多授权型物理频段与其他无线电业务进行频谱共享接入的方式来提高频谱使用效率。作为响应,NTIA(National Telecommunications and Information Administration,美国国家电信和信息管理局。无线电频谱使用管理机构)发布了一项计划,确认考虑物理带宽总计为960 MHz的联邦频谱来进行频谱共享接入,并进行相关的可行性研究。
 
国际上,研究频谱共享接入机制的主要机构及其相关项目包括:
 
(1)IETF(Internet工程任务组)。PAWS(Protocol to Access White Space,白频谱接入协议)数据库。
 
(2)IEEE。DySPAN-SC(Dynamic Spectrum Access Networks Standards Committee,动态频谱接入网络标准委员会)。
 
(3)IEEE。IEEE 802.11af以及IEEE 802.22。
 
(4)ETSI(欧洲电信标准协会)。RRS(Reconfigurable Radio Systems,可重构无线系统)。
 
(5)WINN论坛。SSC(Spectrum Sharing Committee,频谱共享委员会)。
 
(6)3GPP的SA5。对LSA(Licensed Shared Access,授权频谱共享接入)的OAM(运营、管理及维护)的研究。
 
在解决移动通信行业对于频谱共享接入机制的需求方面,仅有几个组织机构在研究,并不广泛。
 
3、高频段芯片与天线技术的进步
 
在6 GHz~100 GHz频段,有着大量、连续的可用无线频谱资源。同时,在6 GHz频段以下的物理频段,也存在着运行未来第五代移动通信无线接入网络的理想频段。另外,为了最终达到高于10 Gbps峰值传输速率、100 Mbps小区边缘速率的第五代移动通信系统目标,采用高级芯片的LTE-Advanced与采取先进天线技术的大规模MIMO(多输入与多输出)系统可进一步地提高无线频谱资源使用效率,这对于第五代移动通信系统的设计而言,是至关重要的。
 
可用于提高移动通信系统容量与网络覆盖的两大主要技术是“波束赋形”与“空间复用”。波束赋形技术通过对天线阵列发射出的射频信号进行相干叠加,来提高无线链路的SNR(Signal-to-Noise Ratio,信噪比),以此来达到提高移动通信系统容量与网络覆盖的效果。而空间复用技术则通过在AP(Access Points,接入点)与一个或若干个UEs(终端)之间形成多个并行传输的无线信道来增大系统容量。
 
在6 GHz~100 GHz频段,未来的第五代移动通信无线接入网络中部署的大规模相位天线阵列将通过采取上述的波束赋形技术与空间复用技术来提高系统容量、增强网络覆盖、增大无线频谱资源的利用效率。此外,空间复用技术的采取也依赖于未来第五代移动通信无线接入网络的底层物理带宽。例如,在厘米波频段,最大的可用物理带宽数值要小于500 MHz,于是,为满足5G的峰值数据传输速率需求,就需要部署具有4~8条数据流能力的SU-MIMO(单用户MIMO)技术。又如,在毫米波频段,最大的可用物理带宽数值更宽(比如:2000 MHz),于是,为满足5G的峰值数据传输速率需求,就需要部署具有两条数据流能力的SU-MIMO技术。
 
现有蜂窝移动通信网络物理频段(比如2 GHz频段)、厘米波频段(3 GHz~30 GHz)与毫米波频段(30 GHz~1000 GHz)在波长上的不同,造成了额外20 dB~30 dB的路径传播损耗,但是可以采用部署大规模相位天线阵列(具有较大的功率增益)的方式来进行补偿。由于随着射频载波频率数值的增大,天线的物理尺寸也相应地会变小,于高频段部署大规模相位天线阵列就具备可行性。从而,从外形尺寸的角度,在小基站处部署数百幅高频段天线就将成为可能。
 
根据各物理频段无线射频传播特性的不同,大规模天线阵列的实施架构也就不同,而且主要分为以下三大类:
 
(1)以基带信号处理为导向的架构
 
于其中,是直接对基带信号进行波束赋形,而且每副天线由单独的发射机馈入基带信号。可见,这种架构最适合面向低于6 GHz频点的物理频段,而且具备高度的灵活性及高性能。但是,其成本高、功耗大。
 
(2)以射频信号处理为导向的架构
 
于其中,每副天线由单独的发射机馈入射频数据信号。该架构最适合面向毫米波频段(30 GHz~100 GHz),在相位变换器之中实施波束赋形技术。但是,该架构无法对每个发射机分支进行增益控制,或者控制的力度是有限的。
 
(3)混合型架构
 
于其中,波束赋形既在基带信号域实施,也在射频信号域实施。该架构最适合面向厘米波频段(6 GHz~30 GHz)。
 
在毫米波频段,高度集成的RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit,射频芯片)解决方案提供了完整的发射与接收链条,非常有望被用于满足未来一代毫米波无线通信产品的外形尺寸、成本以及功耗需求。虽然在具备必要性能方面,毫米波无线通信芯片研发目前的确存在较大的挑战,一些高级芯片已经可以在基于这些频段的无线通信系统之中运行,并将持续演进,以满足未来的相关性能需求。
 
4、与无线射频传播相关的损耗问题
 
厘米波频段与毫米波频段的电磁波传播特性是相似的。然而,这两个频段里,波长的不同将会导致其传播机制具有一些不同的特性。厘米波频段与毫米波频段的传播与交互作用机制主要有以下的六点不同:
 
(1)自由空间传播损耗方面
 
“Friis传输法则”认为,随着频率数值的增长,无线电波的自由空间传播损耗与频率值的平方成正比。原因在于,“Friis传输法则”假定发射天线与接收天线的尺寸与无线电波的波长数值相当,从而,随着频率的增大,天线的尺寸大小也就会随之降低。在毫米波频段,无线电波的波长数值更小,这就意味着,在相同的物理区域内,可以部署更多副天线,从而就可进一步地提高信号功率。因此,当在相同的物理区域内部署多幅天线时,毫米波无线信号的传播就不会受到更大自由空间损耗的影响(因为有天线增益来补偿)。
 
(2)无线电波绕射损耗方面
 
无线电波的绕射损耗随着频率数值的增大而成比例地增大。而且,对于毫米波无线通信而言,“绕射”将不会是主要的传播机制。在NLOS(非视距)传输区域,“绕射”是厘米波频段内,6 GHz~10 GHz频段无线电波信号的主要传输机制。而在厘米波频段内的10 GHz~30 GHz频段,虽然也存在绕射现象,但其并非是NLOS传播的主要方式。此外,在毫米波无线通信系统之中,不存在无线电波绕射现象。
 
(3)无线电波反射与散射方面
 
反射机制分为单向反射/镜面反射(比如墙壁、交通工具、地面与人体等对无线电波的反射)与漫反射(物体对无线电波信号能量向各个方向的散射)。对于厘米波频段与毫米波频段,镜面反射机制对于所有频率/频点而言均具有一致性,从而是于非视距传输环境中获取无线电信号最为可靠的方式。而对于漫反射的情况,物体(障碍物)表面的粗糙程度与无线电波波长的关系是需要重点考虑的。从而,在毫米波频段,漫反射效应要比厘米波频段显著。由于无线电波信号的散射范围更广,毫米波无线通信系统也可以利用漫反射效应来扩展覆盖范围(从而可能会覆盖到非视距传输区域)。目前,毫米波通信研究组织已将相关课题纳入无线电波传播研究范畴。
 
(4)物体(障碍物)穿透方面
 
无线电波信号对物体(障碍物)的穿透指的是前者的一部分能量穿过后者进行传输的现象。一般地,物体(障碍物)穿透损耗是随着无线电波频率数值的增大而增大的。因此,在厘米波频段的低端部分,室内覆盖损耗是可以接受的,但是,厘米波频段的高端部分与毫米波频段则不然。虽然在此物理频段之内,“室外到室内”传播将会比较困难,但是室外覆盖系统与室外覆盖系统分离程度的提高则可极大程度地减小两者间的相互干扰。
 
(5)氧气与水面吸收、雨衰问题
 
100米~150米的最大支撑范围有望使氧气与水面吸收损耗、雨衰处于可接受的范围内——即使是在频率更高的毫米波频段,在最坏的雨衰情况下,相关损耗也不会超过6.0 dB。
 
(6)无线电波信号的植被与森林损耗问题
 
此类损耗一般会随着频率数值的增大而增大,从而,对于运行于毫米波频段以及厘米波频段高端的无线通信信号将会造成一定的损害。然而,这一问题可以通过反射与/或面向不同接入点的快速路由来解决。此外,以潜在的多层连接来紧密集成不同的无线接入网络技术,将可为用户提供“无缝”的使用体验。
 
5、总结
 
相关组织/机构正在不同城市对6 GHz~100 GHz频段的上述无线传播特性进行实际的测试验证。对基于6 GHz~100 GHz频段甚至低于6 GHz频点物理频段的未来第五代移动通信系统的评估,将需要一个高度可信的无线信道模型(预计可在2016年年中成熟)。相关的无线信道模型必须能对绕射、漫射、极化、延迟扩展、角度扩展、阻塞与穿透损耗的频率相关性进行准确的建模。
 
 
参考文献:
 
[1] 4G Americas. 5G Spectrum Recommendations [EB/OL].
http://www.4gamericas.org/files/6514/3930/9262/4G_Americas_5G_Spectrum_Recommendations_White_Paper.pdf, 2015-08-11.
 
本文作者为上海情报服务平台兼职情报分析员

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