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          帶寬的重要意義:5G頻譜

          發布時間:2023-11-21 來源:Qorvo 責任編輯:wenwei

          【導讀】所謂 “頻譜”,是指特定類型的無線通信所在的射頻范圍。不同的無線技術使用不同的頻譜,因此互不干擾。由于一項技術的頻譜是有限的,因此頻譜空間存在大量競爭,并且人們也在不斷開發和增強全新的、高效率的頻譜使用方式。


          本文將介紹5G通信使用的第3代合作伙伴計劃組織(3GPP)全球頻譜。


          介紹5G 3GPP全球頻譜


          頻帶的帶寬越多,接收數據的量越大、速度越快。帶寬越多,下載大文件的用時越少。因此,移動網絡運營商和監管機構正在盡一切可能,重構、獲取或共享頻譜資源。


          所謂“頻譜重構”,是一種將一個現有應用所使用的頻譜轉移到新應用的方法(例如:2010年,移動網絡運營商將2G應用使用的頻譜直接轉移到4G LTE應用)。


          在釋放頻譜資源上,盡管監管機構已有長足進步,但仍需采取其他措施。為適應5G通信的眾多用例和性能需求,必須在所有頻率范圍都提供頻譜資源。另外,承運商為支持5G需要增加容量,由于帶寬是提高數據率的關鍵,因此運營商必須取得更多寬帶。


          3GPP為全球各個地區分配國際移動電信(IMT)頻帶。3GPP是一個由移動系統制造商組成的集體性項目合作伙伴組織。過去幾年,3GPP通過重構和清理數字電視等現有服務,穩步增加新的時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)3G和4G頻帶。


          甚至在5G到來之前,4G LTE就已在許多方面完善了頻譜效率。隨著高位調制技術的進步,例如:64和256正交波幅調制技術(QAM),以及多入多出(MIMO)和波束賦形技術的推出,每秒峰值數據率被推升至2吉比特。另外,LTE載波聚合技術也為移動網絡運營商新增一個提高帶寬的選項,即:將多個20MHz帶寬的頻率載波合并,提供最高140MHz的可用頻譜。在美國,當非特許LAA和CBRS頻譜與7分量載波(CC)聚合時,可實現140MHz的聚合帶寬。5G更進一步,允許進一步加大分量載波帶寬。在7GHz以下的FR1頻段,能夠實現100MHz帶寬;對于FR2頻段毫米波,則可實現400MHz的帶寬。如果個體移動網絡運營商擁有足夠的頻譜許可證,5G在FR2頻段能夠聚合達到800MHz的帶寬。


          5G頻譜目前劃分為兩個頻段:


          ●  7GHz以下頻段(FR1)

          ●  毫米波頻段(FR2)


          圖3-1所示為世界各國被分配的7GHz以下頻譜。


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          圖3-1:全球5G 7GHz以下頻帶使用情況,藍色為特許頻譜,灰色為非特許/共享頻譜


          在6GHz以上,更容易在毫米波頻帶找到100MHz或以上的連續帶寬。這種帶寬通常集中在24GHz、28GHz、39GHz直至80GHz ,5G允許的FR2信道帶寬最高可達400MHz。


          圖3-2所示為全球現有毫米波頻帶的可用情況。雖然6GHz以上的頻譜資源更多,但這些頻率的傳播條件更為復雜,往往需要基站與設備之間滿足視距條件。另外,毫米波還需要高度方向性波束賦形和大規模MIMO天線,以便實時跟蹤用戶。


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          圖3-2:全球5G毫米波頻帶使用情況,藍色為特許頻譜


          認識頻譜


          5G的部署將是在當前頻譜資產基礎上的演進。根據頻帶的不同,技術性能也不同。對某些用例而言,有些頻帶會比其他頻帶更適合。


          您可以主要通過兩種方式來考慮5G:頻帶的分配和頻帶的特許(無論是非特許頻帶、特許頻帶,還是共享頻帶)。


          01 5G頻帶


          5G頻帶分為三個明確類別:


          ●  低頻:410MHz至1GHz。

                  ○ 容量有限,但覆蓋面積大,室內穿透率強。

                  ○ 峰值數據率最高約為200Mbps。

          ●  中頻:1GHz至7GHz。

                  ○ 適合城鎮部署,增加容量。

                  ○ 峰值數據率最高約為2Gbps。

          ●  高頻:24GHz至100GHz(毫米波)。

                 ○ 覆蓋面積有限,但可能達到極高容量。

                 ○ 峰值數據率最高約為10Gbps。


          隨著運營商和原始設備制造商不斷完善毫米波技術,7GHz以下頻率技術將在不久的將來成為首選5G網絡技術。7GHz以下頻率技術能夠長距離遞送高數據率,因此不僅適合農村地區,也適合城鎮地區。


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          圖3-3:LTE-Advanced Pro與5G NR生態系統


          毫米波等高頻率頻帶最適合增強型移動寬帶(eMBB)所需的短距離、低延時、超高容量傳輸。不過,我們在上文提到,這些高頻率頻帶傳輸距離短,更容易因為天氣或物體原因而產生信號損耗,并且室內穿透率有限。這種毫米波蜂窩站網絡設計就像4G的小型蜂窩,因為二者擁有相似的頻率范圍和覆蓋率。


          中頻頻譜平衡了多項能力,在城鎮和郊區環境下能夠補充毫米波。中頻頻譜的傳輸距離更遠、傳播特性更好, 因此除了人口稠密地區,中頻頻譜還能在其他地區提供5G。另外,中頻部署還有一個優勢:運營商能夠將中頻能力添加到現有的4G蜂窩站區域,從而減少了在建筑物頂部或周 邊購買或租用空間產生的額外支出。


          2GHz以下的低頻提供優秀的覆蓋率和移動性。對于低頻用戶,可以使用載波聚合技術擴大帶寬。低頻非常適合互動通信和大規模機械類通信 (mMTC)。低頻頻譜也很適合室內穿透。


          02 頻譜特許


          下面,我們來看以下三種頻譜分配方法:


          ●  非特許頻譜:LTE-U、LAA、eLAA、Wi-Fi、藍牙、C-V2X、DSRC、CBRS

          ●  特許頻譜:拍賣的已清理頻譜

          ●  共享頻譜:需要授權才能共享接入的頻譜


          可用的非特許頻譜數量很大,遠超特許頻譜。目前,非特許頻譜主要被用于Wi-Fi、點對點通信、傳送或回傳、讀表及自動化。另外,國際上的非特許頻譜還被預留給工業、科學和醫療應用。全世界的特許頻譜都由原產國進行管理和管制;例如,美國聯邦通信委員會(FCC)管理著美國的頻譜。


          非特許頻譜的頻帶通常是共享頻帶。但是,為確保共享秩序,非特許頻譜的使用存在一定限制。所有非特許頻譜的用戶都必須遵守相關規范,這些規范限制了允許的傳輸功率、輻射方向圖、工作周期及接入程序,并確保在服務全體用戶的同時減少干擾。共享5GHz非特許頻帶的LAA和Wi-Fi就是其中一個例子。


          03 動態頻譜共享


          頻譜共享是向5G SA遷移過程中的一個重要組成部分。動態頻譜共享技術是促使移動網絡運營商快速啟用5G的“催化劑”。有了動態頻譜共享技術,承運商能夠在當前4G LTE使用的頻帶內啟用5G。動態頻譜技術讓現有的LTE運營商能夠同時運營5G NR和LTE。有了動態頻譜共享技術,運營商不必為4G LTE或5G分割頻譜,而是可以在這兩種技術之間共享頻譜。這讓運營商能夠智能化地、靈活地、快速地在現有4G網絡范圍內推出和增加5G。動態頻譜共享技術讓5G和4G LTE能夠同時在同一頻帶運行,它是一項改變游戲規則的技術。



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