5G 技术将使用什么频谱以及与 4G 相比如何？

然而，由于无线技术现如今在消费、汽车、工业甚至军事/航空航天应用中无处不在，促使蜂窝无线技术的潜力从人际通信平台转变为高度灵活的无线网络生态系统。这一点在 4G LTE 和即将到来的 5G 技术之间的功能和频率变化方面显而易见。本文详细阐述了从 4G LTE 到 5G 系统的性能、频率和要求方面的具体转变。

新兴应用改变频谱使用和蜂窝网络性能

尽管早期的几代蜂窝无线网络主要用于移动宽带以外的其他应用，但大部分 2G、3G 和现在的 4G LTE 蜂窝服务都是专为移动宽带而设计的。前几代蜂窝无线技术的标准和技术主要支持城市和郊区的移动宽带蜂窝用户，而对农村地区则不太重视。然而，5G 技术的目标不仅仅是为移动宽带服务，而且还提供关键改进，使应用范围更加广泛：增强型移动宽带 (eMBB)、超可靠和低延迟通信 (URLLC)、大规模机器型通信 (MMC) 和固定无线接入 (FWA)。

增强型移动宽带 (eMBB)

5G eMBB 与 4G 移动宽带的不同之处在于 5G 的极高数据速率和无处不在的城市覆盖目标。对于 eMBB，IMT-2020 的目标是提供有利于峰值下载速度达到 20Gbps 的标准，以及在城市环境中至少 100Mbps 的可靠用户数据速率，且只有 4ms 的延迟。虽然目前的 4G 移动宽带速度可以达到每秒数百兆的峰值速度，但大多数城市用户体验到的速度不到 10 Mbps，延迟为几十毫秒。除了快速的视频下载外，5G eMBB 还将支持各种用例，为实时、全程和城市环境中的增强现实和虚拟现实应用打开大门。

这种性能需要整个蜂窝网络堆栈进行升级，并对手机技术进行提升。网络体系结构的大部分变化都在眼下发生，因为主流电信公司正在部署更多的小基站来支持 eMBB 性能，而传统的同类宏基站体系结构已被证明无法提供相同的能力，尤其是在密集杂乱的城市环境中。

超可靠和低延迟通信 (URLLC)

虽然某些地区的蜂窝无线性能可被视为企业级，但目前大多数的蜂窝系统都无法满足关键应用的可靠性或延迟要求，例如自动驾驶汽车、移动医疗保健、工厂自动化或应急响应。5G URLLC 旨在提供高度可靠、安全和低延迟的通信，实现亚 1ms 延迟，做到足以用于可能意味着生命或死亡的应用。

增强蜂窝网络的可靠性和减少延迟涉及到蜂窝手机、基站和联网方式的改变。这些改进包括新的波形、更低延迟的硬件以及可能的无线网络方法，以实现频率捷变、冗余性以及替代星型网络的其他网络体系结构类型。

大规模机器型通信 (MMC)

目前大多数蜂窝无线用户都是使用移动手机的个人，但未来的蜂窝网络可能会由物联网设备 (IoT) 主导，这些设备在现代化的城市地区、工厂、工业设施和交通网络中相互通信、报告传感器信息并根据控制数据采取行动。未来蜂窝通信的大部分，甚至可能是大部分，将是机器之间的通信，这提出了与人类用户截然不同的要求。

分散的物联网和机器设备可能需要非常多样化的通信要求，使得单一的一刀切无线通信协议无法落地。因此，新的 5G 标准很可能包括适应性强的通信协议方法，因此要求低功耗和低数据速率的电池供电传感器等系统就可以与高数据速率和低延迟自主机器人等使用相同的网络技术。以前的蜂窝世代依靠使用特定的频带来满足某些应用，但这不太可能成为未来蜂窝世代的解决方案，因为频谱拥塞导致每个频带都显得更加宝贵。

固定无线接入 (FWA)

尽管 3G 和 4G 蜂窝网络的使用不多，但它们支持一系列伪固定无线接入系统，配备热点和蜂窝调制解调器。然而，5G 网络更出色的数据速率和低延迟能力，令提供 FWA 的商业使用案例更具吸引力，足以与其他最后一英里的互联网服务一较高下。凭借更大的带宽和先进的天线技术，许多专家预测，5G 网络将能够提供类似光纤的性能，并使成熟市场和新兴市场能够实现无障碍互联网接入和连接。除了大规模多输入多输出 (mMIMO) 和具有波束成形功能的天线外，FWA 服务在驱动当前蜂窝网络的亚 6GHz 频谱中的可用带宽之外还需要带宽。为提供类似光纤的服务，将需要大量的带宽，可能超过 1 GHz。因此，5G 蜂窝网络正纳入毫米波频带，以支持新的应用，并与前几代相比大幅提高数据速率。

5G 频率与 4G 频率的对比

早期 GSM 蜂窝网络的运行频率为 850 MHz 和 1900 MHz。2G 和 3G 网络改变了调制方法，但大体上使用了相同的频谱部分，并重新调整了频带。随着 3G 的发展，加入了其他频带以及大约 2100 MHz 的频谱。4G LTE 技术则带来了更多的频谱和频带，即 600 MHz、700 MHz、1.7/2.1 GHz、2.3 GHz 和 2.5 GHz。之前所有的蜂窝网络频率都是基于牌照（表 1）。

5G 频带规划要复杂得多，因为亚 6 GHz 5G 的频谱跨度为 450 MHz 至 6 GHz，毫米波 5G 频率跨度为 24.250 GHz 至 52.600 GHz，还包括没有执照的频谱。此外，5925 至 7150 MHz 范围内以及 64 GHz 至 86 GHz 范围内可能存在 5G 频谱。因此，5G 将包括所有以前的蜂窝频谱和亚 6 GHz 范围内的大量频谱，亚 6 GHz 以外是当前蜂窝频谱的很多倍（表 2 和表 3）。5G 新无线电非独立 (5G NR) 标准的初始 3GPP 版本包括多个亚 6 GHz 频带，指定为 FR1（表 2）。IMT-2020 之后的第二个 3GPP 5G 版本将包括毫米波频谱中的 FR2 频带（表 3）。

与前几代蜂窝技术和 3GPP 版本一样，各地区和国家也可能采用专属频谱用于 5G 用途。例如，FCC（美国联邦通信委员会）正在考虑开放 5.925 GHz 至 6.425 GHz 和 6.425 GHz 至 7.125 GHz，用于没有执照的用途，并正商议在 3.7 GHz 至 4.2 GHz 频谱中添加移动宽带功能。目前，FCC 正对 27.5 GHz 至 28.35 GHz、24.25 GHz 至 24.45 GHz 以及 24.75 GHz 至 25.25 GHz 范围内的频谱采取行动，以供毫米波 5G 使用。FCC 还可能考虑开放 3.7 GHz 至 4.2 GHz 中频带频率供 5G 使用，还可能考虑开放 4.9 GHz 公共安全频带供 5G 接入。此外，FCC 还可能在 2.75 GHz、26 GHz 和 42 GHz 波段为 5G 提供额外的波段。2018 年 12 月，FCC 宣布了在 37.6 GHz 至 38.6 GHz、38.6 GHz 至 40 GHz 以及 47.2 GHz 至 48.2 GHz 范围内的激励措施。大多数其他发展中国家/地区也正在进行类似的考虑，为 5G 用例分配频谱。

为 5G 用途提供额外频谱的主要原因之一，是与吞吐量和带宽相关的物理限制。在 4G 波段计划中，每个信道的带宽在 5 MHz 至 20 MHz 之间，而 5G FR1 标准允许的每个信道带宽为 5 MHz 至 100 MHz 之间。由于带宽与最大吞吐量成正比，因此带宽增加 5 倍，吞吐量大约增加 5 倍。此外，3GPP Release 15 建立了新的波形，并增加了 π/2 BPSK 作为调制方式。新增的波形为 FR1 的离散傅里叶变换扩展正交频分复用 (DFT-S-OFDM) 和 FR2 的循环前缀 OFDM (CP-OFDM)。

尽管射频硬件、技术和通信基础设施已经存在，并且能够满足早期 5G 频率和性能规格的一些要求，但大多数对 5G 的预期仍然超出了目前可获取的技术。这些挑战包括具有成本效益的硬件与必要的频率操作、手持/移动集成，以及密集和高度分布的网络基础设施。由于美国和其他国家/地区仍在部署 4G LTE 服务，超越 FR1 5G 能力的 5G 服务可能还需要几年时间才能实现。

结语

每一代新的蜂窝技术都包括频带和运行模式的变化。5G 技术的发展也不例外。然而，5G 技术的不同之处在于新增频谱的数量，以及这些频率在电磁频谱体系中的位置。此外，对更大带宽的渴望，也促使政策制定者和设备制造商利用多种技术，聚合多个蜂窝频带并增加单信道带宽，尽可能从拥挤的亚 6 GHz 蜂窝频带中获得更多的性能。物联网 (IoT) 和机器对机器 (M2M) 通信等新兴应用也在鼓励业界研究 5G 的各种运行模式，以适应众多应用的需求。在许多方面，5G 被设计成一种模块化解决方案，以应对通用无线连接的挑战。

表 1

表 2

表 3

表 4

资源

http://www.3gpp.org/specifications/specifications

地面 5G 网络 GSA 频谱：全球牌照发放发展（2018 年 12 月）