高频段频谱现状与技术分析

　　【摘 要】首先介绍了国内外高频段频谱的现状，总结其特征和应用场景，最后在分析高频通信关键技术的基础上，提出了高频通信发展的建议。
　　【关键词】高频段频谱 频谱特性 大规模天线技术
　　[Abstract] The status of high frequency band spectrum abroad and at home was introduced. Its characteristics and application scenes were summarized. Key techniques of high-frequency communications were analyzed to present suggestions to the development of high-frequency communications.
　　[Key words]high frequency spectrum spectrum characteristics massive MIMO technique
　　1 引言
　　当前国际上的通信系统大多部署在6GHz以下的中低频段，中低频谱的频谱资源已经非常紧缺，而在6GHz以上的高频段具有非常丰富的连续频谱资源，因此对高频段频谱的研究必将成为5G研究关注的热点。2015年世界无线电通信大会（WRC-15）审议确定在6GHz以上频段为IMT寻找新的频率为WRC-19议题。
　　本文将介绍全球重点国家和地区高频段频谱的使用现状、高频段频谱的特征以及高频通信的应用场景，分析高频通信的相关技术并提出发展建议。
　　2 高频段频谱现状
　　2.1 中国
　　在中国，国家无线电监测中心承担了无线电监测和无线电频谱管理工作。选取作为移动业务候选频率的标准包括：
　　（1）所选择的候选频段必须支持移动业务类型。
　　（2）必须能够兼容频段内现有的其他业务，避免造成系统间的干扰而影响通信。
　　（3）必须满足至少数百兆赫兹的连续频谱。
　　（4）考虑所选择频段的传播特性以及器件的工业制造水平等因素，选择合适的频谱，确保通信系统具有较好的可实现性。
　　根据以上的标准，以移动业务为最高优先级的高频段频谱分配如图1所示。
　　2.2 美国
　　2.3 欧洲
　　在欧洲，METIS项目调研了5.925―95GHz范围内高频段频谱的使用情况，其中适用于移动业务的频谱范围如表1所示：
　　3 高频段频谱特征及应用场景
　　在利用高频段频谱资源或设计高频通信系统之前，需要了解高频段的频谱特征。无线电波在传播过程中，除了有由于路径传播以及折射、散射、反射、衍射引起的衰减外，还会经历大气带来的衰减以及穿透损耗。相对于低频点的传输，无线信号经过6GHz以上高频段的传输会经历更加显著的大气衰减和穿透损耗。
　　3.1 大气衰减
　　无线电波在大气中的衰减主要是由干燥空气和水汽所引起的。采用累加氧气和水汽各自谐振线的方法可以近似地计算出无线电波在大气中的衰减率，其值与空气压力、水汽压力和温度等环境因素有关。
　　式中，θ=300/T，T为温度。图2为在水平路径、压力为1013hPa、温度为15oC、水汽密度为7.5g/m3条件下各频率的大气衰减率。
　　3.2 穿透损耗
　　穿透损耗是指无线电波通过障碍物时所造成的额外功率损耗，不同频率的无线电波在穿过同一障碍物时造成的穿透损耗会有很大的差异。不同材质和种类的障碍物也决定了穿透损耗的大小，表2为不同频率的无线电波在穿过一些常见的障碍物时的穿透损耗：
　　图3为不同频率的无线电波从室外穿过建筑时造成的穿透损耗。
　　其中实验假定现有的建筑中30%为使用普通玻璃的老建筑（蓝线所示），剩下为使用红外反射玻璃的新建筑（红线所示）。通过比较曲线发现使用了红外反射玻璃的新建筑更难被无线电波穿透，而且随着频率的增加，穿过建筑时所造成的穿透损耗也更大。结合表2中40GHz的无线电波在穿透混凝土时所造成的穿透损耗几乎是3GHz以下无线电波的10倍，可见高频段频谱并不适用于室外到室内或者室内到室外的场景。
　　3.3 传播模型
　　其中PLE为路径损耗因子，该因子表征无线信号的衰减程度，PLE值越大说明无线电波在传播过程中的路径损耗越大。表3为在城区小基站在室外或室内的场景中，发射天线和接收天线高度低于屋顶情况下部分高频段的PLE值：   3.4 应用场景
　　高频段具有丰富的空间频谱，可以满足系统的高容量需求，但是高频无线电波存在衰减快、穿透能力差的缺点，影响了高频段频谱的覆盖能力。总结以上高频段频谱的特点，高频通信主要适用于以下3种场景：
　　（1）室内场景
　　室内场景又包括了图4（a）的办公室和住宅、图4（b）的商场和火车站这两种细分场景。它们都具有流量需求大、用户移动性低的特点，其中商场和火车站这类场景具有更高的用户密度。
　　（2）室外场景
　　室外场景主要指如图4（c）的体育场和室外聚集区域。这类场景的特点是面积大、流量需求大、用户移动性低、用户密度高，并且需要协调好室外小区间的干扰。
　　（3）无线回传
　　如图4（d），在实际的网络中，在一些高流量区域需要建立很多的小基站，但并不是所有的基站都满足光纤传输的要求。在这种情况下高频通信结合大规模天线技术可以针对这些场所提供无线回传，用以解决在城市内安装有限回传开销大的问题。该场景特点是流量需求大、用户移动性低、用户密度低、回传所需带宽大。无线回传系统需满足可靠性高、低时延的要求，而且应灵活配置回传带宽。
　　4 高频通信相关技术分析和建议
　　4.1 大规模天线技术
　　直接影响高频通信覆盖的关键因素主要包括信道传播特性、天线增益和基站发射功率。高频段频谱在传播过程中会造成较大的路径损耗、大气衰减和穿透损耗。而且在现有的集成电路技术下，高频频段基站发射的功率要远远小于中低频段。
　　此外还可以通过对天线阵列的信号预处理实现波束赋形，波束赋形是高频通信中减少传播损耗、小区间干扰的关键技术。波束赋形可以进一步提高天线增益，用于无线回传时可以极大提高传输距离，降低线路的开销。
　　4.2 自适应频谱使用和高频空口技术
　　未来5G所使用的高频段频谱当中并非所有的频段都只被用于移动通信服务，在同一频段中还可能有蓝牙、Wi-Fi、卫星通信等系统。为了更灵活地使用高频频谱资源，同时提高频谱资源的使用效率，高频通信系统需要具有自适应感知功能。自适应感知是指系统可以通过监听频谱当前的使用状态，自动找出处于空闲状态的频谱资源用于传输。这种高频通信系统可以很好地实现频谱资源的动态和灵活管理，支持多种频谱使用需求。高通在LTE-U白皮书中所提出的CSAT（Carrier Sensing Adaptive Transmission，载波侦听自适应传输）技术解决了移动通信在非授权频段与Wi-Fi的共存问题，未来在高频通信系统中将会有更多的自适应感知频谱使用技术。
　　目前高频通信系统空口技术的焦点在于采用单载波频分多址（SC-FDMA）还是多载波正交频分多址（OFDMA）进行传输。通过仿真分析，单载波和多载波在6GHz高频段的性能对比如表4所示，单载波具有更好的性能，但是在复杂度和灵活度方面都不如多载波。
　　4.3 高、低频混合组网技术
　　由于高频段频谱存在覆盖小的问题，因此在通信系统中无法单独使用高频段频谱。高频空口将重点部署在室内外的热点区域，提供高速率、大流量的通信服务，作为低频蜂窝空口的补充。在采用高、低频混合组网时，一般将控制面和数据面分离，由低频蜂窝网络负责控制面数据的传输，而小基站则可以利用丰富的高频段资源满足热点区域的通信需求。混合组网所涉及的技术包括超密集网络、高频自适应回传技术等。
　　4.4 高频通信发展建议
　　高频段频谱的开发和应用需要全球政府、运营商和通信厂商的合作和努力。建立一套完备的高频通信系统并非是一朝一夕的工作，需要不断深入探索高频段频谱的特性，逐步克服高频通信的技术难题。对于高频通信的发展现提出以下建议：
　　（1）信道测量和建模是开发高频资源的首要步骤，所以需要加快对于整个6―100GHz高频段频谱的研究工作，进一步细化可用的频谱范围。
　　（2）全球运营商需要加强沟通与合作，统一频谱的分配，有利于促进5G时代全球移动通信的互联互通。
　　（3）高频通信相关技术大多处于发展之中，现阶段建立完善的6GHz以上高频通信系统还为时尚早。所以在2019年世界无线电通信大会（WRC-19）之前应更多关注于次6GHz频段，LTE-U和载波聚合等将会是短期内扩充频谱资源的关键技术。
　　5 结束语
　　高频段频谱资源是未来发展移动通信网络的基础之一。随着对高频段频谱特性的研究不断深入，越来越多高频段频谱模型将被完善，更多可用的频谱资源将得到发掘。高频通信是无线接入技术在频率域的延伸，是5G网络实现性能指标的关键技术。伴随着5G时代的临近，高频通信技术必将得到更广泛的应用。
　　参考文献：
　　[2] 国家无线电监测中心. ＂未来宽带移动通信与频谱高效利用＂研究报告[R]. 2014.
　　[4] ITU-R P.676-8. Attenuation by atmospheric gases[R]. 2009.
　　[5] ITU-R M.2376-0. Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHz[R]. 2015.
　　[6] IMT-2020推进组. 5G无线技术架构白皮书[Z]. 2015.
　　[7] 中国电信集团公司. 中国电信高频通信研究报告[R]. 2015.
　　[8] ITU-R M.2083-0. IMT Vision： Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[R]. 2015.
　　[9] ITU-R M.2376. Technical feasibility of IMT in bands above 6GHz[R]. 2015.