5G启用毫米波频谱：哪些频率会被采用？

随着世界标准化机构着手定义下一代无线网络，5G的愿景正在迫使研究人员改变他们的思考方式。增加4G网络的频谱效率并不足以提供三个高级5G用例所需的数据速率、延迟和容量（图1），这三个用例由3GPP定义，期望未来能够提供无处不在的瞬间移动宽带数据。

图1. 这三个5G用例是由3GPP和IMT-2020定义的。

增强型移动宽带(eMBB)用例由IMT-2020定义，该用例设想了一个超过10Gbps的峰值数据速率，是4G网络的100倍。经实践证明，数据速率与可用频谱直接相关，而根据香农定理，容量是带宽（即频谱）和信道噪声的函数。低于6GHz的频谱已经分配殆尽，而6GHz以上的频谱，特别是毫米波频率已经成为一个非常有前景的替代方案来实现eMBB用例。但是，哪些毫米波频率会被采用呢？

频谱选项

国际电信联盟(ITU)和3GPP在关于5G标准两个研究阶段的计划上已经达成了一致。第一阶段主要研究低于40GHz的频率，致力于在2018年9月之前解决一些更紧迫的商业需求；第二阶段从2018年开始，到2019年12月，致力于解决IMT-2020提出的关键绩效指标。第二阶段的焦点是高达100GHz的频率。

为了在毫米波频率标准化上达成全球一致，ITU在去年11月举行的世界无线电通信大会(WRC-15)上公布了一个拟定的24GHz~86GHz范围内的全球可行频率列表，如表1所示。国际电联发布该提案不久，美国联邦通信委员会(FCC)于2015年10月21日发布了一条规则制定建议通知(NPRM)，推荐了28GHz、37GHz、39GHz和64-71GHz频段的新灵活服务规则（如图2所示）。

图2. FCC提议用于移动通信的毫米波频段。

尽管ITU、3GPP等标准机构将2020年定为对5G标准进行定义的最后期限，但移动运营商正在加快5G服务的时间进度。在美国，Verizon和AT＆T计划在2017年对5G的早期版本进行测试。韩国打算在2018年的冬奥会上进行5G试验，而日本则想要在2020年的东京奥运会上展示5G技术。经过各方组织的努力和推动，目前最有可能用于5G的候选频率包括：28GHz、39GHz和73GHz。

这三个频段的提出有以下几个原因。首先，60GHz的频率由于氧吸收的原因会产生大约20dB/km的衰减，与60GHz不同的是，这些频率的氧吸收率低得多。这使其有可能适用于长距离通信。这些频率在多径环境下也能可靠运行，可用于非视距(NLoS)通信。通过将波束赋形和波束跟踪与高度定向天线结合，毫米波可以提供可靠且非常安全的链路。纽约大学工程学院的Ted Rappaport博士和他的学生已经开始了28GHz、39GHz和73GHz信道特性和潜在性能的研究。他们已经发表了多篇关于传播测量的论文以及这些频率的可能服务中断研究。这些频率的数据和研究结合全球频谱的可用性，使这三个频率成为毫米波原型验证的起点。

服务供应商都渴望获得这些大量未分配的毫米波频谱，他们是决定5G使用哪些频率的关键力量。在日本，NTT DoCoMo与诺基亚、三星、爱立信、华为和富士通合作，对28GHz以及其它频率进行现场测试。2015年2月，三星进行了信道测量，并证明了28GHz是蜂窝通信的一个可行频率。这些测量验证了城市环境中的预期路径衰减：非视距链路的路径衰减指数是3.53。三星表示，该数据表明毫米波通信链路可以支持超过200米的距离。其研究还包括相控阵天线方面的工作。三星已经开始对可能适合手机相控阵列的设计进行特性分析。

2015年9月，Verizon公司宣布将在2016年与三星等重要合作伙伴开展现场试验。2015年11月，高通使用128根天线在28GHz频率下进行实验，演示密集城市环境下的毫米波技术。它展示了定向波束赋形在非视距通信中的应用。随着FCC宣布28GHz可用于移动通信，预计美国将进行更深入的实验和现场试验。Verizon公司还与XO Communications签订了28GHz频谱租赁协议，可在2018年年底前购买该频谱。

但是请注意，28GHz频带并不包含在国际电联的全球可行频率列表中。它是否将成为5G毫米波应用的长期频率选择仍有待确定。无论全球标准如何制定，美国、韩国、日本的频谱可用性，以及美国服务提供商对早期现场试验的承诺有可能将28GHz引入到美国移动技术中。在标准机构最终确定5G标准之前，韩国希望在2018年冬奥会上展示5G技术的愿望也将会推动28GHz应用到消费产品中。事实上，该频率并没有因为不在国际移动通信(IMT)频谱名单上而被忽视，反而引起了FCC的注意。