移動通信在當代社會中發揮著重要作用，與時代的進步相輔相成、演進不息。從上世紀80年代第一代移動通信系統（the first generation of mobile communication, 1G）誕生至今，移動通信技術從最初的模擬、僅限語音的蜂窩電話發展到滿足各種多媒體接入的4G寬帶網絡。行動網路以前所未有的速度向各行各業滲透，成為連接人類社會的血管與經脈[1]。
目前，4G網絡部署方興未艾，5G研究已經在全球範圍內如火如荼開展。5G系統可以為用戶提供超高速率數據傳輸、小於4G系統10倍的低延遲通信體驗，支持海量設備接入、具有高安全性和靈活性，並將與物聯網、工業網際網路和車聯網等領域融合發展，構建泛在高效的信息網絡。同時，將促進超高清視頻、虛擬實境(Virtual Reality, VR)和增強現實(Augment Reality, AR)等媒體類業務，無人駕駛汽車、實時交通管控、智能電網、電子醫療、遠程設備控制、高精度定位系統等物聯網和雲計算業務蓬勃發展[2]。
據預測，未來20年，全球無線數據流量將增長至現在的1000倍，在移動通信業務量爆炸式增長的背後，除了通信技術亟待演進與革新，頻譜資源作為實現信息無所不在的載體和具有重要戰略意義的稀缺資源，也面臨著巨大的缺口與壓力。為了在國際博弈和競爭中獲取有利地位，加快5G網絡試驗和商用的進程，各國紛紛著手為5G謀劃頻率資源，我國也於近期發布的《國家無線電管理規劃（2016-2020年）》中，明確表示將「適時開展公眾移動通信頻率調整重耕，為 IMT-2020（5G）儲備不低於500MHz 的頻譜資源」[3]。
本文根據國際電信聯盟（ITU) 5G願景建議書，分析了5G系統所考慮的候選頻段；結合ITU相關議題研究情況，給出了全球5G頻率的最新動向，並基於各國頻率使用情況、產業格局等方面著重分析了高、中、低候選頻段的現狀和未來使用趨勢；最後，提出了我國5G頻率研究建議和啟迪。
1 基於5G願景的頻譜架構
自2012年以來，ITU啟動了5G願景、未來技術趨勢和頻譜規劃等方面的前期研究工作。2015年，ITU發布了5G願景建議書，提出了IMT-2020系統的目標、性能、應用和技術發展趨勢、頻譜資源配置、總體研究框架和時間計劃[4]，以及後續研究方向。
在應用場景方面，未來的5G系統將支持增強的移動寬帶（Enhance Mobile Broadband, eMBB）、具有高可靠性和超低時延的通信（Ultra Reliable and Low Latency Communication, uRLLC）以及大規模機器間通信（Massive Machine Type of Communication, mMTC）三大類主要應用場景[5]。
圖1 IMT-2020應用場景
在系統性能方面，5G系統將具備10~20 Gbit/s的峰值速率，100 Mbit/s~1 Gbit/s的用戶體驗速率，每平方公裡100萬的連接數密度，1 ms的空口時延，500km/h的移動性支持，每平方米10 Mbit/s的流量密度等關鍵能力指標（如圖2所示），相對4G提升3到5倍的頻譜效率、百倍的能效。
圖2 IMT-2020不同應用場景下的關鍵性能指標
為滿足上述願景，5G頻率將涵蓋高、中、低頻段，即統籌考慮全頻段，高頻段一般指6GHz以上頻段，連續大帶寬可滿足熱點區域極高的用戶體驗速率和系統容量需求，但是其覆蓋能力較弱，難以實現全網覆蓋，因此需要與6GHz以下的中低頻段聯合組網，以高頻和低頻相互補充的方式來解決網絡連續覆蓋的需求[6]。
2全球5G頻譜研究動態
全球5G頻率規劃工作主要在ITU等國際標準化組織的框架下開展。相關工作進展如下：
對於5G高頻段而言，為滿足國際移動通信（International Mobile Telecommunication, IMT）系統在高頻段的頻率需求，2019年世界無線電通信大會（WRC-19）研究周期內新設立了1.13議題[7]，在6GHz以上頻段為IMT系統尋找可用的頻率，研究的頻率範圍為24.25-86GHz。其中，既包括24.25-27.5GHz、37-40.5GHz、42.5-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-50.2GHz、50.4-52.6GHz、66-76GHz 和 81-86GHz上述8個已有移動業務為主要劃分的頻段，還涵蓋31.8-33.4GHz、40.5-42.5GHz 和 47-47.2GHz 這3個頻段尚未劃分給移動業務使用的頻段。
對於5G中低頻段而言，2015年無線電通信全會（RA-15）批准「IMT-2020」作為5G正式名稱，至此，IMT-2020將與已有的IMT-2000（3G）、IMT-A（4G）組成新的IMT系列。這標誌著在國際電聯《無線電規則》[8]中現有標註給IMT系統使用的頻段，均可考慮作為5G系統的中低頻段；同時，WRC-15大會通過相關決議，以全球、區域或部分國家腳註的形式新增了部分頻段，供有意部署IMT系統的主管部門使用。具體如表1[9]
表格1 5G系統中低頻候選頻率及相關腳註
對於世界上的主要國家和地區，其重點關注和規劃的頻段與ITU的標準頻段基本相符；此外，各國也可根據自身頻率劃分和使用現狀，將部分ITU尚未考慮的頻段納入5G用頻範疇。近期，美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission, FCC）[10]通過了將24GHz以上頻譜規劃用於無線寬帶業務的法令，包括27.5-28.35GHz、37-38.6GHz和38.6-40GHz頻段共計3.85GHz帶寬的授權頻率，以及64-71GHz共計7GHz帶寬的免授權頻率。2016年9月，歐盟委員會正式發布了5G行動計劃《5G for Europe: An Action Plan》[11]，表示將於2016年底前為5G測試提供臨時頻率，測試頻率將由1GHz以下、1-6GHz和6GHz以上頻段共同組成；並將於2017年底前確定6GHz以下的5G頻率規劃和毫米波的頻率劃分，以支持高低頻融合的5G網絡部署。歐盟將為5G重點考慮700MHz、3.4-3.8GHz、24.25-27.5GHz、31.8-33.4GHz、40.5-43.5GHz等頻段；2016年11月，在徵求意見基礎上，經過三個月的研究和協商，歐盟委員會無線電頻譜政策組（RSPG）正式發布5G頻譜戰略[12]，明確24.25-27.5GHz、3.4-3.8GHz、700MHz頻段作為歐洲5G初期部署的高中低優先頻段。在亞洲地區，韓國計劃2018年平昌冬奧會期間，在26.5-29.5GHz頻段部署5G試驗網絡；日本總務省（MIC）發布了5G頻譜策略，計劃2020年東京奧運會之前實現5G網絡正式商用，重點考慮規劃3.6-4.2GHz、4.4-4.9GHz、27.5-29.5GHz等頻段。
2016年11月，中國在第二屆全球5G大會上陳述了5G頻率規劃思路，將涵蓋高中低頻段所有潛在頻率資源。具體而言，2016年初批覆了3400-3600MHz頻段用於5G技術試驗，並依託《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》修訂工作，積極協調3300-3400MHz、4400-4500MHz、4800-4990MHz頻段用於IMT系統。並 2017年6月就3300 ~3600 MHz、4800 ~5000 MHz 頻段的頻率規劃公開徵求意見。 同時,梳理了高頻段現有系統,並開展了初步兼容性分析工作，並於 2017 年 6 月就24. 75 ~27. 5 GHz、37 ~ 42. 5 GHz 或其他毫米波頻段的頻率規劃公開徵求意見。針對於物聯網的應用，允許5905-5925MHz頻段用於LTE-V試驗，確定了窄帶物聯網（Narrow Band-Internet of Things, NB-IoT）應用的用頻思路，其將為5G物聯網未來應用提供先導示範。
3 潛在候選頻段現狀及分析
3.1高頻候選頻段分析
5G高頻候選頻段的形成主要取決於WRC-19 1.13議題研究情況。從全球來看，該議題所提出的11個潛在候選頻段涉及固定、衛星固定、衛星間、衛星地球探測、無線電導航、無線電定位等多種業務，主要應用於衛星、航天、導航、軍事等多個領域，複雜的頻譜使用情況使協調面臨很大難度。此外，5G系統的技術參數、部署場景、傳播模型仍在研究之中，候選頻段也無法最終確定。
儘管ITU的高頻段議題研究尚需時日，為在全球5G發展中佔得先機，以美國、歐洲、日本、韓國為首的國家，目前，已聚焦或發布了各自的5G高頻規劃，基於電波傳播特性考慮，主要重點關注45GHz以下頻段。
具體而言，美國在統籌考慮國內的衛星、航天、軍事系統後，率先將27.5-28.35GHz、37-38.6GHz、38.6-40GHz頻段以頻率授權管理的模式規劃給5G使用。其中，在27.5-28.35GHz頻段，將固定無線接入擴展為移動接入應用，同時，為實現IMT與衛星固定業務的兼容，對該頻段衛星地球站的規模進行了限制；在37-38.6GHz和38.6-40GHz頻段，以200MHz為帶寬對頻率進行劃分，並要求IMT系統與現有軍事等應用共存。規劃出臺後，美國的Verizon和AT&T兩大運營商表示將於2016年底至2017年初在上述頻段啟動5G技術試驗。此外，美國還以頻率非授權管理的模式將64-71GHz頻段規劃給5G，將其作為57-64GHz頻段的擴展，以形成14GHz帶寬的連續頻譜資源，主要用於支持IEEE 802.11ad以及後續演進的IEEE 802.11ay協議的無線區域網；同時，美國在WRC-15大會上積極推動設立相關WRC-19議題[13]，以形成5150-5925MHz近800MHz的連續頻譜，用於更好地支撐基於IEEE 802.11ac以及後續演進的IEEE 802.11ax協議的無線區域網。上述無線區域網的頻率規劃工作將成為美國為在5G時代全球競爭中的重要舉措。
在歐洲，基於其現有的衛星、軍事等應用，歐洲郵電管理委員會（Confederation of European Posts and Telecommunications, CEPT）聚焦於24.25-27.5GHz、31.8-33.4GHz和40.5-43.5頻段，明確24.25-27.5GHz頻段為24GHz以上頻段的現行頻段，並對其他高頻段的適用性開展研究，從而建立相應的時間表。此外，英法等國也根據本國現狀，確立了優先研究頻段。目前，歐盟委員會正在對5G頻段進一步廣泛徵求意見，預計於2017年確定後續高頻候選頻段。
亞太地區的觀點形成主要依託於世界無線電通信大會亞太電信組織籌備組（The Asia-Pacific Telecommunity Conference Preparatory Group for WRC, APG）平臺，目前，APG19-1會議確定了WRC-19研究周的組織結構、工作計劃、工作方法等，對於高頻段議題的研究尚未啟動。中國明確了高頻段全球一致性和ITU框架下開展的基本原則，並重點強調20-40GHz頻段在eMBB場景特別室外覆蓋的重要意義。對於日本和韓國，由於高頻段現有業務使用較少，基本確定在25GHz和28GHz等頻段。
對於中國、美國、歐洲等國家和地區而言，既是移動通信應用大國，又是航天軍事大國，其高頻段的結論和觀點對全球5G高頻確立影響深遠。中國高頻策略需要立足於本國使用和產業現狀，也需要緊跟歐美步伐，統籌兼顧合理利用，在兼容基礎上為5G尋找更多的資源。同時，相比於傳統移動通信， 5G系統使用高頻段將對其晶片和儀表製造、組建網絡等方面都帶來極大挑戰，從另一個角度看，各種新技術的誕生也將孕育出機遇和潛能。
3.2中頻候選頻段分析
中頻段相對於高頻段有較好的傳播特性，相對於低頻段有更寬的連續帶寬，可以實現覆蓋和容量的平衡，滿足5G某些特定場景的需求，同時，也可作為部分物聯網場景（例如uRLLC等）。目前，全球大部分國家和組織對於中頻段的具體範圍沒有確切的定義，但普遍認為3-6GHz作為中頻段重要資源。ITU將3400-3600MHz標識用於IMT，並逐漸成為全球協調統一頻段，同時，WRC-15大會新增了3300-3400MHz 、4400-4500MHz、4800-4990MHz等頻段。
對於3GHz附近頻段而言，現有主要業務為衛星固定、固定、航空移動等業務，5G系統使用需要與之進行協調。因此，各國在此頻段釋放的頻譜資源數量和具體頻段，尤其與衛星、軍事的應用現狀密切相關。
具體而言，在美國，3550-3700MHz頻段的使用與全球大部分國家有所區別，其現有應用主要為軍用雷達（海岸警衛隊雷達），為在該頻段引入移動通信系統，採取了基於三層架構的頻譜接入系統（Spectrum Access System, SAS），採用LTE-U等技術實現服務，難以直接將該頻段用於5G系統，此外，考慮到美國劃分和使用情況，也難以在3GHz附近頻段釋放出其他的頻譜資源。在歐洲，由於其C波段衛星使用較少，早前已將IMT系統的使用頻段聚焦於此，現有少部分國家使用其中的3400-3600MHz頻段用於部署LTE系統，但未形成規模。目前，歐盟已將3400-3800MHz頻段用於5G系統面向公眾廣泛徵求意見，經研究，明確該頻段為2020年前歐洲部署5G的主要頻段，連續400MHz帶寬有利於歐盟在全球5G部署中佔得先機。在亞洲，由於衛星產業、衛星軌道資源、使用現狀等因素，C波段衛星在中國、越南、馬來西亞等國，協調難度較大，對於日本、韓國而言，其衛星使用已經逐步轉向Ka、Ku等頻段，所以均在C波段擴展了較大的潛在資源。如日本聚焦於3600-4200MHz、4400-4990MHz頻道（3480-3600MHz頻段已用於LTE），韓國聚焦於3400-3700MHz頻段。另外，5.8GHz、5.9GHz頻段在部分國家作為車聯網（包括802.11p和LTE-V）的使用頻率，其也將成為5G系統V2X潛在頻率資源。
在全球，中國、日本、韓國、歐洲等均對將C波段作為5G系統候選頻段表現出了極大關注度。考慮到我國目前高頻產業現狀，C頻段也將成為我國5G潛在用頻的重要組成部分，而且可能成為2020年前先期使用頻段，需要積極協調各方訴求。另外，需要重點關注和推動5.9GHz頻段在物聯網特別是車聯網上的使用。
3.3低頻候選頻段分析
低頻段一般是指3GHz以下頻段，目前2-3GHz頻段已有部分資源規劃用於IMT，並且部署了相關系統，未來可重耕用於5G系統。本節重點關注1GHz以下頻段，其有良好的傳播特性，可以支持5G廣域覆蓋和高速移動下的通信體驗，以及海量的設備連接。在ITU層面，主要包括已標註給IMT的450-470MHz和698-960MHz頻段，同時，WRC-15大會新增了470-698MHz頻段，上述頻段構成了5G系統的1GHz以下的潛在頻率資源。
從應用角度分析，1GHz以下的5G頻譜主要來源於兩部分：數字紅利[14]釋放的頻譜和現有系統部署的頻譜。對於數字紅利頻段，由於全球經濟和社會發展的差異性，特別是廣播電視業務現狀、模數轉換方案、移動通信發展訴求等方面世界各國千差萬別，導致所釋放數字紅利頻段的數量、具體頻段都不盡相同。另外，1GHz以下頻段作為傳統移動通信的重要頻段，已經部署和運營了GSM、CDMA、WCDMA、LTE等多種系統，這些頻段何時能用於5G，取決於用戶需求、網絡運營周期、5G與現有網絡的銜接等多種因素。
具體而言，美國在850MHz頻段上原來主要部署的是CDMA系統，現已逐步重耕用於LTE系統，而釋放的700MHz數字紅利頻段也被廣泛用於LTE系統，在WRC-15上，美國成功將470-608MHz、618-698MHz頻段標註給IMT系統，同時，FCC採用激勵拍賣方式調整目前地面電視的600MHz頻段用於公眾移動通信。上述頻段中600MHz頻段極有可能作為美國5G低頻先發頻段。在歐洲，900MHz頻段原主要用於GSM，現在已逐步重耕用於WCDMA和LTE系統，而數字紅利釋放的800MHz頻段成為歐洲LTE系統的重要組成部分，另外，WRC-15 1.2議題確立了700MHz頻段的規劃方案以及使用條件，700MHz頻段也作為歐洲5G用頻先發頻段的重要組成，其將成為歐洲5G低頻解決廣域覆蓋的重要拼圖。在亞洲，800MHz和900MHz作為傳統的CDMA與GSM頻段，目前也逐步重耕到LTE系統，而700MHz頻段作為數字紅利釋放頻段，在部分國家也逐步用於LTE，例如日本。
為提高頻譜使用效率，滿足應用需求，國內積極支持800MHz和900MHz部分頻段升級到LTE系統，並引入NB-IoT等4G演進技術，在未來將根據網絡發展現狀和需求，適時用於5G系統。
4 5G頻率研究建議和啟迪
4.1 5G頻率工作應融入國家重大戰略部署
《國家十三五規劃綱要》[15]指出，要加快構建高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎設施，積極推進5G發展，於2020年啟動5G商用。2016年7月，我國發布了《國家信息化發展戰略綱要》[16]，要求「協調頻譜資源配置，科學規劃無線電頻譜，提升資源利用效率」，並明確將頻率作為國家信息化發展的重要基礎設施，強調要積極開展5G技術研發、標準和產業化布局，並在2025年建成國際領先的移動通信網絡。上述文件作為推動國家經濟社會以及我國信息化發展的綱領性文件，充分表明5G系統將成為信息化驅動現代化、建設網絡強國、提供普遍服務的重要基礎設施。而5G頻率作為基礎資源，應著眼於新一代信息基礎設施建設和國家信息化發展的大局。
相對於以往的歷代移動通信系統，5G不僅滿足人和人之間的通信，還將滲透到未來社會的各個領域，形成以用戶為中心的全方位信息生態系統。5G系統將助力「寬帶中國」、《中國製造2025》、「網際網路+」行動計劃等國家重大戰略的實施，因此，在制定5G頻率規劃時，可以重點支持我國優先發展的領域和方向，比如工業物聯網、車聯網等，為其試驗和商用提供資源保障，推動產業成熟。
總體而言，5G頻率工作不僅要符合我國無線電管理的新方向和新思路，同時，還應立足於國家經濟社會發展的重大政策。
4.2 5G頻率規劃和使用需深耕細作
（1）建立基於頻譜需求預測的精準供給機制
頻譜需求預測分析是基於歷史數據[17]，綜合考慮未來各種影響因素，結合行業發展情況，採用合適的科學分析方法，提出切合實際的頻譜需求目標，為行業的中長期發展提供資源儲備。合理的需求分析是保證各行業用頻和發展的前提，是頻率合理有效利用的基礎。做好各行業頻譜前期需求論證工作，可為無線電管理部門制定中長期規劃提供依據。由於5G系統應用呈現出多樣化、個性化、差異化的特點，不同的應用場景在頻段選擇、帶寬需求上都有較大差異，需要綜合考慮不同頻段的電波傳播特性、應用需求、產業趨勢等因素，開展更加精細化的需求預測，在總量有限的情況下優先保證基本需求和重點發展方向，鼓勵採用載波聚合、混合組網技術，整合碎片化零散頻率資源，實現5G頻率的精準供給。
（2）建立協同合作的頻譜使用共享機制
目前，頻率資源已應用於多個行業和部門，規劃調整涉及軍地、多個行業和部門利益，5G頻率規劃難度加大。應不斷加強軍地、空地間協調和合作，在兼顧各行業規劃發展需要基礎上，綜合考慮經濟社會發展和國防建設等因素，從國家層面統籌頻率資源，實現優化配置和高效利用。從美國高頻使用方式可以看出，其通過法規制定、技術約束等條件鼓勵頻率資源實現共用。而5G系統相比於原來移動通信系統，應用更加細化，特別是對於中高頻使用，不再要求全程全網、連續覆蓋，將呈現出區域化、集中化的特性，同時，考慮到其電波傳播特性，為5G系統與其他系統共享創造條件。目前，我國公眾移動通信主要以獨佔方式使用頻率資源，考慮到5G系統部署特點和候選頻段特性，在5G頻率規劃時，頻率管理模式將是獨享執照、共享執照、輕執照、免執照等多種管理模式的合理結合。我們應秉承創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，積極加強行業和部門間協作，特別利用國家軍地融合發展的契機，促進規劃、臺站等數據資源共享和使用，利用大數據、雲計算思路，實現5G系統與現有其他系統的兼容共用，精細化使用頻率資源。
4.3 5G頻率工作應加強全球合作
5G標準化工作是在ITU和3GPP等國際標準化組織下統一開展的，頻率工作雖然需要考慮各國、各地區眾多自身因素，但由於移動通信的產業和使用具有全球化的特徵，5G 頻率工作也具有全球化的屬性。對於5G頻率規劃工作，應充分利用ITU 、APT等平臺，加強國際頻率協調，在兼顧我國優先頻段基礎上，推動形成5G 全球統一工作頻率。另外，依託政府層面的國際合作機制，加強IMT-2020與歐盟5G科研項目組METIS、5G公私合作聯盟（5G Public-Private Partnership Association, 5G-PPP）、下一代移動通信網（Next Generation Mobile Networks, NGMN）聯盟、無線世界研究論壇（Wireless World Research Forum, WWRF）等國際組織在頻率方面的合作。
5 結束語
5G建設是實現製造強國和網絡強國的重要著力點，而頻譜作為5G網絡發展的基礎資源，更需要深耕細作，在全面評估頻譜需求的基礎上，提高存量資源利用效率，合理規劃、配置增量資源。
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原文刊登於《電訊技術》2017年第六期，如需轉載請與《電訊技術》雜誌社聯繫。