1 引言
近年來，全球信息通信產業移動化、寬帶化和智能化的發展趨勢日益明顯。隨著傳統工業與網際網路的融合、物聯網的蓬勃發展，無線數據流量快速增長，信息消費將成為經濟增長新引擎。移動通信的發展不僅深刻地改變了人們的生活方式，並且已經成為推動國民經濟發展、提升社會信息化水平的重要驅動力。
與此同時，面向2020年及未來的第五代移動通信（5G）系統的研發已在全球範圍內如火如荼地開展。為了在未來5G發展中搶佔先機，世界主要國家及相關企業紛紛加大5G研發投入，致力於5G需求、關鍵技術、標準及頻譜研究等方面，日本、韓國等國家也提出了本國5G商用時間表。同時，世界三大主流標準化組織ITU、3GPP、IEEE也先後啟動了面向5G概念及關鍵技術的研究工作，旨在加速推動5G標準化進程。
相對於以往的各代移動通信系統，5G不僅是立足於移動通信產業本身，實現信息溝通的橋梁，還將與物聯網、工業網際網路和車聯網等領域融合發展，帶來海量接入和極速速率需求，引發網絡管道流量的爆炸增長。據分析，2010年到2020年全球移動數據流量的增長將超過200倍，2010年到2030年的增長將接近2萬倍。
利用新技術提高頻譜效率和拓展新的頻譜資源是滿足增長業務需求兩種最重要的途徑。在5G新技術方面，大規模天線陣列、超密集組網、非正交傳輸和全雙工等技術的應用將會極大提升系統頻譜效率。在5G頻譜方面，將根據系統的應用特點，拓展更多、更合適的頻譜資源。
本文將依據5G應用場景分析5G頻譜總體框架，立足於5G頻譜核心工作內容，概述國內外5G頻譜的研究進展，給出未來5G頻譜研究的方向，最後結合無線電管理實踐工作，說明5G對未來無線電管理工作的影響和挑戰。
2 5G頻譜框架
2015年6月，ITU-R 5D完成了5G願景建議書，定義5G系統將支持增強的移動寬帶、海量的機器間通信及超高可靠和超低時延通信等三大類主要應用場景，如圖1所示。同時，5G系統將支持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，相對4G提升3到5倍的頻譜效率、百倍的能效，50 0km/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。
圖1 ITU定義的5G主要應用場景
圖2 ITU定義的5G能力指標
為達到上述ITU相關建議書描述的願景，結合國內和國際所提出的應用場景，5G將很有可能包括三類不同空中接口，而不同空口技術與頻段選擇是相關的，具體如圖3所示。第一類為支持超大帶寬以毫米波為典型的高波頻段新空口，具有連續大帶寬的頻譜，能夠實現5G超高的峰值速率能力；第二類為支持中、低頻段的新空口，其傳播特性具有較強的穿透和廣域覆蓋能力，能夠實現連續廣覆蓋、低時延高可靠性、海量機器的通信能力，並可兼顧部分場景容量需求；第三類為LTE-Advanced及其演進，考慮到4G系統現部署在3 GHz頻段以下，主要提供無處不在的100 Mbit/s用戶體驗，也兼顧其他場景需求。因此，為滿足5G的場景和需求，未來的5G系統將是多種空口技術的組合，其頻率框架將涵蓋高中低頻段，即著眼於全頻段：高頻段大帶寬來解決熱點地區的容量需求，但是其覆蓋能力弱，難以實現全網覆蓋，需要與中低頻段聯合組網，而中低頻段來解決網絡連續覆蓋的需求，對用戶進行控制、管理，實現高頻段和低頻段相互補充。
圖3 5G頻譜架構
從資源供給角度而言，5G頻譜一方面應源於目前已規劃給IMT系統的頻譜，既包括現有2G/3G/4G系統在用頻譜，又包括部分規劃未分配的頻譜。另一方面應源於拓展新的頻譜，既需挖掘低端頻譜，又著眼於高端頻譜。
3 5G頻譜核心工作內容
從WARC-92到剛剛召開的WRC-15大會上，ITU多次設立議題為公眾移動通信尋求更多頻譜資源，所劃分的新頻段目前已應用到全球3G、4G的網絡部署中。一般地，所設議題的研究內容包括頻譜需求預測研究、候選頻段研究、系統間共存研究3個方面。世界各國和各標準化組織也基本在ITU框架下開展研究工作。這三方面研究內容按照「需求→供給→評估」的技術路線，遵循循序漸進的科學方法。
具體而言，頻譜需求研究基於歷史數據，綜合未來發展各種影響因素，結合移動通信數據增長預測趨勢，考慮特定技術系統的承載能力，分析未來頻率需求問題，給出不同階段的所需頻譜總量；候選頻段研究基於頻譜需求的研究結論，將充分考慮業務劃分特性、移動通信系統需求、設備器件製造能力等因素，初步選擇合適的目標頻段；系統間共存研究主要評估所選目標頻段的可用性，通過開展移動通信系統與現有系統之間電磁兼容研究工作，分析系統共存所需的條件，結合移動通信系統的網絡部署需求，充分考慮兩系統部署場景等特點，綜合評估頻段的可用性，最後，在共存研究基礎上，以法規、規則等方式給出頻段的使用要求和條件。
同樣，5G頻譜研究也將聚焦於上述三方面內容。但考慮到5G面向於移動網際網路和物聯網，應用場景呈現出多樣化、差異化的特性，因此，開展5G頻譜研究工作時需要充分考慮5G自身特點。
IMT頻譜需求預測工作一般是在ITU框架下開展的。建議書ITU-R M.1768中提出了一套針對全球範圍、較為完備的頻譜預測方法。其核心特點主要包括兩個方面：一是通過調查研究，對未來無線通信業務種類與市場需求進行了詳細的調查統計工作；二是依據乘法原理建立了一整套「業務需求—業務環境—部署場景—接入技術」的映射關係。另外，立足於自身網絡建設和發展現狀，美國、中國等國家和GSMA等組織也提出了頻譜需求預測方法。在3G/4G發展階段，頻譜需求結果基本以總量的形式給出。5G應用場景的差異性將導致不同場景有不同的適配頻段，若僅僅以總量形式給出，則不能合理的反映5G頻率需求。 因此，5G頻譜需求預測需對不同應用場景、不同空中接口，分別估算出可能的帶寬需求及適應的工作頻段，這將更能夠真實的反映未來網絡的頻率需求。
在候選頻段研究方面，往往是基於業務劃分情況，全球各國、各標準化組織立足於本國、本地區的頻率使用現狀，提出初步的候選頻段。之後，ITU對所提候選頻段統籌分析，將合適的頻段實現全球或區域性規劃，例如中國曾經向ITU提交的2.3 GHz頻段，逐步成為全球4G重要頻段。在3G/4G時代，基於組網需求和製造能力，候選頻段主要集中在3 GHz以下頻段，如700 MHz、800 MHz、900 MHz、2 GHz、2.6 GHz頻段等。在後4G時代，也逐漸提出了3~6 GHz頻段的候選頻段。而對於5G系統而言，為了滿足不同場景需求，候選頻段將面向全頻段選擇，綜合滿足網絡對容量、覆蓋、性能等需求，候選頻段不僅包括3 GHz頻段以下低頻，還將包括3~6 GHz中低頻段，同時覆蓋6 GHz以上的毫米波頻段等。
在共存研究方面，主要是根據所提候選頻段的業務劃分、系統規劃和使用現狀，並基於現有業務或系統的技術特性、部署場景等因素，開展移動通信系統與現有或擬規劃的其他系統之間兼容性研究。在3G/4G時代，主要集中在移動業務與其他地面業務共存研究，少部分與空間業務共存研究，如700 MHz頻段與廣播系統、2.3 GHz頻段與雷達系統、3.3 GHz頻段與雷達系統，與空間業務共存也主要集中在空對地劃分的空間業務，如3.5 GHz頻段與衛星固定（空對地），大部分研究具有國內或區域性特點。而對於5G系統而言，共存研究除考慮上述相關場景外，特別在6 GHz以上頻段，存在大量空間業務的劃分。如圖4~7所示，在《無線電規則》中，對6~100 GHz頻段進行統計，在1區，移動業務為主要業務的劃分總帶寬為62.825 GHz，其中，空間業務同為主要業務的總帶寬為57.98 GHz，佔比約為92.29%，在2區，移動業務為主要業務的劃分總帶寬為62.125 GHz，其中，空間業務同為主要業務的總帶寬為56.73 GHz，佔比約為91.32%，在3區，移動業務為主要業務的劃分總帶寬為63.675 GHz，其中，空間業務同為主要業務的總帶寬為58.13 GHz，佔比約為91.29%；在《中華人民共和國無線電頻率規劃規定》中，移動業務為主要業務的劃分總帶寬為60.905 GHz，其中，空間業務同為主要業務的總帶寬為55.71 GHz，佔比約為91.47%。綜上，若在6~100 GHz頻段考慮移動業務作為主要劃分的頻段，其中約有91%左右的空間業務劃分，因此，未來5G高頻段需要重點研究與空間業務的共存問題。考慮到空間業務部署全球化的特點，共存研究必將更加注重國際規則角度。
圖4 6~100 GHz頻段1區移動業務與空間業務佔比圖
圖5 6~100 GHz頻段2區移動業務與空間業務佔比圖
圖6 6~100 GHz頻段3區移動業務與空間業務佔比圖
圖7 6~100 GHz頻段中國移動業務與空間業務佔比圖
4 5G頻譜研究現狀及展望
頻譜工作是整個5G研究的重要環節，與需求、技術、組網等其他工作息息相關，因此在分析和展望5G頻譜研究現狀及未來發展時，需要立足整個5G工作的開展情況。
4.1國際5G頻譜研究現狀及展望
自2012年以來，ITU啟動了5G願景、未來技術趨勢和頻譜等5G國際標準化研究，拉開了全球5G研究的序幕，主要國家、標準化組織、企業也加速推動了5G的研究工作，成立一系列5G相關的研究組織，形成了以ITU為導向的全球研究框架。
圖8 全球5G研究框架
近期ITU確定並發布了5G工作計劃，將於2016年初啟動5G技術性能需求和評估方法的研究工作，2017年底正式啟動5G候選方案徵集工作，2020年完成標準制定工作。同時，2015年6月，ITU確認將「IMT-2020」作為唯一的5G候選名稱上報至2015年無線電通信全會（RA 15）審批。RA -15形成三項ITU-R決議：一是規定了後續開展IMT-2020技術研究所應當遵循的基本工作流程和工作方法，為研究組持續開展IMT-2020研究工作指明了方向；二是強調ITU-R在推動IMT持續發展中的作用；三是正式將5G命名為「IMT-2020」，這使得此前工作組對5G的命名得到了正式確認。由此，IMT-2020與IMT-2000、IMT-Advanced共同構成了代表移動通信發展歷程的「IMT家族」。在3GPP中，業務和需求工作組已開展了5G網絡需求研究工作，無線接入工作組也計劃在2016年3月啟動5G技術研究工作。2015年9月，3GPP RAN召開5G討論會，認同5G不僅引入未考慮後向兼容的新空口，LTE-A也應保持演進，會議從場景和業務、新空口和演進、標準工作計劃等角度給出5G標準化路標。IEEE也積極探索5G標準化路線，推動下一代無線區域網（802.11ax）標準研製，並希望將其與5G發展路線融合。
在頻譜方面，全球業界對5G的頻譜構架認知基本趨同：涵蓋高中低頻段的頻譜資源。目前階段，ITU已完成5G願景和關鍵性能要求，而5G的具體場景、仿真參數和方法尚未完成，因此，目前難以科學、有效地開展5G頻譜研究工作。總體而言，國際上對頻譜的研究仍處於起步階段。
由於6 GHz以下頻段難以完全滿足5G的頻譜需求，世界各國及相關產業一致支持在WRC-19設立新議題「在6~100 GHz頻段為IMT尋求新頻率資源」。同時，考慮到6~100 GHz頻段候選頻段較寬，各國、各地區及產業界也建議提出了更為聚焦頻段。例如，歐盟METIS在2013和2014連續兩年梳理分析了6~100 GHz頻段的劃分、分配以及當前使用情況，按高、中、低優先級給出了一系列可用於未來IMT系統的候選頻段。英國OFCOM和美國FCC等機構和組織對於5G用頻特別是高頻段可用性問題也通過其網站廣泛徵求意見，形成了初步候選頻段。APT、CEPT、CITEL、ASMG、RCC等組織已形成了區域性關注的重點頻段，提交給WRC-15大會，世界各國還將根據自身訴求提交相關候選頻段。基於剛剛結束WRC-15大會議題10的討論，新設立了WRC-19議題1.13：根據第COM6/20號決議（WRC-15），審議為國際移動通信（IMT）的未來發展確定頻段，包括為作為主要業務的移動業務做出附加劃分的可能性，在24.25GHz至86GHz頻率範圍內開展IMT地面部分的頻譜需求，並在8個移動業務為主要劃分的頻段（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）和3個尚未有移動業務劃分的頻段（31.8-33.4GHz、40.5-42.5GHz 和 47-47.2GHz）開展共存研究。
對於低頻段，RA-15上，IMT-2020被正式確認為5G名稱後，其已被納入原有的IMT家族系列，從規則上允許其使用原有規劃給IMT（3G/4G）的頻率，豐富了5G低端頻率。WRC-15會議決定將470-694/698 MHz、1 427-1 518 MHz、3 300-3 400 MHz、3 400-3 600 MHz、3 600-3 700MHz、4 800-4 990 MHz頻段或其部分頻段確定給有意部署國際移動通信（IMT）的主管部門使用。
3GPP作為ITU後續工作的承載，實現產業化的標準組織，其頻率工作將依託於ITU的研究成果。目前，3GPP RAN明確2015年12月完成對高頻段通信現狀的調研，確定主要頻段並於2016年3月在RAN1開展信道建模工作。
隨著WRC-15的召開，WRC-15議題1.1的成果和WRC-19議題1.13的未來研究，將對5G未來頻率使用影響深遠。
4.2國內5G頻譜研究現狀及展望
在國內，5G工作主要依託於IMT-2020推進組。在2013年2月，三部委成立了IMT-2020(5G)推進組，包括中國主要的運營商、製造商、高校和研究機構，以聚合中國產學研用力量，並設立相關子研究組，聯合開展5G策略、需求、技術、頻譜、標準、智慧財產權研究及國際合作，並取得了階段性的研究成果。目前，推進組已發布《5G願景與需求》、《5G概念》、《5G網絡技術架構白皮書》、《5G無線技術架構白皮書》四個白皮書，部分研究成果已形成產業界共識，並被ITU等國際標準化組織採納。
5G頻譜研究工作主要在IMT-2020推進組頻率子組中開展。目前，頻率工作組在5G頻率需求、高頻段可行性及候選頻段等方面開展了一系列研究準備工作。在頻譜需求方面，結合需求組的研究成果，採用不同的預測方案，按照不同場景、不同頻段初步估算出未來分階段的帶寬需求，後續工作將充分結合5G國際標準化工作，考慮物聯網等方面的場景，對頻譜需求預測結果繼續完善和和收斂。在初步候選頻段方面，對6~100 GHz頻段劃分、使用、擬規劃的情況進行了調研，結合產業製造水平，在借鑑部分共存研究結論基礎上，形成了初步候選頻段，並對部分重點頻段開展了共存研究分析。在後續工作中，依託於形成的WRC19新議題，國內將成立相關研究組積極開展6~100 GHz頻段的頻譜研究工作。
由於5G (IMT-2020)將被統籌到IMT系列中，我國已為IMT規劃的687 MHz頻譜資源均屬於5G可用頻譜資源。未來的IMT網絡必將是多種通信系統並存的異構網絡，資源配置需要綜合考慮網絡發展狀況、產業投資周期、用戶規模等方面因素，同時兼顧5G系統的技術特性。後續重點研究將現有系統頻率重耕用於未來IMT（含5G）的時間周期和系統間兼容性。在WRC-07上，450~470 MHz、698~806 MHz、3 400~3 600 MHz等頻段被確立為新的IMT頻段，我國也引入了相關國際腳註，成為我國未來IMT系統使用的潛在發展頻段。同時，考慮到這些頻段國內系統仍有部署，需要研究該頻段已劃分業務的應用模式、頻率使用規劃、業務間的兼容共存條件及協調程序。尤其對於3 400~3 600 MHz頻段具有較大的連續帶寬，特別適合擴展系統的容量，但需要考慮與同頻以及鄰頻衛星業務的兼容性，研究合適的幹擾協調規避方法。我國將根據WRC-15 1.1議題形成的決議，同時根據國內用頻現狀，尋找合適的頻段開展頻率劃分和規劃研究。
5 對無線電管理影響和挑戰
由於5G在頻率使用、系統部署方面的獨有特點，對傳統無線電管理帶來了影響和挑戰。
在資源配置方面，由於5G具有與其他產業融合的特性，特別是在物聯網、工業網際網路、車聯網、移動網際網路等方面，因此，需要立足於《中國製造2025》、「網際網路+」、「寬帶中國」等國家重大戰略，在統籌相關產業應用需求的基礎上開展5G頻率資源配置工作，為實現製造強國和網絡強國提供頻率資源支撐和保障。由於5G技術頻譜資源需求大、頻段寬的特性，在頻率規劃時，需要分階段統籌高中低頻段，逐步釋放頻率資源，保障5G用頻需求。
在無線電監測方面，國內超短波監測能力基本集中在3 GHz頻段以下，考慮到未來5G面向更高頻段，監測設備需要擴展到6 GHz甚至更高頻段；相對於3G/4G時代，5G支持超密集組網，傳統的大距離固定站監測手段難以快速完成監測和定位，網格化頻譜監測可以更加全面掌控頻譜資源使用和演變動態，並且通過廣域、全時監測，實現多域的統計和深度分析，獲取頻譜態勢，對監測設備的連網、存儲、數據處理也提出更高的要求；5G頻段支持更寬的帶寬，也將對接收機的實時帶寬、處理分析能力提出新的挑戰。
在臺站管理方面，在未來5G系統中，為滿足不同場景的應用需求，相當於宏站為主的3G/4G時代，將出現一系列的微站、微微站等特殊站型。為了更加科學有效地管理無線電發射臺站，需要對不同類型臺站類別制定相應的管理辦法；另外，IMT系統逐漸考慮使用免執照頻段，這也給傳統臺站管理帶來新的挑戰。
5G研究是面向未來2020年，5G研究周期與我國無線電管理「十三五」實施周期是一致的。因此，在5G頻譜研究工作中，還應充分考慮與「十三五」無線電管理工作的銜接，研究動態頻譜共享、頻率評估、頻率市場化在5G工作開展的可能性。
6 結束語
5G頻率戰略是5G發展戰略的核心內容，需要及早謀劃，為5G未來發展提供資源保障。5G頻譜工作需要在ITU、3GPP等國際標準化組織的大框架下開展，同時要充分考慮國內用頻和產業發展現狀，聯合產學研用各方力量，穩步適時推進。
7 結束語
5G頻率戰略是5G發展戰略的核心內容，需要及早謀劃，為5G未來發展提供資源保障。5G頻譜工作需要在ITU、3GPP等國際標準化組織的大框架下開展，同時要充分考慮國內用頻和產業發展現狀，聯合產學研用各方力量，穩步適時推進。
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原文刊登於《電信科學》2015年第十二期，如需轉載請與《電信科學》雜誌社聯繫。