5G正在徹底改變我們與世界的交互方式。同時(shí)，6G的演進(jìn)已進(jìn)入到早期應(yīng)用研究階段。在支持新的網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋需求方面，頻譜將起到至關(guān)重要的作用，而厘米波頻譜正在成為頻譜“新寵”。

本文中，愛立信技術(shù)專家深入解讀了厘米波頻譜對(duì)打造未來網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值，以及我們正在努力解決的那些挑戰(zhàn)。

01

6G服務(wù)需要額外頻譜

毋庸置疑，5G是一項(xiàng)革命性技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與人類之間的無縫連接。2020年到 2030 年，是5G重塑整個(gè)行業(yè)和社會(huì)的“黃金十年”。我們將見證許多新應(yīng)用和新服務(wù)的出現(xiàn)，同時(shí)也從每一次5G部署過程中汲取寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

與此同時(shí)，我們繼續(xù)向6G邁進(jìn)。正如我們?cè)趷哿⑿?G白皮書中所述，6G將實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界的融合。根據(jù)2022年11月的《愛立信移動(dòng)市場報(bào)告》，6G 將成為支持當(dāng)前移動(dòng)寬帶、固定無線接入（FWA）、智能工廠等用例的重要組成部分，這些用例將繼續(xù)呈指數(shù)級(jí)增長。6G還將推動(dòng)實(shí)現(xiàn)全息通信、大規(guī)模數(shù)字孿生、沉浸式通信、通感一體化（JCAS）等領(lǐng)域的新興用例。

這就提出了兩個(gè)重要問題：我們?nèi)绾螡M足未來的流量需求并實(shí)現(xiàn)6G愿景？答案當(dāng)然會(huì)涉及諸多方面，但我們認(rèn)為頻譜將是最基本的因素之一。如圖1所示，當(dāng)前用例在不斷增加，在2030年預(yù)期增加三倍的數(shù)據(jù)流量；這就要求我們可用的頻譜不僅要滿足當(dāng)前用例的需要，同時(shí)還要滿足新的6G用例產(chǎn)生的流量增量的需要。

圖1：6G時(shí)代的流量需求

為滿足2030年及以后的網(wǎng)絡(luò)需求，至少需要1.5-2.2GHz的額外頻譜來更好地支持廣域覆蓋。需要注意的是，這些數(shù)字是在2030年前分配的廣域頻譜頻段的基礎(chǔ)上得出的，我們?cè)诎灼幸蔡岬搅诉@一點(diǎn)。

02

頻譜混疊：流量分發(fā)和聚合

為了滿足2030年及以后的大量用例和網(wǎng)絡(luò)部署的需要，我們必須充分利用所有可用的頻段，并將流量引導(dǎo)至最合適的頻段（見圖2）。

01

低頻段FDD：將繼續(xù)提供基本覆蓋層。該頻譜有利于彌合城市和農(nóng)村地區(qū)之間的數(shù)字鴻溝，同時(shí)提供無處不在的移動(dòng)連接。

02

中頻段TDD：在目前全球5G頻譜資源分布最廣泛的頻段。豐富的頻譜資源對(duì)移動(dòng)寬帶、XR、AR/VR等大量應(yīng)用至關(guān)重要，還能為光纖無法到達(dá)的小鎮(zhèn)和村莊提供固定連接。

03

毫米波（mmWave）頻段：可實(shí)現(xiàn)大容量通信，但由于傳播特性，毫米波頻段僅限于局部密集環(huán)境。

04

亞太赫茲（Sub-THz）頻段：適用于未來的6G用例，例如前傳/回傳、極限游戲等，這些用例和應(yīng)用需要至少每秒數(shù)百Gb的數(shù)據(jù)傳輸速率，而達(dá)到這一速率又需要10GHz以上帶寬的頻段（這種寬帶寬僅在92 GHz以上頻段才有，如D頻段和W頻段）。由于傳播特性，亞太赫茲頻段的接入?yún)^(qū)域會(huì)非常有限，前傳/回傳應(yīng)用也需要非常窄的波束。幸運(yùn)的是，并非所有地方都需要如此高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在這些極端情況下，亞太赫茲（92-300GHz）頻段將成為更低頻段的補(bǔ)充。

尋找1.5-2.2GHz的額外廣域頻譜并非易事，但這對(duì)于滿足我們2030年及以后的容量需求至關(guān)重要。從網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的角度來看，低頻段是有益的，但新頻譜的數(shù)量非常少；而在高頻段（毫米波頻段）中尋找大量額外頻譜是可行的，但它們又不太適合廣域覆蓋。

這就催生出一個(gè)重要問題：我們能否找到一種方法，兼具兩種頻段的優(yōu)勢？

厘米波（cmWave）頻譜：對(duì)未來系統(tǒng)（如6G）來說極具吸引力。

7-15GHz的頻率范圍有望將良好的覆蓋范圍（尤其是在低頻邊緣）與足夠大的帶寬結(jié)合起來。雖然這些頻譜目前正在被廣泛應(yīng)用，但適當(dāng)?shù)幕殳B機(jī)制在一定條件下可以釋放出足夠大的頻譜供蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用。除了現(xiàn)有頻段和已在討論的頻段外，我們認(rèn)為厘米波頻譜對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常重要。同時(shí)，由于采用了大型陣列，該頻段可以與傳統(tǒng)中頻段部署在同一網(wǎng)格中，并借助同樣通過大型陣列實(shí)現(xiàn)的大規(guī)?？臻g重用實(shí)現(xiàn)更大的容量。這一頻段不僅能推動(dòng)傳統(tǒng)移動(dòng)寬帶和AR/VR的持續(xù)增長，還能支持全息通信、大規(guī)模數(shù)字孿生等新應(yīng)用的引入。考慮到相對(duì)傳播特性，在7-15GHz范圍內(nèi)的較低頻率進(jìn)行頻率分配是十分可取的。

為實(shí)現(xiàn)最佳的用戶體驗(yàn)，必須以最佳方式同時(shí)使用所有可用的頻段，并將它們動(dòng)態(tài)分配給網(wǎng)絡(luò)中能帶來最大效益的用戶和應(yīng)用。由于高頻段需要更密集的部署來補(bǔ)償傳播損耗，因此，想要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能運(yùn)行，系統(tǒng)必須具備快速啟用和停用節(jié)點(diǎn)與頻段的功能。

圖2：多頻譜層疊加

03

可在現(xiàn)有的網(wǎng)格上使用厘米波

厘米波頻段可利用大規(guī)模MIMO技術(shù)來支持廣域覆蓋，從而使當(dāng)前的3.5GHz基站網(wǎng)格被重復(fù)使用。與3.5GHz天線面板相比，在7GHz 頻率下，安裝在同一天線外殼中的半波長元件數(shù)量可以翻兩番，最終提升天線增益，彌補(bǔ)增加的傳播損耗。

例如，在圖3所示的倫敦場景中，基站間的平均距離為450米，80%的用戶為室內(nèi)用戶，人口密度為10,000人/平方公里。

圖3：倫敦模擬場景

圖4顯示了在該網(wǎng)格上使用多個(gè)頻段所提供的容量。在這種情況下，使用當(dāng)前頻段的150 MHz所能支持的下行鏈路容量約為5 Gbit/s/km2，如果在厘米波范圍內(nèi)增加400 MHz頻譜（7GHz下的200 MHz和15GHz下的200 MHz），這一數(shù)字可提高到13 Gbit/s/km2以上。所增加的下行鏈路容量還可用于卸載3.5 GHz等較低頻段的更多下行鏈路流量，從而將這些頻段釋放出來用于上行鏈路流量，這有益于擴(kuò)大覆蓋范圍。

圖 4：倫敦現(xiàn)有宏網(wǎng)格所支持的通信容量

該模擬示例清楚地說明了厘米波頻譜的優(yōu)勢：在不需要基站網(wǎng)格密集化的情況下，就能提高容量。但要注意的是，該場景進(jìn)行了適度的模擬假設(shè)，例如，7 GHz天線沒有使用比3.5GHz天線更多的元件。另外，在本例中，除非提高基站網(wǎng)格的密度，否則即使增加毫米波頻譜也無法提高通信容量。從圖4也可以看出這一點(diǎn)：該倫敦場景中的基站網(wǎng)格對(duì)應(yīng)覆蓋距離位于毫米波層右側(cè)；而在圖2中的覆蓋距離則對(duì)應(yīng)厘米波層。

04

未來的傳輸技術(shù)：需要考慮的因素

如上所述，我們最初的目標(biāo)是將厘米波頻段與傳統(tǒng)中頻段部署在同一網(wǎng)格上。此外，如上文所述，為了彌補(bǔ)3.5-7GHz全向路徑損耗的增加，我們需要至少四倍數(shù)量的天線元件。

5G 無線設(shè)備通常使用32或64個(gè)TRX 端口。每個(gè)端口連接到一個(gè)包含三個(gè)天線元件的垂直子陣列，因此總共需要96或192個(gè)天線元件。為了補(bǔ)償增加的全向路徑損耗，從64個(gè)TRX端口開始，將天線元件數(shù)量翻兩番，從而需要768個(gè)天線元件。為擴(kuò)大覆蓋范圍，可進(jìn)一步增加天線元件的數(shù)量（見圖5）。

圖5：（垂直 x 水平）子陣列配置示例

我們可通過選擇不同的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的天線陣列，可供選擇的方案包括：

增加子陣列尺寸

使用12甚至24個(gè)元件的子陣列可以形成一個(gè)子陣列，從而使天線元件總數(shù)分別增加到原來的四倍或八倍。這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)是簡單，而且由于TRX端口的數(shù)量沒有變化，可以最大程度地減少甚至消除對(duì)數(shù)字波束成形架構(gòu)和CSI獲取所需的更改。但這種解決方案的一個(gè)明顯缺點(diǎn)是垂直波束寬度更窄。

增加 TRX 端口數(shù)量

另一種極端情況是保持子陣列大小不變，將TRX端口數(shù)量增加到256或 512個(gè)。在這種情況下，所有波束成形（除子陣列外）都是在頻域中以數(shù)字方式完成的，從而使MIMO前置編碼器的設(shè)計(jì)具有最大的靈活性，甚至可以使用前置編碼器。缺點(diǎn)是需要大量增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器（上行）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（下行），導(dǎo)致復(fù)雜性和能耗增加。

介于兩個(gè)極端之間

在上述兩個(gè)極端之間有多種選項(xiàng)。一種是適度增加TRX端口數(shù)量，然后依靠時(shí)域端口延伸（下行鏈路）/縮減（上行鏈路）連接子陣列。這種時(shí)域端口延伸/縮減可以在數(shù)字域、模擬域或兩者之間進(jìn)行。

我們需要慎重考慮，如何在增加的復(fù)雜性與靈活性之間取得良好的平衡。不同方案所產(chǎn)生的能耗差別也很大，通常會(huì)隨著TRX端口數(shù)量的增加而上升。為了保持低能耗，我們必須能夠休眠或關(guān)閉無線電和基帶中未使用的組件。過去，無線系統(tǒng)功耗明顯占主導(dǎo)地位。然而，隨著天線數(shù)量不斷增加，基帶功耗也隨之激增，這就要求我們現(xiàn)在必須同時(shí)考慮這兩個(gè)方面的功耗。

不同的架構(gòu)也有不同的輻射特性，例如，大型垂直子陣列會(huì)減少垂直波束寬度。需要進(jìn)一步考慮上述解決方案如何能夠使這些頻段中其他同優(yōu)先級(jí)服務(wù)以及雷達(dá)、固定服務(wù)和衛(wèi)星服務(wù)等相鄰頻段更好地共存。

為了將TRX端口數(shù)量增加到64個(gè)以上，還需要改進(jìn) CSI的獲取，例如，需要增加CSI-RS天線端口等。目前業(yè)界正在分析每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最佳設(shè)計(jì)將“花落誰家”還未有定論。

部署更大規(guī)?；咎炀€陣列還可用于改善通信之外的服務(wù)，比如定位服務(wù)，它早已成為一項(xiàng)重要服務(wù)。在6G可以提供的通信之外的服務(wù)中，通感一體化被普遍看好。

定位和通感一體化服務(wù)均受益于大帶寬和大天線陣列，這使得厘米波頻段成為這兩種服務(wù)的理想頻段。假設(shè)厘米波頻段中，每種模式的鄰道帶寬為200MHz，則傳感和定位的飛行時(shí)間測量分辨率小于一米。多種定位和傳感方法都依賴精確的到達(dá)角估計(jì)，而到達(dá)角估計(jì)的精度會(huì)隨著陣列尺寸的增大而提升。如果能夠?qū)⒗迕撞l段提供的大帶寬與保持覆蓋范圍所需的更大陣列尺寸相結(jié)合，厘米波頻段就能成為一個(gè)理想的高精度定位和傳感候選頻段。

05

如何獲得該頻譜：解決共存問題

在第一章節(jié)中，所需的厘米波頻譜估計(jì)在1.5-2.2GHz。假設(shè)一個(gè)地區(qū)有三家網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，那么每家運(yùn)營商需要500-750MHz頻譜。為避免非連續(xù)載波聚合的高度復(fù)雜性，同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)范圍分辨率在1米左右的定位和傳感服務(wù)，頻譜應(yīng)按不少于100-200MHz的連續(xù)區(qū)塊分配。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟《無線電規(guī)則》（ITU-RR），7-15GHz頻譜范圍內(nèi)的大量頻段已經(jīng)以同優(yōu)先級(jí)的方式分配給移動(dòng)型、固定型及其他服務(wù)。因此，我們有必要認(rèn)真考慮和研究這些服務(wù)在7-15GHz頻段和鄰近頻段中的共存問題。

由于我們很難找到干凈的頻譜，再加上高效利用稀缺頻譜資源的既定目標(biāo)，頻譜共享和共存能力呈現(xiàn)出前所未有的重要性。愛立信認(rèn)識(shí)到這一挑戰(zhàn)并全力探索這一領(lǐng)域。如果能夠成功應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們就可以釋放厘米波頻段中的大量頻譜用于蜂窩通信。實(shí)際上，將類似毫米波的帶寬與中頻段覆蓋相結(jié)合，是我們?yōu)闈M足2030年及以后的通信容量需求的可行方式。

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