5G移動(dòng)通信系統(tǒng)

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)

一T-h^'門i“二+-，山"］二:：I區(qū)聲俳I■

目錄

第1章5G需求與愿景

1.15G總體愿景

1.2驅(qū)動(dòng)力和力場趨勢

1.3典型業(yè)務(wù)、場景與性能挑戰(zhàn)

1"可持續(xù)發(fā)展與效率需求

1.55G關(guān)鍵能力

1.6小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第2章候選頻率與傳播特征

2.1候選頻譜

2.2傳播特性

2.3小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章標(biāo)準(zhǔn)化展望

3.15G標(biāo)準(zhǔn)化組織概述

3.25G的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

3.3小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章多天線技術(shù)的演進(jìn)：3D-MIM0

4.1技術(shù)原理

4.2典型應(yīng)用場景

4.33D-MIM0中波束成形傳輸方案

4.43DTHM0中的信道反饋方案

4.53D-M1M0性能評(píng)估

4.63D-MIM0樣機(jī)測試驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)

第5章非正交與多址

5.15G新型多址技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與設(shè)計(jì)框架

5.25G與非正交多址

5.3非正交容量界分析

5.4MUSA

5.5SCMA

5.6小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第6章全雙工

6.1無線全雙工簡介

6.2全雙工自干擾抑制

6.3全雙工在蜂窩系統(tǒng)中面臨的挑戰(zhàn)

6.4小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第7章編碼與鏈路自適應(yīng)

7.15G鏈路自適應(yīng)的新需求和新趨勢

7.2小數(shù)據(jù)分組編碼

7.3分組編碼技術(shù)

7.4軟HARQ技術(shù)

7.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第8章網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

8.15G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求

8.2現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在的問題

8.35G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征

8.4NFV與SDN

8.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第9章用戶無感知的移動(dòng)性管理

9.15G移動(dòng)性的特惠和需求

9.25G網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)性的場景分析

9.3移動(dòng)性解決方案

9.4小結(jié)

第10章用戶為中心的門治網(wǎng)絡(luò)

10.1用戶為中心的自治網(wǎng)絡(luò)需求

10.2潛在技術(shù)方向

10.3小結(jié)

第11章亳米波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

11.1毫米波信道傳播特性：理論和實(shí)際測量結(jié)果

11.2波束成形算法

11.3毫米波波束成形原型系統(tǒng)

11.4原型系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

11.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第12章超密集網(wǎng)絡(luò)及小區(qū)虛擬化

12.1超密集網(wǎng)絡(luò)概述

12.2LTE系統(tǒng)的小區(qū)結(jié)構(gòu)及分析

12.3UDN虛擬化技術(shù)

12.45G小區(qū)虛擬化的關(guān)鍵支撐技術(shù)

12.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第13章海量機(jī)器類通信

13.1機(jī)器類通信市場前景和現(xiàn)有技術(shù)

13.2海量機(jī)器類通信技術(shù)需求

13.3海量機(jī)器類通信的網(wǎng)絡(luò)功能

13.4海量機(jī)器類通佶的無線技術(shù)

13.5面向海量機(jī)器類通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)

13.6小結(jié)

第1章

5G需求與愿景

從20世紀(jì)80年代第一代(1G)移動(dòng)通信的誕生開始，移動(dòng)通信深刻改變了人們的

溝通方式。面向2020年及未來，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長、設(shè)備連接數(shù)的海量增加、

各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景的不斷涌現(xiàn)，將對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生非常嚴(yán)峻且無法滿足的挑戰(zhàn)，第五

代(5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。從5G網(wǎng)絡(luò)的兩大驅(qū)動(dòng)力一一移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)出發(fā),

通過預(yù)測未來5G典型應(yīng)用場景和典型業(yè)務(wù)，同時(shí)結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營面臨的挑戰(zhàn)，提出了

5G應(yīng)具備的關(guān)鍵能力，并給出了5G總體愿景。

1.15G總體愿景

20世紀(jì)80年代，第一代移動(dòng)通信誕生，“大哥大’出現(xiàn)在了人們的視野中。從此，移

動(dòng)通信對人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹挠绊懪c日俱增。移動(dòng)通信發(fā)展回顧如圖1-1所示。1G,

“大哥大”作為高高在上的身份象征；2G,手機(jī)通話和短信成為了人們?nèi)粘贤ㄒ环N重要方

式：3G,人們開始用手機(jī)上網(wǎng)、看新聞、發(fā)彩信；4G,手機(jī)上網(wǎng)已經(jīng)成為了基本功能，

拍照分享、在線觀看視頻等，已經(jīng)成了手機(jī)上能做的再熟悉不過的事情。人們的溝通方式、

了解世界的方式，已經(jīng)因移動(dòng)通信而改變。想要知道更多，想要更自由地獲取更多信息的

好奇心，不斷驅(qū)動(dòng)著人們而更高性能移動(dòng)通信的追求?？梢灶A(yù)見，未來的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將

爆炸式地增長、設(shè)備連接數(shù)將海量增加、各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景將不斷涌現(xiàn)。這些新的趨

勢，對于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)來說將會(huì)是不可完成的任務(wù)，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

a100wn>

畫明?依?.限產(chǎn)?y*恕"餌陽圓

AMPStWIMAWiMAX

…TYKSTtJMA

圖1-1移動(dòng)通信發(fā)展回顧

5G作為面向2020年及以后的移動(dòng)通信系統(tǒng)，將深入社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，作為基礎(chǔ)設(shè)

施為未來社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域提供全方位的服務(wù)，如圖1-2所示。5G將提供光纖般的接入速

度，“零”時(shí)延的使用體驗(yàn)，使信息突破時(shí)空限制，為用戶即時(shí)呈現(xiàn)；5G將提供千億設(shè)備

的連接能力、極佳的交互體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人與萬物的智能互聯(lián)；5G將提供超高流量密度、超

高移動(dòng)性支持，讓用戶隨時(shí)隨地獲得一致的性能體驗(yàn)；同時(shí)，超過百倍的能效提升和超百

倍的比特成本降低，也將保證產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。超高速率、超低時(shí)延、超高移動(dòng)性、超

強(qiáng)連接能力、超高流量密度，加上能效和成本超百倍改善，5G最終將實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，

萬物觸手及"的美好愿景。

d，J"4

圖1-25G深入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)領(lǐng)域

1.2驅(qū)動(dòng)力和市場趨勢

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，是當(dāng)前及未來移動(dòng)通信的熱門方向。根據(jù)IMT-2020(5G)推

進(jìn)組預(yù)測⑴，2020年相比2010年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的增長將超過200倍，而到了

2030年更將進(jìn)一步超過萬倍增長，如圖1-3所示；而物聯(lián)網(wǎng)終端的規(guī)模也將在2020年

達(dá)到與人口相當(dāng)?shù)牧考?jí)，后續(xù)將進(jìn)一步發(fā)展至千億級(jí)別，如圖1-4所示。

■■

■2010-2020年■2010—2030年

圖1-3移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增長

圖1-4物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)增長

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛增長，將為5G提供廣闊的前景。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將推動(dòng)人類

社會(huì)信息交互方式的進(jìn)一步升級(jí)，為用戶提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清(3D)視頻、

移動(dòng)云等更加身臨其境的極致業(yè)務(wù)體驗(yàn)。各種新業(yè)務(wù)不僅帶來超千倍的流量增長，更是對

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的性能提出了挑戰(zhàn)，必將推動(dòng)移動(dòng)通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的新一輪變革。

物聯(lián)網(wǎng)則是將人與人的通信進(jìn)一步延伸到人與物、物與物智能互聯(lián)，使移動(dòng)通信技術(shù)

滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域。在移動(dòng)醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等

場景，將可能出現(xiàn)數(shù)以千億的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，締造出規(guī)?？涨暗男屡d產(chǎn)業(yè)，并與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)

發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。

1.3典型業(yè)務(wù)、場景與性能挑戰(zhàn)

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來越多地融入人們的工作和生活中，未來的5G網(wǎng)絡(luò)將與人們的

居住、工作、休閑和交通等各個(gè)領(lǐng)域結(jié)合得更加緊密。當(dāng)前，在一些特殊區(qū)域，例如體育

場、露天集會(huì)、地鐵、快速路、高鐵等，由于這些場景的超高流量密度、超高連接數(shù)密度、

超高移動(dòng)性等特征，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況下體驗(yàn)還不理想；另外一些區(qū)域，例如密集住宅區(qū)、辦

公室、廣域覆蓋場景等，考慮到未來將出現(xiàn)的新業(yè)務(wù)，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視

頻、云存儲(chǔ)、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、OTT消息等，也對速率、時(shí)延等提出更為苛刻的要求。

對日常工作、生活中的各種環(huán)境以及其中可能出現(xiàn)的各類應(yīng)用，以“高流量密度”“高

連接數(shù)密度”“高移動(dòng)性”為依據(jù)進(jìn)行篩選之后，列舉出一些5G的典型場景。結(jié)合各場景未

來可能的用戶分布、各類業(yè)務(wù)占比及對速率、時(shí)延等性能要求，可以得到各個(gè)應(yīng)用場景下

的5G性能指標(biāo)，主要包拈用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、流量密度、移動(dòng)性

和用戶峰值速率，見表1-1。表1-2中，辦公室場景的最大性能挑戰(zhàn)是數(shù)十Tbit/s/km?的

流量密度，密集住宅場景的最大性能挑戰(zhàn)是Gbit/s用戶體驗(yàn)速率，體育場和露天集會(huì)場

景的最大性能挑戰(zhàn)是100萬/knv的連接數(shù)，地鐵場景的最大性能挑戰(zhàn)是6人/m，的超高

用戶密度，快速路場景的最大性能挑戰(zhàn)是亳秒級(jí)端到端時(shí)延，高鐵場景的最大性能挑戰(zhàn)是

500km/h以上的高速移動(dòng)，廣域覆蓋場景的最大性能挑戰(zhàn)是100Mbit/s的用戶體驗(yàn)速率。

表1-15G性能指標(biāo)

表1-25G性能指標(biāo)

H?知*

鳥幢。5、口上.3.”--------------------------------------------

14可持續(xù)發(fā)展與效率需求

在滿足多種場景下的性能挑戰(zhàn)的同時(shí)，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具備可持續(xù)發(fā)展的能力，5G網(wǎng)絡(luò)

在建設(shè)、部署、運(yùn)營維護(hù)方面，也需要大幅提升效率。

目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式發(fā)展時(shí)，可能會(huì)面臨以下問題:

能耗、每比特綜合成本、部署和維護(hù)的復(fù)雜度難以高效應(yīng)對未來千倍業(yè)務(wù)流量增長和海量

設(shè)備連接：多制式網(wǎng)絡(luò)共存造成了復(fù)雜度的增長和用戶體驗(yàn)下降：現(xiàn)網(wǎng)在精確監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)資

源和有效感知業(yè)務(wù)特性方面的能力不足，無法智能地滿足未來用戶和業(yè)務(wù)需求多樣化的趨

勢；此外，無線頻譜從低頻到高頻跨度很大，且分布碎片化，干擾復(fù)雜。應(yīng)對這些問題，

需要從如下兩方面提升5G系統(tǒng)能力，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

?在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和部署方面，5G需要提供更高網(wǎng)絡(luò)容量和更好覆蓋，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)部

署，尤其是超密集網(wǎng)絡(luò)部署的復(fù)雜度和成本；5G需要具備靈活可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以適應(yīng)

用戶和業(yè)務(wù)的多樣化需求；5G需要靈活高效地利用多類頻譜，包括對稱和非對稱頻段、

已有頻譜和新頻譜、低頻段和高頻段、授權(quán)和非授權(quán)頻段等；另外，5G需要具備更強(qiáng)的

設(shè)備連接能力來應(yīng)對海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入。

?在運(yùn)營維護(hù)方面，5G需要改善網(wǎng)絡(luò)能效和比特運(yùn)維成本，以應(yīng)對未來數(shù)據(jù)迅猛增

長和各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的多樣化需求；5G需要降低多制式共存、網(wǎng)絡(luò)升級(jí)以及新功能引入等

帶來的復(fù)雜度，以提升用戶體驗(yàn)；5G需要支持網(wǎng)絡(luò)對用戶行為和業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能感知并

做出智能優(yōu)化；同時(shí)，5G需要能提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，以滿足各類移動(dòng)互聯(lián)

網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及業(yè)務(wù)的需求。

從可持續(xù)發(fā)展的角度，頻譜、能耗和成本是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)發(fā)展的3個(gè)關(guān)鍵因

素，見表1?3。5G系統(tǒng)相匕4G系統(tǒng)在這3方面需要得到顯著提升。具體來說，頻譜效率

需提高5~15倍，能耗效率和成本效率均要求有百倍以上提升。

表1-35G關(guān)鍵效率指標(biāo)

1.55G關(guān)鍵能力

從5G的典型應(yīng)用場景的性能要求，可以總結(jié)出5G應(yīng)該具備的一些關(guān)鍵能力。

?速率方面：支持0.1~1Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率和高達(dá)10Gbit/s以上峰值速率;

?連接能力方面：支持每平方千米百萬量級(jí)的連接數(shù)密度；

?時(shí)延方面：支持毫秒級(jí)的端到端時(shí)延；

?流量密度方面：支持每平方千米數(shù)十Tbit/s的流量密度；

?移動(dòng)性方面：支持500km/h以上的移動(dòng)性。

其中，用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度和時(shí)延為5G最基本的3個(gè)性能指標(biāo)。

為了提升網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、部署、運(yùn)營方面的效率，5G還應(yīng)具備如下關(guān)鍵能力。

?頻譜效率：相比4G提升5?15倍；

?能源效率：相比4G提升百倍以上；

?成本效率：相比4G提升百倍以上。

性能需求和效率需求共同定義了5G的關(guān)鍵能力，猶如一株綻放的鮮花。紅花綠葉，

相輔相成，“花瓣”代表了5G的六大性能指標(biāo)，體現(xiàn)了5G滿足未來多樣化業(yè)務(wù)與場景需

求的能力，其中“花瓣”頂點(diǎn)代表了相應(yīng)指標(biāo)的最大值；“葉子”代表了3個(gè)效率指標(biāo)，是實(shí)

現(xiàn)5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障。

1.6小結(jié)

5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，在于支持未來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)巨量增長帶來的苛刻需求?？v觀

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)可能滲透到的應(yīng)用場景和新興業(yè)務(wù)，5G在性能方面的大幅提升將全

面提升用戶體驗(yàn)。光纖般的接入速率，“零”時(shí)延的使用體驗(yàn)，千億設(shè)備的連接能力，超高

流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動(dòng)性等多場景的一致服務(wù)，將極大地提升移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)

和物聯(lián)網(wǎng)的影響力。為了實(shí)現(xiàn)全行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，5G在能效和成本效率方面超百倍的

提升，也將使移動(dòng)通信的應(yīng)用更加普及和深入，為相關(guān)新技術(shù)和新業(yè)務(wù)提供更廣闊的發(fā)展

平臺(tái)，并最終實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的5G愿景。

參考文獻(xiàn)

[1]IMT-2020(5G)PromotionGroup.IMT-2020(5G)PG-whitepaperon5Gvisionand

requirements_V1,0:2014[S/OL],[2016-04-20].

/link?url=QhzvzFNJ8mh5ZIW0Q2Yvs

37g0rHogx0u2qOYpes687SdeoqP76OwAggAJ_MCaeGkwzBf]uGkIk3CstQmizZu7xqNI-

u2Wa-Nr9pkTfbGl-C.

第2章

候選頻率與傳播特征

為了滿足2020年以后移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的井噴式發(fā)展，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的部署需要

更多的頻率資源、更高效的無線傳輸技術(shù)和更多的站址?？紤]到短期內(nèi)無線傳輸技術(shù)的整

體效率很難有量級(jí)上的突破，5G的成功將很大程度上依賴于可用的移動(dòng)通信頻率。本章

從5G的頻率需求預(yù)測出發(fā)，詳細(xì)介紹我國在2020年前后的移動(dòng)通信頻率需求、5G移動(dòng)

通信可能的候選頻點(diǎn)、這些新頻率的傳播特性，為后續(xù)的關(guān)鍵技術(shù)研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供必

要的支撐。

2.1候選頻譜

頻率是移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部署的基礎(chǔ)，頻率對5G的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。從

整個(gè)移動(dòng)通信發(fā)展的歷史經(jīng)驗(yàn)來看，全球統(tǒng)一劃分和規(guī)劃的移動(dòng)通信頻率有助于全球移動(dòng)

通信產(chǎn)業(yè)共享全球產(chǎn)業(yè)規(guī)模、降低設(shè)備成本的同時(shí)、簡化終端的實(shí)現(xiàn)、便捷用戶在全球運(yùn)

營商之間的漫游。所以，面向5G候選頻率的征集，全球產(chǎn)業(yè)的共同呼聲是全球融合、統(tǒng)

一的頻率劃分。但是，考慮到各國的移動(dòng)、衛(wèi)星、軍用雷達(dá)、航天等業(yè)務(wù)的發(fā)展不均勻，

各國能夠拿出的5G頻率有較大的差異，很難實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一劃分的目標(biāo)。

從移動(dòng)通信業(yè)務(wù)未來發(fā)展的需求出發(fā)，介紹了國內(nèi)對5G頻率需求的預(yù)測結(jié)果，并結(jié)

合國內(nèi)無線電頻率已有劃分和相關(guān)業(yè)務(wù)的使用情況，對可能的5G候選頻率進(jìn)行了分析，

并介紹了全球5G候選頻率的最新進(jìn)展。

2.1.1需求

移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)IMT發(fā)展現(xiàn)狀及市場趨勢

近年來，全球IMT產(chǎn)業(yè)保持較快增長，我國的增速尤其顯著。2013年1-9月，全

國移動(dòng)電話用戶凈增9439.8萬戶，總數(shù)首次突破12億戶大關(guān)，達(dá)到12.07億戶。其中,

3G移動(dòng)電話用戶凈增13479.4萬戶,對移動(dòng)電話用戶的增長貢獻(xiàn)達(dá)到141.5%,3G用戶

總數(shù)達(dá)到3.79億戶，在移動(dòng)電話用戶中滲透率由2012年同期的19.4%躍升至30.5%。

另外，值得注意的是，我國2G用戶自2012年底開始減少，2013年前9個(gè)月2G用戶累

計(jì)減少4039.6萬戶。

2014年，全球LTE商用網(wǎng)絡(luò)部署加快，我國移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)也處于由3G向4G發(fā)展

的關(guān)鍵階段。2013年12月4H,工業(yè)和信息化部（以下簡稱工信部）向中國移動(dòng)通信

集團(tuán)公司、中國電信集團(tuán)公司和中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司頒發(fā)了“LTE/第四代數(shù)字

蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)（TD-LTE）”經(jīng)營許可。短短一年時(shí)間之后，我國已建成超過70萬個(gè)

4G基站，覆蓋全國300多個(gè)城市，成為全球最大規(guī)模的4G網(wǎng)絡(luò)，4G用戶突破8000萬

戶。4G手機(jī)終端款式不斷豐富，出貨量明顯增長。2015年2月27日，工信部又向中國

電信集團(tuán)公司和中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司發(fā)放“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)

（LTEFDD）”經(jīng)營許可，允許TDD/FDD混合組網(wǎng)，標(biāo)志著我國正式進(jìn)入4G時(shí)代，在未

來3年內(nèi)，預(yù)計(jì)國內(nèi)4G累計(jì)投資額有望突破3000億元，其拉動(dòng)的投資規(guī)模將可能達(dá)到

萬億元。我國為LTE商用共分配了357MHz頻譜（包含205MHzTDD頻譜和152MHz

FDD頻譜），頻譜數(shù)量上處于全球領(lǐng)先地位。正是在充足的頻譜資源支持和保障下，我

國的4G取得了巨大的商業(yè)成功。

5G頻譜需求

為了應(yīng)對未來爆炸式移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長、海量的設(shè)備連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和

應(yīng)用場景，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)將應(yīng)運(yùn)而生。5G將滲透到未來社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，以用戶為中

心構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)。5G將使信息突破時(shí)空限制，提供極佳的交互體驗(yàn)，為用

戶帶來身臨其境的信息盛宴：5G將拉近萬物的距離，通過無縫融合的方式，便捷地實(shí)現(xiàn)

人與萬物的智能互聯(lián)。5G將為用戶提供光纖般的接入速率，“零”時(shí)延的使用體驗(yàn)，千億

設(shè)備的連接能力，超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動(dòng)性等多場景的一致服務(wù)，業(yè)

務(wù)及用戶感知的智能優(yōu)化，同時(shí)將為網(wǎng)絡(luò)帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低,

最終實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的總體愿景。

根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(huì)（以下簡稱國家發(fā)改委）、工信部和科技部聯(lián)合成立的

IMT-2020推進(jìn)組發(fā)布的《5G愿景和需求白皮書》，預(yù)計(jì)我國2010-2020年移動(dòng)數(shù)據(jù)流

量將增長300倍以上，2010-2030年將增長超4萬倍。發(fā)達(dá)城市及熱點(diǎn)地區(qū)的移動(dòng)數(shù)據(jù)

流量增速更快，2010-2020年上海的增長率可達(dá)600倍，北京熱點(diǎn)區(qū)域的增長率可達(dá)

1000倍，這對我國未來頻譜資源的需求提出了更高的挑戰(zhàn)。根據(jù)ITU的預(yù)測，全球范圍

內(nèi)到2020年IMT總頻譜需求是1340?1960MHz,2018年無線局域網(wǎng)在5GHz頻段上

的最小頻譜需求約為880MHZo其中，我國到2020年IMT總頻譜需求是1490?1810

MHz,目前還存在800?1100MHz的頻譜資源缺口。

2.1.2候選頻譜

4G系統(tǒng)從數(shù)據(jù)速率、移動(dòng)性和時(shí)延等維度來表征其系統(tǒng)的能力，而未來5G的需求

維度更廣，且與4G相同維度的能力也有大幅的提升。一方面，基于現(xiàn)有頻率資源，

3GPPLTE-Advanced（R12）技術(shù)至少在峰值速率和用戶體驗(yàn)速率兩項(xiàng)關(guān)鍵能力上無法滿

足5G的需求，且存在較大差距，需要更大頻率帶寬來彌補(bǔ)這個(gè)差距?？紤]3GHz以下頻

段已很難找到連續(xù)的大帶寬頻譜，5G需要向更高的頻段發(fā)展。另一方面，由于要滿足用

戶永遠(yuǎn)在線的需求，保證用戶的高速移動(dòng)性，還必須借助低頻段提供良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。因

此，5G時(shí)代勢必需要采用高、低頻段結(jié)合的頻譜使用方式。

深耕現(xiàn)有IMT頻率資源，促進(jìn)向5G平滑演進(jìn)

在世界無線電大會(huì)2007(WorldRadiocommunicationConference,WRC-07).h,

國際電信聯(lián)盟(ITU)通過決議，將已劃分給IMT-2000技術(shù)(3G)的頻譜用于IMT技術(shù)

(3G/4G/5G等)，新劃分頻率也不再區(qū)分具體技術(shù)，統(tǒng)一劃分給IMT技術(shù)使用。因此,

從無線電規(guī)則講，已劃分給2G/3G/4G技術(shù)的頻率都可以被5G技術(shù)所使用，且由于已劃

分頻率大都屬于低頻段，相對于更高的頻率來說，具有更好的傳播特性和穿透特性，若能

深度挖掘其潛力，它們將成為5G部署的的重要頻率資源，滿足用戶移動(dòng)性和時(shí)時(shí)在線的

需求。

表2-1給出不同頻段LTE承載12.2kbit/s語音業(yè)務(wù)時(shí)的覆蓋能力，900MHz頻段相

對1.8GHz和2.6GHz頻段的覆蓋增益明顯。1GHz以下低端頻率以其與生俱來的傳播優(yōu)

勢，勢必成為未來5G時(shí)代連續(xù)覆蓋和深度覆蓋的重要頻率。而目前很難在1GHz以下頻

段尋找到新的頻率，較好的方式是挖掘現(xiàn)有2G技術(shù)(CDMA/GSM)的850MHz/900

MHz頻段能力。隨著政府未來允許運(yùn)營商根據(jù)市場和產(chǎn)業(yè)需求在上述頻段開展技術(shù)升級(jí),

這些頻段將為未來5G的廣深覆蓋提供重要保證。

表2-1LTE承載12.2kbit/s語音覆蓋能力鏈路預(yù)算

WDMHr1??M?U?fW2AM>：M?wvinjoaxit>

WI

*tr上糖Fir

?J

<ta>131i

冷?Wa>?7>.M

挖掘新頻率，滿足5G吉比特業(yè)務(wù)速率需求

未來新型業(yè)務(wù)的發(fā)展以及用戶對于移動(dòng)寬帶速率需求的極速提升，刺激著網(wǎng)絡(luò)管道流

量的需求增長，頻譜資源的缺口越來越大，未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要更多的連續(xù)大寬帶的頻

譜資源來滿足高速的數(shù)據(jù)增長以及吉比特的業(yè)務(wù)速率需求。考慮到3GHz以下頻段使用

情況己經(jīng)相當(dāng)擁擠，很難找到連續(xù)的大帶寬頻譜，5G需要向3?6GHz甚至6GHz以上更

高的頻段發(fā)展。

(1)充分利用已在ITU層面實(shí)現(xiàn)區(qū)域劃分的3400-3600MHz頻段

3400~3600MHz(3.5GHz)有望成為全球統(tǒng)一規(guī)劃的TDD頻段，為我國主導(dǎo)的

TDD技術(shù)的未來發(fā)展提供了重要機(jī)遇。2013-2014年，歐洲、英國、澳大利亞、美國、

加拿大、南非等地區(qū)和國家的頻率管理機(jī)構(gòu)均發(fā)出調(diào)研函咨詢3400?3600MHz頻段

TDD規(guī)劃建議，美國FCC計(jì)劃2015年2月發(fā)布3.5GHz最終規(guī)劃決定，2016年完成商

用網(wǎng)絡(luò)。2014年12月，日本總務(wù)省宣布發(fā)放TDD3.5GHz頻段總計(jì)120MHz頻譜牌照,

軟銀、DoCoMo、KDDI分別獲得40MHz頻譜。3家運(yùn)營商承諾未來5年在3.5GHz基站

上投資總額高達(dá)36億美元，最遲在2016年3月31日前啟動(dòng)3.5GHz網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，并計(jì)

劃在2016年年底前正式商用。所以，3400?3600MHz頻段將是5G未來商用的重要頻

段。

我國在WRC-07時(shí)已經(jīng)在ITU無線電規(guī)則的3400~3600MHz頻段加入相關(guān)腳注，

將這200MHz頻率標(biāo)識(shí)給IMT。2011-2014年，工信部電信研究院(現(xiàn)為中國信息通信

研究院)和頻率監(jiān)管機(jī)構(gòu)組織相關(guān)部門對3400?3600MHz頻段IMT系統(tǒng)與固定衛(wèi)星業(yè)

務(wù)(FSS)地面站的兼容性進(jìn)行了理論研究，并開展了IMT系統(tǒng)單站與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地面

站共存測試，掌握了IMT系統(tǒng)單站與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地面站共存的基本條件。我國有望在

2016年完成3400?3600MHz國內(nèi)規(guī)劃，該頻段具有200MHz連續(xù)帶寬，必將成為5G

候選頻段中的黃金頻段。

(2)近期立足WRC-15,爭取6GHz以卜低頻段頻率

ITU在尋找未來移動(dòng)通信的合適頻譜資源時(shí)，需要綜合考慮頻率的傳播特性、連續(xù)帶

寬的可能性、降低設(shè)備復(fù)雜性以及需要滿足系統(tǒng)的覆蓋、容量和性能的要求。

針對WRC-151.1議題的研究，JTG4-5-6-7最終確定了19個(gè)頻段作為IMT的潛在候

選頻段，歐洲I、美國、日本、韓國和中國對這些頻段的觀點(diǎn)見表2-2o我國目前支持

3300?3400MHz、4400?4500MHz、4800?4990MHz這3個(gè)頻段作為IMT的潛在候選

頻段。

3300?3400MHz頻段主要用于無線電定位業(yè)務(wù)，國內(nèi)該頻段目前分配給雷達(dá)定位業(yè)

務(wù)使用?？紤]到該頻段的實(shí)際占用度不高，且與C波段頻率相鄰，可以與3400?3600

MHz連在一起，構(gòu)成一個(gè)較大的連續(xù)帶寬，滿足未來較高速率業(yè)務(wù)的需求。

表2-2世界主要國家和地區(qū)對KRC-15IMT候選頻段立場

務(wù)。在我國，這兩個(gè)頻段內(nèi)的主要業(yè)務(wù)是大容量微波接力干線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)業(yè)務(wù)和射電天文。

目前，大容量微波接力干線已經(jīng)逐漸被光纖替代。我國這兩個(gè)頻段中已經(jīng)登記的臺(tái)站數(shù)很

少，并且全國范圍內(nèi)的頻率占用度都非常低。而射電天文業(yè)務(wù)可以通過適當(dāng)?shù)牡赜蛳拗七M(jìn)

行保護(hù)。因此，以上兩個(gè)頻段引入IMT業(yè)務(wù)的條件相對寬松，適合作為【MT候選頻段。

（3）長期面向WRC-19,為5G儲(chǔ)備高頻段頻率

在3G、4G時(shí)代，由于各國和標(biāo)準(zhǔn)化組織的產(chǎn)業(yè)化模式、技術(shù)積累等因素存在差異，

其發(fā)展路線圖側(cè)重點(diǎn)不盡相同；然而，從全球5G發(fā)展而言，不同5G發(fā)展路線在需求、

部署場景、關(guān)鍵技術(shù)等方面存在相似性，未來的不同接入網(wǎng)絡(luò)會(huì)逐步走向融合。因此，尋

找6GHz以上潛在IMT候選頻率范圍，需要考慮頻段的全球融合問題；同時(shí)，選擇的候

選頻段需要充分考慮現(xiàn)有業(yè)務(wù)劃分，以確保業(yè)務(wù)劃分的有效性以及和現(xiàn)有業(yè)務(wù)的共存可能

性；另外，頻段選取需要結(jié)合國內(nèi)制造產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，并綜合考慮產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)能力。6GHz以

上候選頻段選取原則可以歸納如下。

?合規(guī)：所選頻段為《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》中已劃分（或以腳注形

式標(biāo)注）給移動(dòng)業(yè)務(wù)的頻段。

?融合：在ITU3個(gè)區(qū)域有相似劃分和使用情況，便于全球范圍內(nèi)協(xié)調(diào)一致的頻段。

?安全：需充分考慮系統(tǒng)間電磁兼容問題，以確保對其他系統(tǒng)的保護(hù)以及移動(dòng)通信系

統(tǒng)自身抗干擾。

?連續(xù)：高頻段的一大優(yōu)勢是具備連續(xù)的大寬帶頻譜資源（如大于500MHz）,以

此可確保系統(tǒng)獲得更高的效率。

?有效：結(jié)合高頻段的傳播特性，兼顧產(chǎn)業(yè)硬件制造能力，選擇適合的頻段以確保系

統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)、終端、儀表等的可實(shí)現(xiàn)性。

遵照以上IMT候選頻率選取原則以及相關(guān)頻段我國無線電業(yè)務(wù)劃分、規(guī)劃和使用情

況，借鑒國際（如ITU）已開展共存研究結(jié)論，IMT-2020推進(jìn)組頻率組初步提出我國在

6?100GHz范圍IMT潛在候選頻段如圖2-1所示。

C3

C3

C313

圖2-1我國6~100GHz頻段內(nèi)IMT候選頻段主要業(yè)務(wù)劃分

6?100GHz候選頻段的優(yōu)缺點(diǎn)分析及其他國家和地區(qū)業(yè)務(wù)劃分情況見表2-3。

表2-36~100GHz候選頻段優(yōu)缺點(diǎn)分析及其他國家和地區(qū)業(yè)務(wù)劃分情況

2016年7月14日，美國FCC正式劃定約11GHz的6GHz以上高頻資源，用于5G

部署，成為首個(gè)確定5G高頻段的國家。這些頻段包括27.5?28.35GHz、37.5?38.6GHz、

38.6?40GHz的授權(quán)頻譜以及64?71GHz的免授權(quán)頻譜。幾乎同時(shí)，美國政府宣布將投

入4億美元，用于搭建多城市的網(wǎng)絡(luò)測試平臺(tái)。5G在高頻段的部署很有可能從美國首先

開始。

2.123促進(jìn)頻率使用新技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)的高效頻率復(fù)用

在頻率資源日益緊張、空白頻率基本使用殆盡的不利情況下，可以通過引入頻率使用

新技術(shù)，例如認(rèn)知無線電（CR）和授權(quán)頻譜接入（LSA）、非授權(quán)頻段使用等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)業(yè)務(wù)和其他主業(yè)務(wù)的高效頻率復(fù)用，為5G開拓新的頻率資源空間。

（1）認(rèn)知無線電（CR）和授權(quán)頻譜接入（LSA）技術(shù)

認(rèn)知無線電是最常見的頻率共享技術(shù)。利用集中式和/或分布式的檢測方式或基于數(shù)

據(jù)庫的方式，在“時(shí)間”或“空間”維度主業(yè)務(wù)沒有使用時(shí)，次級(jí)業(yè)務(wù)將某段頻率使用起來；

當(dāng)主業(yè)務(wù)重新使用該段頻率時(shí)，次級(jí)業(yè)務(wù)立即退出該段頻率的使用。

廣播電視業(yè)務(wù)使用的700MHz頻段不但具有良好的傳播特性和穿透特性，還具備良

好的時(shí)間維度和空間維度的“頻率空洞”，如圖2-2所示。可以利用認(rèn)知無線電的技術(shù)手段,

在廣播業(yè)務(wù)沒有使用的地區(qū)，將空閑頻率用于移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。

圖2-2北京某地區(qū)700MHz頻段頻率占用度測試結(jié)果

然而，移動(dòng)通信系統(tǒng)若單純利用認(rèn)知無線電技術(shù)使用其他業(yè)務(wù)頻率存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

首先，當(dāng)授權(quán)業(yè)務(wù)重新使用某一頻率時(shí)，使用認(rèn)知無線電技術(shù)的設(shè)備必須立刻退出頻率使

用，導(dǎo)致'業(yè)務(wù)中斷，無法有效保證用戶體驗(yàn)。其次，當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)檢測到某一頻率可用

并發(fā)起業(yè)務(wù)時(shí)，將產(chǎn)生相互之間的干擾，導(dǎo)致業(yè)務(wù)質(zhì)量的明顯下降。上述問題可以通過授

權(quán)共享接入（LSA）技術(shù)來解決。LSA與認(rèn)知無線電技術(shù)最大的區(qū)別是LSA所使用的空閑

頻率也是授權(quán)頻率，當(dāng)頻段內(nèi)主用戶暫時(shí)不使用時(shí):僅允許付費(fèi)的授權(quán)用戶（運(yùn)營商）使

用。目前歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute,ETSI）

正在研究在2300?2400MHz頻段利用LSA技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)蜂窩技術(shù)與雷達(dá)、遙感及業(yè)余

無線電等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FederalCommunications

Commission,FCC）也正在研究在3.5GHz頻段使用LSA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主用戶國防業(yè)務(wù)、優(yōu)

先接入用戶醫(yī)療、當(dāng)?shù)卣畽C(jī)構(gòu)以及其他授權(quán)用戶（如無線手機(jī)用戶等）間的三層頻率復(fù)

用。在5G階段，我國可以考慮利用LSA技術(shù)在700MHz、2300MHz和3600?4200

MHz頻段實(shí)現(xiàn)移動(dòng)蜂窩技術(shù)與廣播業(yè)務(wù)、無線電定位技術(shù)和固定衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行頻率復(fù)用，

實(shí)現(xiàn)上述重要頻率的高效使用。

（2）非授權(quán)頻段接入

近年來，為了促進(jìn)無線寬帶發(fā)展，全球范圍內(nèi)開放了大量非授權(quán)頻率給WLAN等業(yè)

務(wù)使用。如圖2-3所示，我國僅在5GHz頻段就已為WLAN等業(yè)務(wù)分配了325MHz頻率,

近期有望再分配255MHz頻率，達(dá)到與移動(dòng)通信頻率數(shù)量相當(dāng)?shù)目傆?jì)680MHz頻率資源。

國內(nèi)運(yùn)營商和個(gè)人用戶在5725?5850MHz頻段部署了大量的接入點(diǎn)，但在5150?5350

MHz、5470?5725MHz頻段卻較為空閑。

近黨有領(lǐng)分配

已分/

SISO5250SMOS47O2

圖2-3我國5GHz頻段非授權(quán)頻率分配情況

在5G階段，若能采用可靠性和性能都較高的5G技術(shù)將上述大量空閑、免費(fèi)的非授

權(quán)頻率資源有效地利用起來，可大大緩解頻率資源的壓力。一種可行的方式是將豐授權(quán)頻

率與運(yùn)營商已有的授權(quán)頻率使用載波聚合技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來使用，利用授權(quán)頻率保證用戶

的基本業(yè)務(wù)質(zhì)量，非授權(quán)頻率提供額外的增值體驗(yàn)，從而為用戶提供更具性價(jià)比、更高用

戶體驗(yàn)的服務(wù)。可以預(yù)見，利用蜂窩技術(shù)使用非授權(quán)頻段將是面向5G產(chǎn)業(yè)界的下一研究

熱點(diǎn)，未來將有望成為運(yùn)營商的低成本、高性能/收益比的數(shù)據(jù)分流方案。

(3)5G頻率演進(jìn)思路

綜上所述，5G時(shí)代需從深耕現(xiàn)有2G/3G/4G頻率、挖掘新頻率和促進(jìn)頻率使用新技

術(shù)成熟等方面綜合滿足未來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的頻率需求。5G頻率發(fā)展策略如圖2-4

所示。

2.2傳播特性

頻率是移動(dòng)通信的基礎(chǔ)，不同頻段的傳播特性影響移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和未來

部署，所以，頻率的傳播特性對移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用影響深遠(yuǎn)。本節(jié)概述頻率的傳播特性、

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率的傳播特征及其研究思路，最后介紹一些正在開展的5G信道相關(guān)

的研究工作和研究成果。

2.2.1對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

在無線通信領(lǐng)域，系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要考慮的是覆蓋。使用的頻率越高，傳播損耗越大，

系統(tǒng)的覆蓋能力就越差。而從天線的角度，因?yàn)轭l段越高，天線的尺寸也就越小，這將更

加方便終端和基站在相同的面積下集成更多的天線數(shù)目，從而利用波束成形增益來彌補(bǔ)高

頻段覆蓋受限的挑戰(zhàn)。另外，由于通信使用的頻段不斷變高，這將導(dǎo)致系統(tǒng)需要考慮更多

的大氣吸收、雨霧的衰減。而由于頻段升高，信號(hào)傳播的粒子性增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致反射特性增

強(qiáng)，繞射和衍射的特性降低。因此，對于建筑物、植被的遮擋帶來的影響都需要在系統(tǒng)設(shè)

計(jì)和部署中考慮。

由于高頻段信號(hào)在空氣中傳播衰減較大，而因?yàn)榱Ｗ有杂謱?dǎo)致其傳播的方向性較強(qiáng)，

其能夠到達(dá)目標(biāo)接收端的信號(hào)強(qiáng)度和多徑數(shù)目都將受到影響?；诜较蛐詡鬏?shù)臏y量結(jié)果

顯示，高頻信號(hào)因?yàn)榉瓷洮F(xiàn)象在傳播中具有更重要的影響，導(dǎo)致多徑時(shí)延相比于低頻會(huì)大

大降低。這就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果仍然采用OFDM的結(jié)構(gòu)，則循環(huán)前綴(CP)

的長度可以大大地縮短。而由于方向性大大增加，高頻信號(hào)傳播中能夠到達(dá)接收端的多徑

數(shù)目也將大大減少，這也給MIMO傳輸帶來了挑戰(zhàn)。隨著頻率越高，信號(hào)受到多普勒效

應(yīng)的影響也將越強(qiáng)，這就導(dǎo)致高頻信號(hào)在時(shí)域的變化會(huì)更加劇烈，而通信系統(tǒng)對信道的估

計(jì)和追蹤都將變得更加頻繁，這對系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了更高的要求。

2.2.2傳播特性分類

移動(dòng)通信信道的傳播模型主要從大尺度衰落特性和小尺度衰落特性兩個(gè)部分參數(shù)考量。

其中，大尺度衰落主要包括路徑損耗、陰影衰落等相對慢速變化的衰落特性；而小尺度衰

落，則包含短時(shí)內(nèi)快速變化的信道波動(dòng)特性，主要包含多徑的時(shí)延擴(kuò)展、到達(dá)角度和離開

角以及擴(kuò)展、每徑的功率分布、多普勒頻移等。

大尺度參數(shù)特征

人~%6?怎餐(2-?

高頻傳輸首先要面對的是更大衰落的問題。根據(jù)電磁波的空間自由傳播模型用，有：

其中，PT、PR表示發(fā)射功率和接收功率；GT和GR表示收發(fā)天線的天線增益；R為收

發(fā)端的間距；而入則表示載波的波長。

空間的傳播的損耗與載波頻率和距離有關(guān)，當(dāng)載波頻率從6GHz提升到60GHz,則

相同距離的衰落會(huì)提升100倍。而在工程與學(xué)術(shù)研究中，通常以下面的形式來表征，路

徑損耗隨距離的變化方式：

PL=p+a-101gd(2-2)

其中，a為路徑損耗指數(shù)因子，表示路徑損耗隨距離變化的情況；而0則涵蓋了其他

影響傳播的損耗的因素，并在特定的場景下會(huì)抽象為一個(gè)常數(shù)。對于高頻傳輸，更多關(guān)注

的是路徑損耗的因子，因?yàn)槠渲苯佑绊憣?shí)際部署時(shí)的覆蓋范圍，表2-4是現(xiàn)有初步調(diào)研的

衰減因子。

表2-4路徑損耗衰減因子初步調(diào)研

maw,zasaOOMI)H

UMU2

NUMIM

根據(jù)上述調(diào)研的數(shù)據(jù)，可以看到更高頻段的衰減因子與低頻的衰減因子相差不多，而

差距僅為常數(shù)部分，會(huì)相差20?40dBo上述參數(shù)說明，高頻傳輸?shù)男盘?hào)衰落并不會(huì)隨著

距離的增大而顯著提升，而僅僅是與低頻傳輸有固定的差距，說明高頻傳輸?shù)母髶p耗是

可以通過技術(shù)手段克服的。

在大尺度衰落方面，高頻相比于低頻新增了在近距離傳輸?shù)峭耆詹坏叫盘?hào)的情況

(Outage),如圖2-5所示。由于頻率的升高，電磁傳播的粒子性增強(qiáng)，反射和衍射的特

性增強(qiáng)，散射特性降低，再考慮到本身傳播損耗就比較大，從而導(dǎo)致在部分情況下，即使

基站與終端距離很近，終端也有可能收不到信號(hào)。

圖2-5高頻傳輸中Outage的情況

因此，需要進(jìn)一步明確在高頻傳輸時(shí)，在不同的場景下，出現(xiàn)完全沒有信號(hào)的情況以

及概率，為后續(xù)進(jìn)一步的技術(shù)分析與評(píng)估提供條件。

另外兩個(gè)比較重要的大尺度參數(shù)是陰影衰落和穿透損耗。在低頻，穿透損耗一般假設(shè)

在20dB左右⑴；但是在高頻，在28GHz測量的穿墻損耗在28dB左右，對于鍍膜的玻

璃，損耗在40dB左右。另外，對于高頻，由人體帶來的阻擋或者擾動(dòng)就會(huì)帶來額外的

20?35dB的損耗。陰影衰落主要是由于建筑物的遮擋，對信號(hào)傳播造成的額外損耗。初

步調(diào)研見表25o通常在低頻，信號(hào)在直射路徑上受到遮擋，通過電磁波的散射和衍射可

以讓建筑物后方的用戶收到信號(hào)。但是，由于高頻信號(hào)的粒子性很強(qiáng)，散射和衍射特性大

大降低，導(dǎo)致建筑物后方的信號(hào)損耗會(huì)更大。因此，高頻的陰影衰落比低頻更大，特別是

在沒有直射徑的情況下。

表2-5陰影衰落初步調(diào)研

nv(2-*cati>OCMri

un

MUX9

人體的遮擋、更大的路徑損耗及Outage的存在，都會(huì)導(dǎo)致高頻傳輸?shù)姆沁B續(xù)性，需

要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候加以考慮。更高頻段傳輸導(dǎo)致較大的路徑損耗，也會(huì)降低高頻段小區(qū)

的覆蓋范圍，這也是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮的問題。

小尺度參數(shù)特征

小尺度衰落，是指信號(hào)短時(shí)的變化，主要考慮多徑的時(shí)延參數(shù)、功率、各種角度以及

多普勒頻移的影響。其中，多徑時(shí)延擴(kuò)展將影響到系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。如果繼續(xù)沿用

OFDM的調(diào)制方式，則需要保證符號(hào)的循環(huán)前綴大于最大多徑時(shí)延。經(jīng)過在不同場景的測

試結(jié)果，高頻的最大多徑時(shí)延維持在幾百納秒的量級(jí)，比如，美國紐約大學(xué)給出一次測量

中的多徑時(shí)延為344ns,這個(gè)參數(shù)相比于現(xiàn)有LTE假設(shè)的52要小很多，由此帶來的系

統(tǒng)設(shè)計(jì)也將有很大的不同。這部分將在后面的章節(jié)繼續(xù)討論。

高頻傳播的頻域響應(yīng)和頻域擴(kuò)展主要取決于接收端的移動(dòng)以及周圍散射體的移動(dòng)。通

常，室內(nèi)環(huán)境下，散射體移動(dòng)較少，環(huán)境相對穩(wěn)定，室內(nèi)的多普勒頻移相對較低；而室外

環(huán)境，相對更加復(fù)雜一些，傳播路徑中的移動(dòng)物體更加豐富，由此會(huì)導(dǎo)致室外的頻域響應(yīng)

會(huì)更加劇烈。信道頻率域的響應(yīng)是傳播路徑上所有多徑的多普勒效應(yīng)的總疊加。由于高頻

信道下，載波頻點(diǎn)的升高，會(huì)導(dǎo)致頻率域的整體偏移(DopplerShift,多普勒偏移)會(huì)更

高。但是因?yàn)榱Ｗ有愿鼜?qiáng)，散射更小，每個(gè)多徑內(nèi)的子徑傳播的環(huán)境很相似，會(huì)導(dǎo)致多普

勒擴(kuò)展相比于低頻會(huì)更小。

高頻傳播另外一個(gè)顯著的特點(diǎn)是，由于粒子特性更加顯著，電磁的傳播主要依賴于反

射而不是散射，能夠到達(dá)接收端的多徑數(shù)目會(huì)大大減少，通常都在2?3個(gè)⑶。多徑的豐

富程度將大大影響MIMO技術(shù)的使用。由于多徑變少，會(huì)導(dǎo)致單用戶的多流傳輸受到限

制；但是因?yàn)槎嘤脩粜诺赖南嚓P(guān)性降低，這將提高多用戶空間資源復(fù)用的性能增益。

2.2.35G信道傳播特性研究思路

面向更高頻段信道模型的研究，應(yīng)該本著從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，基于更廣泛和豐富

的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)提取，基于新系統(tǒng)中考慮的特性進(jìn)行建模。5G信道模型的研究應(yīng)該

優(yōu)先定義場景，即基于已有的場景確定信道模型和測量中缺少的部分，然后基于場景確定

最優(yōu)的建模方式，再進(jìn)行實(shí)際的信道測量對參數(shù)提取，并進(jìn)行一系列的建模工作。

從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，應(yīng)該優(yōu)先定義未來系統(tǒng)更可能應(yīng)用的場景。在ITU和3GPP

中，4G系統(tǒng)的主要考核指標(biāo)是峰值速率、頻譜效率、移動(dòng)性、廣域覆蓋性能等，從而定

義了室內(nèi)熱點(diǎn)、城市微蜂窩小區(qū)、城市宏蜂窩、農(nóng)村覆蓋等幾個(gè)場景。這些場景的基站位

置、用戶位置、移動(dòng)速率、室內(nèi)室外分布情況均有不同；基于這樣的部署場景，ITU進(jìn)行

了相關(guān)類似場景的信道測量，從而使得信道模型服務(wù)于需求。而面向5G系統(tǒng)，由于在

4G系統(tǒng)定義的階段已經(jīng)完成了部分場景的定義，并且在模型的研究中從兩維信道模型擴(kuò)

展到了三維，進(jìn)一步完善了信道模型，所以5G可以將部署場景、模型、參數(shù)從4G中繼

承過來。而對于5G高頻等新引入的特性，可以針對相應(yīng)的應(yīng)用場景定義專門的場景，并

與已有的場景結(jié)合。

對于已有的4G以及3Gpp中采用的信道模型，比如典型城市宏蜂窩、典型城市微蜂

窩場景，在未來的研究中可以復(fù)用，同時(shí)保持其引入的三維信道特性。而對于高頻段使用

的場景，建議引入室內(nèi)獨(dú)立房間、辦公區(qū)域、商場、體育場館的場景。另外，由于移動(dòng)通

信系統(tǒng)的優(yōu)勢在于不僅僅室內(nèi)可以部署，在室外也能夠支持一定的移動(dòng)性，所以建議在室

外引入適于中心城區(qū)部署的高頻覆蓋場景，其中典型的場景有街道/商業(yè)步行街(Street

Canyon)和開放式廣場。

室內(nèi)獨(dú)立房間主要描述30m2左右的室內(nèi)場景，而在這樣的場景下，由于天線的部署

不同，會(huì)有不同的信道特性，如圖2?6所示。其中一種是天線位于天花板上，平行于天花

板垂直于地面，這樣的部署方式會(huì)給發(fā)送端帶來更大的自由度；另外一種方式，就是部署

在房間天花板的4個(gè)角落中，由于墻面的反射作用，能夠更好地集中有限的發(fā)送信號(hào)。

辦公區(qū)域包含開放式辦公區(qū)以及ITU室內(nèi)熱點(diǎn)兩種場景，相比于獨(dú)立的房間具有更大的

傳輸范圍，將是未來高頻段在室內(nèi)應(yīng)用的主要場景，并且用來滿足室內(nèi)高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)?/p>

主要方式。而對于商場和體育場館，5G都將面臨著更大的數(shù)據(jù)速率要求的挑戰(zhàn)，而相對

封閉的環(huán)境都能夠提供更好的高頻傳輸環(huán)境，因此也成為高頻主要的使用場景。在這樣的

場景內(nèi)，需要考慮人群擾動(dòng)對傳播特性的影響。室外的街道/商業(yè)步行街、廣場兩種場景,

因?yàn)槿巳毫鲃?dòng)較大，同時(shí)由于周圍的建筑物會(huì)形成相對封閉的環(huán)境，因此也為高頻傳輸帶

來了一定的好處。移動(dòng)通信系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在對移動(dòng)性的支持，因此，室外的模型也

將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

|?>AM9AM??>

圖2-65G高頻信道模型研究場景示例

有了確定的場景，下一步就是需要明確測量的方法和手段。在給定了具體的場景之后,

可以在相似的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行實(shí)際測量。目前主要的測量手段都是基于喇叭天線的測量，喇叭

天線能夠匯聚傳輸和發(fā)送信號(hào)，類似波束成形的效果，提高接收端和發(fā)送端的信號(hào)能量。

但是，因?yàn)槠漭^強(qiáng)的方向性，會(huì)導(dǎo)致發(fā)送端和接收端只能接收到一個(gè)方向上的信號(hào)能量，

而基于此獲得的信道參數(shù)并不是全部360。的空間參數(shù)，而僅僅適用于某一個(gè)方向。另外,

由于喇叭天線測得的數(shù)據(jù)只是全部空域信息的一部分，會(huì)導(dǎo)致測量得到的路徑損耗偏低，

多徑時(shí)延擴(kuò)展變小，所以進(jìn)一步地，測量上會(huì)考慮使喇叭天線指向不同的方向，并在后期

將不同時(shí)刻的結(jié)果合并起來，而由此，又會(huì)帶來數(shù)據(jù)如何合并以及不同的數(shù)據(jù)在時(shí)間上的

問題相關(guān)性。由于室外的環(huán)境會(huì)更加動(dòng)態(tài)，這就導(dǎo)致相關(guān)時(shí)間以外的兩套數(shù)據(jù)如果進(jìn)行合

并會(huì)弓|入一定的誤差。

實(shí)地的外場測量基實(shí)施上會(huì)存在較大的操作難度，并且受限于實(shí)際的場地不能遍歷某

個(gè)環(huán)境下的所有位置，所以，射線追蹤的方法也被建議作為重要的信道信息的獲取手段。

由于其采用模擬仿真的方式獲取信道傳播特性的統(tǒng)計(jì)特征，場景的定義、不同材料的反射、

散射特性都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，并與實(shí)際測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行匕對。射線追蹤方案可以作為在部分

不容易測量的環(huán)境下，獲取信道傳播信息的重要手段。

當(dāng)具體的信道參數(shù)通過實(shí)際測量或者射線追蹤得來的時(shí)候，下一步工作就是如何能夠

建立可以在仿真評(píng)估中使用的模型?，F(xiàn)階段使用最多的是基于統(tǒng)計(jì)特性的多徑疊加模型。

這個(gè)模型通過建立傳播過程中的散射體，從而得到不同分簇的傳播路徑和多徑參數(shù)，并通

過利用實(shí)際測量中的得到的特定環(huán)境下的統(tǒng)計(jì)特性，隨機(jī)生成部分信道參數(shù)，并最后將所

有多徑合并到一起，就得到了仿真評(píng)估中需要的信道沖擊響應(yīng)。這種模型是基于實(shí)際環(huán)境

中，信號(hào)的空間傳播是經(jīng)過若干路徑傳播并最后疊加，同時(shí)又參考實(shí)際測量中得到的不同

參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布，最后得到近似的模型。這種基于幾何信息的統(tǒng)計(jì)分布模型能夠代表某一

類場景的典型特征，但是無法完全匹配特定的任意一個(gè)環(huán)境。另外的建模方式，就是基于

射線追蹤的方式，基于特定的場景直接通過射線追蹤得到特定的一套參數(shù)。該模型能夠與

特定的環(huán)境進(jìn)行完全的匹配，但是一旦其中的某一參數(shù)發(fā)生改變，則整個(gè)模型都需要進(jìn)行

重新設(shè)定。同時(shí)，這樣的模型對某一類場景的匹配度較低。

除了基本的測量和建模方法，還需要考慮由于高頻傳輸帶來的變化。比如，高頻中粒

子性的增強(qiáng)，對于不同極化間能量的泄漏會(huì)有不同的影響，反射、散射、衍射不同類型的

傳播方式會(huì)在建模中體現(xiàn)為不同的能量分配比例，用戶處于相近位置而帶來的空間一致性。

這些都是在以往的建模中沒有考慮的，需要在5G的信道研究工作中有所考慮和體現(xiàn)。

2.2.4測量與建模結(jié)果

2.2.4.1場景描述

一癥此，從更高頻段的起點(diǎn)6GHz進(jìn)行典型城市微蜂窩的測量。Umi場景選址在北京

郵電大學(xué)（以下簡稱北郵）校本部，發(fā)射端設(shè)置在校保衛(wèi)處樓頂，接收天線相對于地面約

高13.8m,接收機(jī)在保衛(wèi)處周圍道路上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集c為了對比3.5GHz與6GHz,采用

相同的測量場景及測量路線，方便后面進(jìn)行對比分析。測量場景及測量路線如圖2-7所示。

其中，黑色星標(biāo)為發(fā)射天線所在位置，黑色粗線為測量路線。

在保衛(wèi)處共進(jìn)行了兩輪測量，第一輪測量路線包括校外的杏壇路兩側(cè)，不過由于杏壇

路兩側(cè)樹木過于茂密，對結(jié)果影響太大，第二輪測量時(shí)，路線規(guī)劃盡量都在北郵校園內(nèi)部。

發(fā)送端天線的仰視及俯視圖如圖2-8所示。

圖2-7北郵保衛(wèi)處Umi測量場景及測量路線

圖2-8發(fā)送端的仰視圖和俯視圖

224.2參數(shù)配置

表2-6中的參數(shù)配置都是針對獲取大尺度參數(shù)來定的，所用的天線也都是垂直極化天

線(Dipole),在第一輪測量中對3.5GHz的小尺度參數(shù)進(jìn)行測量，不過由于缺少6GHz

的測量數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行對比，3.5GHz小尺度測量情況暫未列出。

表2-66GHzUMi場景測量參數(shù)配置

??a*av

??aA

?y“3n

K射AM代。IMIMItW

?射IllaITS*

UftM—It

IMSMIM?7TXMW.VM

HAfell2552

IM9M

，?、

1

tltKtUliiH1

-1114

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式⑷，計(jì)算LOS場景下斷點(diǎn)的位置：

4P=4&K〃c,

h^=hm-\.Om.(2-3)

KT=Vr-L°m

首先，計(jì)算LOS條件下的模型斷點(diǎn)，由前面的參數(shù)配置可知，h(JI=1.75,hBS=13.8,

則計(jì)算可知，心1768m./「6.0GH,,由測量規(guī)劃及實(shí)際的距離，可知，在本次Umi測量中，測

量距離均沒有超過模型斷點(diǎn)的距離，則在LOS下的路損模型為PL=22.01gd+28.0+201gfc。

路損在LOS與NLOS條件下差異較大，所以在分析時(shí)需將兩種情況分開處理，而對

于比較邊緣的情況，比如既非視距又非完全遮擋的情況，對其結(jié)果暫不分析。

經(jīng)過計(jì)算后的路損擬合結(jié)果及與標(biāo)準(zhǔn)模型對比如圖2-9和圖2-10所示，其中圖2-9

為Umi場景下在LOS條件下的擬合結(jié)果，圖2-10為Umi場景下在NLOS條件下的擬合

結(jié)果。

*0

圖2-9Umi-LOS場景路損

圖2-10Umi-NLOS場景路損

其中，對Umi場景下3.5GHz與6GHz在LOS與NLOS情況的統(tǒng)計(jì)模型見表2-7。

表2-73.5GHz和6GHz在LOS與NLOS條件下的路損模型

NV

LOS

*CM>LOS/l4/l>4U?QTl||W

MJOS

觀察圖2-10可知，在LOS條件下，3.5GHz與6GHz的路損與標(biāo)準(zhǔn)模型的非常接近,

但是NLOS條件下就相差比較大，分析原因，可以認(rèn)為在這個(gè)場景下，選取的NLOS是由

很強(qiáng)的衍射或者反射造成的。

圖2-9和圖2-10中的擬合曲線并不是特定的一條路線的結(jié)果，而是同樣條件（LOS

或NLOS）多條路線共同擬合的結(jié)果，具體到每一條線，其路損由于建筑物的特異性，可

能與模型中的差異較大，將路損映射到地圖上的結(jié)果如圖2-11所示。

圖2T1路損值在地圖上的映射

2.3小結(jié)

頻率是5G移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒有豐富高質(zhì)量的頻率資源，5G