深度解析：为什么厘米波频谱正在成为6G频谱“新宠”？

愁容骑士

转自爱立信中国：

深度解析：为什么厘米波频谱正在成为6G频谱“新宠”？

5G正在彻底改变大家与世界的交互方式。同时，6G的演进已进入到早期应用研究阶段。在支撑新的网络容量和覆盖需求方面，频谱将起到至关重要的作用，而厘米波频谱正在成为频谱“新宠”。

本文中，爱立信技术专家深入解读了厘米波频谱对打造未来网络的价值，以及大家正在努力解决的那些挑战。

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6G服务需要额外频谱

毋庸置疑，5G是一项革命性技术，它实现了机器与机器、机器与人类之间的无缝连接。2020年到 2030 年，是5G重塑整个行业和社会的“黄金十年”。大家将见证许多新应用和新服务的出现，同时也从每一次5G部署过程中汲取宝贵的经验教训。

与此同时，大家继续向6G迈进。正如大家在爱立信6G白皮书中所述，6G将实现数字世界与物理世界的融合。根据2022年11月的《爱立信移动市场报告》，6G 将成为支撑当前移动宽带、固定无线接入（FWA）、智能工厂等用例的重要组成部分，这些用例将继续呈指数级增长。6G还将推动实现全息通信、大规模数字孪生、沉浸式通信、通感一体化（JCAS）等领域的新兴用例。

这就提出了两个重要问题：大家如何满足未来的流量需求并实现6G愿景？答案当然会涉及诸多方面，但大家认为频谱将是最基本的因素之一。如图1所示，当前用例在不断增加，在2030年预期增加三倍的数据流量；这就要求大家可用的频谱不仅要满足当前用例的需要，同时还要满足新的6G用例产生的流量增量的需要。

图1：6G时代的流量需求

为满足2030年及以后的网络需求，至少需要1.5-2.2GHz的额外频谱来更好地支撑广域覆盖。需要注意的是，这些数字是在2030年前分配的广域频谱频段的基础上得出的，大家在白皮书中也提到了这一点。

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频谱混叠：流量分发和聚合

为了满足2030年及以后的大量用例和网络部署的需要，大家必须充分利用所有可用的频段，并将流量引导至最合适的频段（见图2）。

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低频段FDD：将继续提供基本覆盖层。该频谱有利于弥合城市和农村地区之间的数字鸿沟，同时提供无处不在的移动连接。

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中频段TDD：在目前全球5G频谱资源分布最广泛的频段。丰富的频谱资源对移动宽带、XR、AR/VR等大量应用至关重要，还能为光纤无法到达的小镇和村庄提供固定连接。

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毫米波（mmWave）频段：可实现大容量通信，但由于传播特性，毫米波频段仅限于局部密集环境。

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亚太赫兹（Sub-THz）频段：适用于未来的6G用例，例如前传/回传、极限游戏等，这些用例和应用需要至少每秒数百Gb的数据传输速率，而达到这一速率又需要10GHz以上带宽的频段（这种宽带宽仅在92 GHz以上频段才有，如D频段和W频段）。由于传播特性，亚太赫兹频段的接入区域会非常有限，前传/回传应用也需要非常窄的波束。幸运的是，并非所有地方都需要如此高的数据传输速率。在这些极端情况下，亚太赫兹（92-300GHz）频段将成为更低频段的补充。

寻找1.5-2.2GHz的额外广域频谱并非易事，但这对于满足大家2030年及以后的容量需求至关重要。从网络覆盖范围的角度来看，低频段是有益的，但新频谱的数量非常少；而在高频段（毫米波频段）中寻找大量额外频谱是可行的，但它们又不太适合广域覆盖。

这就催生出一个重要问题：大家能否找到一种方法，兼具两种频段的优势？

厘米波（cmWave）频谱：对未来系统（如6G）来说极具吸引力。

7-15GHz的频率范围有望将良好的覆盖范围（尤其是在低频边缘）与足够大的带宽结合起来。虽然这些频谱目前正在被广泛应用，但适当的混叠机制在一定条件下可以释放出足够大的频谱供蜂窝网络使用。除了现有频段和已在讨论的频段外，大家认为厘米波频谱对6G网络发展非常重要。同时，由于采用了大型阵列，该频段可以与传统中频段部署在同一网格中，并借助同样通过大型阵列实现的大规模空间重用实现更大的容量。这一频段不仅能推动传统移动宽带和AR/VR的持续增长，还能支撑全息通信、大规模数字孪生等新应用的引入。考虑到相对传播特性，在7-15GHz范围内的较低频率进行频率分配是十分可取的。

为实现最佳的用户体验，必须以最佳方式同时使用所有可用的频段，并将它们动态分配给网络中能带来最大效益的用户和应用。由于高频段需要更密集的部署来补偿传播损耗，因此，想要实现网络的节能运行，系统必须具备快速启用和停用节点与频段的功能。

图2：多频谱层叠加

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可在现有的网格上使用厘米波

厘米波频段可利用大规模MIMO技术来支撑广域覆盖，从而使当前的3.5GHz基站网格被重复使用。与3.5GHz天线面板相比，在7GHz 频率下，安装在同一天线外壳中的半波长元件数量可以翻两番，最终提升天线增益，弥补增加的传播损耗。

例如，在图3所示的伦敦场景中，基站间的平均距离为450米，80%的用户为室内用户，人口密度为10,000人/平方公里。

图3：伦敦模拟场景

图4显示了在该网格上使用多个频段所提供的容量。在这种情况下，使用当前频段的150 MHz所能支撑的下行链路容量约为5 Gbit/s/km2，如果在厘米波范围内增加400 MHz频谱（7GHz下的200 MHz和15GHz下的200 MHz），这一数字可提高到13 Gbit/s/km2以上。所增加的下行链路容量还可用于卸载3.5 GHz等较低频段的更多下行链路流量，从而将这些频段释放出来用于上行链路流量，这有益于扩大覆盖范围。

图 4：伦敦现有宏网格所支撑的通信容量

该模拟示例清楚地说明了厘米波频谱的优势：在不需要基站网格密集化的情况下，就能提高容量。但要注意的是，该场景进行了适度的模拟假设，例如，7 GHz天线没有使用比3.5GHz天线更多的元件。另外，在本例中，除非提高基站网格的密度，否则即使增加毫米波频谱也无法提高通信容量。从图4也可以看出这一点：该伦敦场景中的基站网格对应覆盖距离位于毫米波层右侧；而在图2中的覆盖距离则对应厘米波层。

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未来的传输技术：需要考虑的因素

如上所述，大家最初的目标是将厘米波频段与传统中频段部署在同一网格上。此外，如上文所述，为了弥补3.5-7GHz全向路径损耗的增加，大家需要至少四倍数量的天线元件。

5G 无线设备通常使用32或64个TRX 端口。每个端口连接到一个包含三个天线元件的垂直子阵列，因此总共需要96或192个天线元件。为了补偿增加的全向路径损耗，从64个TRX端口开始，将天线元件数量翻两番，从而需要768个天线元件。为扩大覆盖范围，可进一步增加天线元件的数量（见图5）。

图5：（垂直 x 水平）子阵列配置示例

大家可通过选择不同的结构来实现更大规模的天线阵列，可供选择的方案包括：

增加子阵列尺寸

使用12甚至24个元件的子阵列可以形成一个子阵列，从而使天线元件总数分别增加到原来的四倍或八倍。这种解决方案的优点是简单，而且由于TRX端口的数量没有变化，可以最大程度地减少甚至消除对数字波束成形架构和CSI获取所需的更改。但这种解决方案的一个明显缺点是垂直波束宽度更窄。

增加 TRX 端口数量

另一种极端情况是保持子阵列大小不变，将TRX端口数量增加到256或 512个。在这种情况下，所有波束成形（除子阵列外）都是在频域中以数字方式完成的，从而使MIMO前置编码器的设计具有最大的灵活性，甚至可以使用前置编码器。缺点是需要大量增加模数转换器（上行）和数模转换器（下行），导致复杂性和能耗增加。

介于两个极端之间

在上述两个极端之间有多种选项。一种是适度增加TRX端口数量，然后依靠时域端口延伸（下行链路）/缩减（上行链路）连接子阵列。这种时域端口延伸/缩减可以在数字域、模拟域或两者之间进行。

大家需要慎重考虑，如何在增加的复杂性与灵活性之间取得良好的平衡。不同方案所产生的能耗差别也很大，通常会随着TRX端口数量的增加而上升。为了保持低能耗，大家必须能够休眠或关闭无线电和基带中未使用的组件。过去，无线系统功耗明显占主导地位。然而，随着天线数量不断增加，基带功耗也随之激增，这就要求大家现在必须同时考虑这两个方面的功耗。

不同的架构也有不同的辐射特性，例如，大型垂直子阵列会减少垂直波束宽度。需要进一步考虑上述解决方案如何能够使这些频段中其他同优先级服务以及雷达、固定服务和卫星服务等相邻频段更好地共存。

为了将TRX端口数量增加到64个以上，还需要改进 CSI的获取，例如，需要增加CSI-RS天线端口等。目前业界正在分析每种方案的优缺点，最佳设计将“花落谁家”还未有定论。

部署更大规模基站天线阵列还可用于改善通信之外的服务，比如定位服务，它早已成为一项重要服务。在6G可以提供的通信之外的服务中，通感一体化被普遍看好。

定位和通感一体化服务均受益于大带宽和大天线阵列，这使得厘米波频段成为这两种服务的理想频段。假设厘米波频段中，每种模式的邻道带宽为200MHz，则传感和定位的飞行时间测量分辨率小于一米。多种定位和传感方法都依赖精确的到达角估计，而到达角估计的精度会随着阵列尺寸的增大而提升。如果能够将厘米波频段提供的大带宽与保持覆盖范围所需的更大阵列尺寸相结合，厘米波频段就能成为一个理想的高精度定位和传感候选频段。

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如何获得该频谱：解决共存问题

在第一章节中，所需的厘米波频谱估计在1.5-2.2GHz。假设一个地区有三家网络运营商，那么每家运营商需要500-750MHz频谱。为避免非连续载波聚合的高度复杂性，同时也为了实现范围分辨率在1米左右的定位和传感服务，频谱应按不少于100-200MHz的连续区块分配。

根据国际电信联盟《无线电规则》（ITU-RR），7-15GHz频谱范围内的大量频段已经以同优先级的方式分配给移动型、固定型及其他服务。因此，大家有必要认真考虑和研究这些服务在7-15GHz频段和邻近频段中的共存问题。

由于大家很难找到干净的频谱，再加上高效利用稀缺频谱资源的既定目标，频谱共享和共存能力呈现出前所未有的重要性。爱立信认识到这一挑战并全力探索这一领域。如果能够成功应对这些挑战，大家就可以释放厘米波频段中的大量频谱用于蜂窝通信。实际上，将类似毫米波的带宽与中频段覆盖相结合，是大家为满足2030年及以后的通信容量需求的可行方式。