[4G&5G专题-25]:架构-4G&5G频谱资源大全与详解

目录

1. 什么是频谱(电磁波频率谱)

1.1 电磁波

1.2 电磁波频率谱

1.3 移动通信中的频谱资源:“高速公路的带宽”

1.4 1G->6G蜂窝移动通信的电磁波波的演变

第2章 4G LTE的频谱资源

2.1 LTE授权频谱资源

2.2 LTE非授权频谱资源(LAA)

2.3 中国三大运营商的频谱

第3章 5G NR的频谱资源(高速公路的带宽)

3.1 5G 频率范围FR1 & FR2

3.2 FR1频段

3.3 FR2频段

3.4 不同频段的使用场景

3.5 5G频谱全球的部署情况

3.6 中国三大运营商的频谱资源

4. 辅助上行和辅助下行频谱的作用

4.1 辅助频谱存在的原因与作用

4.2 频谱

4.3 辅助上行和辅助下行与CA的区别

第5章. 5G小区的载波带宽

5.1 频谱资源、运营商购买的带宽、小区载波的带宽、子载波的带宽的区别

5.2 5G小区带带宽

6. 多载波聚合(整个带宽):包多辆车

7. 频谱共享LTE DSS

8. BWP: 带宽自适应



1. 什么是频谱(电磁波频率谱)

1.1 电磁波

电子的运动产生电流,电子的流动,会在周围形成电场,变化的电场形成变化的磁场,变化的磁场形成变化的电场,电场和磁场在空间交替变化,向前传播,就产生了电磁波。

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其中一个重要的参数就是频率f。

频率:是指单位时间内,传播完整周期的电磁波的个数,f是电磁波周期T的导数。

周期:是指传输一个完整波形的电磁波所需要的时间。

波长:传输一个完整波形的电磁波所传输的距离,波长L=vt = v/f。

由于电磁波的传输速度是固定的,因此波长与频率成反比,波长越长,频谱就越低,波长越短,频率越高。

 

1.2 电磁波频率谱

为了对各种电磁波有个全面的了解,人们将这些电磁波按照它们的波长或频率、波数、能量的大小顺序进行排列,这就是电磁波谱。

如下图所示:

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从上图可以看出,无论是无线电波还是红外线,无论是光还是微波,其本质都是电磁波。

无线通信的本质:就是利用不同频率的无线电磁波承载信息。

 

1.3 移动通信中的频谱资源:“高速公路的带宽”

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频率:是单位时间内完成周期性变化的次数,是描述周期运动频繁程度的量,常用符号f。

带宽:电磁波频带的宽度,无线通信中,并不是用单一频率的电磁(又名“单音”信号)进行数据传输的,而是使用一段频率连续的电磁波信息的传播,带宽就是信号的最高频率与最低频率的差值,用Hz表示。

带宽越大,承载的信息量越大。

有点类似马路,马路的路越宽,可承载的车流量就越大。

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频带:人们将一定宽的频率范围划分成若干区段,称为频带Band

 

1.4 1G->6G蜂窝移动通信的电磁波频谱的演变

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总体来来看,从1G-6G蜂窝移动通信:

(1)中心频点:载波的中心频率越来越高,从几百兆Hz到几个GHz, 再到几十GHz的电磁波。

(2)带宽:带宽也是越来越高。带宽越大,承载的信息量越大 。

 

第2章 4G LTE的频谱资源

2.1 LTE授权频谱资源

Band01-Band29:LTE FDD的频带

Band33-Band44:LTE TDD的频带

 

2.2 LTE非授权频谱资源(LAA)

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频率:5GHz

主要使用技术:Wi-Fi, 雷达

从上图可以看出,针对与5GHz的非授权频谱,有两种划分方法:

  • Unlicensed National Information Infrastructure (U-NII) 划分方法: U-NII-1, U-NII-2A, U-NII-2B, U-NII-2C, U-NII-3, U-NII-4.
  • LTE的划分方法: Band46A, Band46B, Band46C, Band46D

LTE与U-NII的对应关系

U-NII会更宽,U-NII-2C就没有被LTE LAA所使用。

U-NII-2覆盖了LTE Band46B, Band46C

Band46D覆盖了U-NII-3, U-NII-4.

所以可以看出,这两种体系,定义5GHz的非授权频谱的方式,并不是一一对应的。

 

2.3 中国三大运营商的频谱

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第3章 5G NR的频谱资源(高速公路的带宽)

3.1 5G 频率范围FR1 & FR2

FR: Frequency Range

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5G的频谱大致分为两个大的范围:FR1和FR2

FR1:频率在450M-6G之间,又统称为Sub-6G, 该频段又以3G为边界分为:

  • 小于3G的频段,称为低频段,又称为Sub 3G。该频段主要用于与LTE频谱共享以及解决5G的覆盖问题。
  • 大于3G的频段,称为中频段。又称为Sub 6G。该频谱以3.5G为核心频段,是5G的主频段。

FR2:频率在24G-52G之间,又称为高频段,是5G的扩展频段。

频率越低,其穿透障碍物的能力越强,其网络覆盖能力越强,但带宽越低。

频率越高,其穿透障碍物的能力越弱,带宽越大,数据承载的能力越高。

 

3.2 FR1频段

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(0)Band号:LTE是b打头,5G是以n为打头,如n77-n79

(1)FR1 Sub3G频段:

  • 可以部署FDD或TDD,
  • 以FDD为主,小区带宽在20M及以下.

(2)FR1 3.5G频段

  • 只能部署TDD
  • 小区带宽在100M及一下。

(3)SDL:下行辅助频谱,处于低频段,带宽比较窄,是目前低频段的空闲频谱,用于增加5G的下行覆盖。

(4)SUL:上行辅助频谱,  处于低频段,带宽比较窄,是目前低频段的空闲频谱,用于增加5G的上行覆盖。

 

3.3 FR2频段

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  • 只能部署TDD
  • 小区带宽1G及一下

 

3.4 不同频段的使用场景

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(1)FR1 Sub3G

  • 主要用于FDD
  • 小区带宽20M
  • 峰值速率100M
  • 覆盖距离大于1km
  • 场景:远距离覆盖

(2)FR1 3.5G

  • 只能用于TDD
  • 小区带宽100M
  • 峰值速率1G
  • 覆盖距离小于1km
  • 在覆盖距离和提供的数据速率取得最佳的平衡。

(3)FR2 >24G

  • 只能用于TDD
  • 小区带宽1G
  • 峰值速率10G
  • 覆盖距离小于100米,只能用于短距离
  • 场景:提升用户速率的场景。

 

3.5 5G频谱全球的部署情况

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不同的国家,不同的运营商,其频谱资源的使用是不相同的,主要取决如下几个原因:

  • 全球统筹规划
  • 国家的规划
  • 运营商的购买

从上图可以看出,目前阶段:

3.5G和24G附近的频谱部署最多。

38G, 65G附近的频谱部署,主要在美国。

 

3.6 中国三大运营商的频谱资源

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(1)中国移动:获得了两个频段:

  • 一个n41,在2.6G附近,属于低频,这是原先的LTE的频谱。
  • 一个n79,在4.9G附近

(2)中国电信

  • n78,在3.5G附近

(3)中国联通

  • n78,在3.5G附近

 

4. 辅助上行和辅助下行频谱的作用

4.1 辅助频谱存在的原因与作用

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(1)辅助上行

由于手机和基站的发射功率不一样,因此在使用相同的频率的情况下,上行和下行的覆盖距离是不相同的:

  • 下行基站的发送功率较大,覆盖距离远
  • 上行手机的发射功率小,覆盖距离近

如上图手机的位置,基站的功率大,下行使用中频段传输距离远,而上行手机发射功率小,通过使用低频段,可以增大手机的上行的覆盖范围。

(2)辅助下行

辅助下行,主要解决的不是功率不足的问题,而是在障碍物比较多的场合,中频或高频信号绕过障碍物困难的问题。

因此,辅助下行,主要应用与在室内增加5G覆盖,是解决室内覆盖的手段之一(其他手段如分布式基站部署、密集基站部署等)

 

4.2 频谱

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(1)SDL:下行辅助频谱,处于低频段,带宽比较窄,是目前低频段的空闲频谱,用于增加5G的下行覆盖。

(2)SUL:上行辅助频谱,  处于低频段,带宽比较窄,是目前低频段的空闲频谱,用于增加5G的上行覆盖。

由于辅助上行与辅助下行,都是单向的频谱,因此该频谱主要用于FDD的场景。

 

4.3 辅助上行和辅助下行与CA的区别

载波聚合CA:是指两个载波同时工作,同时承载数据,最后把两个载波的数据聚合成一路数据,主要作用是增加带宽,增加数据速率。

辅助上行或辅助下行:是独立的载波,用于解决其他载波信号覆盖不到时候的场景,而不是为了增加带宽或数据速率。

 

第5章. 5G小区的载波带宽

5.1 频谱资源、运营商购买的带宽、小区载波的带宽、子载波的带宽的区别

如果说,频谱资源好比高速公路的路宽;那么运营商购买的带宽,就相当于车道的带宽;而实际部署的小区的带宽,是行驶在车道上的车的宽度,而车上的座位的宽度,就是子载波的宽度。

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频谱资源:预留给某一通信技术的带宽,这个带宽通常远大于实际小区的带宽,这个带宽通常可以切割成多个子带宽,授权给不同的运营商。

运营商购买的带宽:频谱资源是需要购买的,带宽越大,支持的最大速率越大,但需要的费用也越高,因此不同的运营商,购买不同带宽的频谱资源。如购买了20M带宽。

部署的小区载波的带宽:小区的载波带宽取决于两个因素:

  • 是通信技术限制的单载波的最大带宽,如LTE是20M, 5G是400M;
  • 频率范围FR1还是FR2
  • 实际部署所需要的小区的带宽,通常小于通信技术限制的最大带宽和运营商实际购买的带宽,如LTE: 5M/10M/15M/20M等。

 

5.2 5G小区带带宽

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从上图可以看出,5G小区载波的带宽,与频率范围FR相关

(1)FR1频谱支持的小区带宽:5M/10M/15/20M.......80M/90M/100M  #包括图中未画出的70M/90M。

  • 15K子载波:只有小区带宽5M-50M时,才支持15K的子载波的宽度
  • 30K子载波:5M-100M的所有小区带宽,都支持30K的子载波的宽度
  • 60K子载波:5M带宽的小区带宽,不支持60K的子帧带宽,其他都支持。

(2)FR2频谱支持的小区带宽:50M/100M/200M/400M.

  • 只支持60K和120K这两种载波
  • 400M小区带宽时,不支持60KHz的子载波,但支持120KHz子载波宽度

小区的宽度越宽,尽可能的支持大的子帧波的宽度,尽可能的不支持小的子帧波的宽度。反之亦然。

小区的宽度越小,尽可能的支持小的子帧波的宽度,尽可能的不支持大的子帧波的宽度。

这也好理解,小区的宽度就类似车辆的宽度,车越宽,座位越宽。车越窄,座位越窄。

 

6. 多载波聚合(整个带宽):包多辆车

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为了增加用户的带宽,要么增加单个小区的物理带宽,要么把多个离散的、物理上20M小区的带宽合并成一个逻辑上更大的小区带宽。

载波聚合采用了后再的方案来增加用户的带宽。带宽越大,单个用户的速率越高。

(1)4G LTE:可以32个20M的载波聚合成一个640MHz的CA.

(2)5G NR: 可以把16个400M的载波聚合成一个6.4G的CA。

载波聚合,类似于同时包了N个并行行驶的车辆。

 

7. 频谱共享LTE DSS

5G除了可以部署在分配给5G专有的频谱上,5G还可以借用4G的频谱资源,这就是4G+5G动态频谱共享DSS。

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动态频谱共享(DSS,Dynamic Spectrum Sharing),就是允许4G LTE BBU和5G NR BBU共享相同的RRU FPGA、相同的RFIC、相同射频载波频谱,并将“时频资源PRB动态分配给4G和5G用户。

这需要在4G和5G基站MAC层之间传递数据,把5G的数据承载在4G时频资源上。

关于动态频谱共享DSS,请查阅相关文章

《[4G&5G专题-5]:RRU 全面了解什么是4G+5G RF动态频谱共享?》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/112293957

 

8. BWP: 带宽自适应

LTE中,UE终端的收发数据的带宽,通常与基站的带宽是一致的,比如LTE 20M的小区带宽。

在5G中,基站可以支持200M, 400M的带宽,要求所有的终端都支持如此大的带宽,无疑会增加终端的成本和功耗。

BWP允许每个终端用户的滤波器的实际带宽,小于小区的带宽。

详细的内容,请查阅相关的文章。

 

 

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