【大唐杯备考】——5G网络频谱划分与应用（学习笔记）

前言：本期介绍5G网络频谱划分与应用。

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1. 概述

5G移动通信系统对比4G移动通信系统，在业务层面存在革命性的变化。5G业务更加丰富，其内容包括eMBB、URLLC和mMTC。

名词	定义
eMBB（Enhanced Mobile Broadband）	增强型移动宽带，就是现有4G网络的升级版，要求传输速率大于1Gbps
URLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication）	超可靠低时延通信，适用于无人驾驶，远程手术等场景，要求传输时延小于1ms
mMTC（Massive Machine Type Communication）	海量机器类通信，适用于物联网，要求每平方公里有100万个连接

这一切的实现有赖于丰富的频谱资源，所以在频谱资源的分配上5G比4G多了很多，也更加复杂。

• 5G特点：高带宽、低延时、大容量
• 5G频谱特点：频段高、分布广、分配复杂

1.1 关于频率的基本概念

在一定条件下，无线电波的波束等于光速。光速依赖于无线电波的传输介质。通常情况下，在真空和空气中，光速为3×10⁸m/s；在光纤中，光速近似为2×10⁸m/s。

在无线电波速度不变的情况下，波长与频率成反比，即频率增大，波长变短，频率减小，波长增加。在4G和5G移动通信系统应用中，移动通信信号的波长一般在分米量级。例如：900MHz信号的波长为0.333米，1.8GHz信号的波长为0.167米，2.6GHz信号的波长为0.115米。在5G移动通信系统中引入了毫米波的概念，毫米波是指波长在毫米量级。

1.2 无线电信号频谱划分（了解）

为了全面且准确的认识电磁波，人们将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，形成电磁波谱。依照波长的长短、频率以及波源的不同，电磁波谱可大致分为:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。4G与5G移动通信系统使用的频率都包含在无线电波范畴之内，波长在1千米到1毫米之间。波长和频率是无线电波的基本概念。

	波长$\lambda$	频率$f$	用途
甚低频（VLF）	10km-100km（甚长波）	3KHz~30KHz	远距离导航、海底通信
低频（LF）	1km~10km（长波）	30KHz~300KHz	远距离导航、海底通信、无限信标
中频（MF）	100m~1km（中波）	300KHz~3MHz	海上无线通信、调幅广播
高频（HF）	10m~100m （短波）	3MHz~30MHz	业余无线电、国际广播、军事通信、远距离飞机、轮船间通信、电话、传真
甚高频（VHF）	1m~10km （超短波）	30MHz~300MHz	VHF电视、调频双向无线通信、飞行器调幅通信、飞行器辅助导航；电视VHF有12个频段：1~5频段为48.5~92MHz，6~12频段为167~223MHz。
特高频（UHF）	0.1m~1m（分米波）	300MHz~3GHz	UHF电视、蜂窝电视、协助导航、雷达、GPS、微波通信、个人通信系统
超高频（SHF）	0.01m~0.1m（厘米波）	3GHz~30GHz	卫星通信、雷达、微波通信
极高频（EHF）	0.001m~0.01m（毫米波）	30GHz~300GHz	卫星通信、雷达
红外线	0.78~400$\mu$m	3×1010~4×1014Hz	光纤通信、探测、医疗
可见光	400~780nm	4×1014~8×1014KHz

英文名词解释：Frequency、Very、Ultra、High、Low、Super、Extremely

2. 5G网络工作频段与带宽配置

5G频谱分为两个区域：FR1和FR2，FR的含义是Frequency Range，即频率范围。基于3GPP R16版本规范，FR1和FR2表示的频率范围如下表所示，其中FR2称为毫米波。

FR命名	对应的频率范围
FR1	450 MHz ~ 7125 MHz
FR2	24250 MHz ~ 52600 MHz

注：频率范围并不确定，会随着演进不断更新。

2.1 FR1与FR2对应的工作频段

名词	定义
UL（Up Link）	上行
DL（Down Link）	下行
FDD（Frequency Division Duplexing）	频分双工，即上行和下行的传输分别在不同的频率上进行，上下行可同时进行
TDD（Time Division Duplexing）	时分双工，即上行和下行的传输在同一个频率上进行，上下行不可同时进行
SUL（Uplink Supplementary Bands）	上行辅助频段，即扩大上行的频段
SDL（Downlink Supplementary Bands）	下行辅助频段，即扩大下行的频段

FR1部分对应频段：

频段号	上行工作频段 基站接收/UE发送 FUL_low~FUL_high	下行工作频段 基站发送/UE接收 FDL_low~FDL_high	双工模式
n1	1920MHz~1980MHz	2110MHz~2170MHz	FDD
n2	1850MHz~1910MHz	1930MHz~1990MHz	FDD
……	……	……	……
n29	N/A	717MHz~728MHz	SDL
……	……	……	……
n41	2496MHz~2690MHz	2496MHz~2690MHz	TDD
……	……	……	……
n77	3300MHz~4200MHz	3300MHz~4200MHz	TDD
n78	3300MHz~3800MHz	3300MHz~3800MHz	TDD
n79	4400MHz~5000MHz	4400MHz~5000MHz	TDD
……	……	……	……
n98	1880MHz~1920MHz	N/A	SUL

FR2对应频段：

频段号	上行工作频段 基站接收/UE发送 FUL_low~FUL_high	下行工作频段 基站发送/UE接收 FDL_low~FDL_high	双工模式
n257	26500MHz~29500MHz	26500MHz~29500MHz	TDD
n258	24250MHz~27500MHz	24250MHz~27500MHz	TDD
n259	39500MHz~43500MHz	39500MHz~43500MHz	TDD
n260	37000MHz~40000MHz	37000MHz~40000MHz	TDD
n261	27500MHz~28350MHz	27500MHz~28350MHz	TDD

提问：在FDD双工方式中，为什么下行工作频段总是高于上行工作频段？
答：下行是基站发到手机。上行是手机发到基站。频段越低穿透损耗越小。基站是插着电的，手机是电池。基站天线体积不敏感，可以做大功放多天线提高增益，手机不行。所以麻烦的请基站做，下行频段高；简单一点的请手机做，上行频段低。

2.2 FR1与FR2信道带宽

名词	定义
SCS（Sub-Carrier Space）	子载波间隔
RB（Resource Block）	资源块，频率上连续12个子载波，时域上一个slot，称为1个RB
SSB（Synchronization Signal and PBCH block）	同步信号和PBCH块

FR1与FR2的信道带宽包含很多概念：最大传输带宽配置（Maximum Transmission Bandwidth Configuration）是指当SCS确定时，信道带宽可以配置的最大RB的数量；针对不同的最大传输带宽配置和最小保护带宽。5G信道带宽、传输带宽和保护带宽的关系如下图所示。

2.2.1 最大传输带宽配置

FR1和FR2的最大传输带宽配置与SCS有关，在不同的信道带宽下，其可配置的最大RB数（N_RB）分别如下表所示。
$$\begin{array}{cccccccccccccc}\text{ SCS（kHz） }& \text{5MHz}& \text{10MHz}& \text{15MHz}& \text{20MHz}& \text{25MHz}& \text{30MHz}& \text{40MHz}& \text{50MHz}& \text{60MHz}& \text{70MHz}& \text{80MHz}& \text{90MHz}& \text{100MHz}\\ 15& 25& 52& 79& 106& 133& 160& 216& 270& \text{ N/A }& \text{ N/A }& \text{ N/A }& \text{ N/A }& \text{ N/A }\\ 30& 11& 24& 38& 51& 65& 78& 106& 133& 162& 189& 217& 245& 273\\ 60& \mathrm{N}/\mathrm{A}& 11& 18& 24& 31& 38& 51& 65& 79& 93& 107& 121& 135\end{array}$$

$$\begin{array}{ccccc}\mathrm{SCS}(\mathrm{kHz})& 50\mathrm{MHz}& 100\mathrm{MHz}& 200\mathrm{MHz}& 400\mathrm{MHz}\\ 60& 66& 132& 264& \mathrm{N}/\mathrm{A}\\ 120& 32& 66& 132& 264\end{array}$$

2.2.2 最小保护带宽

FR1和FR2的最小保护带宽与SCS有关，在不同的信道带宽下，其可配置的最小保护带宽如下表所示。单位：kHz。可参考上面FR1和FR2最大传输带宽配置。
$$\begin{array}{cccccccccccccc}\text{ SCS（kHz） }& \text{5MHz}& \text{10MHz}& \text{15MHz}& \text{20MHz}& \text{25MHz}& \text{30MHz}& \text{40MHz}& \text{50MHz}& \text{60MHz}& \text{70MHz}& \text{80MHz}& \text{90MHz}& \text{100MHz}\\ 15& 242.5& 312.5& 382.5& 452.5& 522.5& 592.5& 552.5& 692.5& \mathrm{N}/\mathrm{A}& \mathrm{N}/\mathrm{A}& \mathrm{N}/\mathrm{A}& \mathrm{N}/\mathrm{A}& \mathrm{N}/\mathrm{A}\\ 30& 505& 665& 645& 805& 785& 945& 905& 1045& 825& 965& 925& 885& 845\\ 60& \text{ N/A }& 1010& 990& 1330& 1310& 1290& 1610& 1570& 1530& 1490& 1450& 1410& 1370\end{array}$$

$$\begin{array}{ccccc}\mathrm{SCS}(\mathrm{kHz})& 50\mathrm{MHz}& 100\mathrm{MHz}& 200\mathrm{MHz}& 400\mathrm{MHz}\\ 60& 1210& 2450& 4930& \mathrm{N}/\mathrm{A}\\ 120& 1900& 2420& 4900& 9860\\ 240& & 3800& 7720& 15560\end{array}$$

注：

• 12个子载波为一个RB。
• FR2的240kHz的SCS为SSB使用。

最小保护带宽计算公式：
$$最小保护带宽=\frac{信道带宽（M）\times 1000(kHz)-RB数\times SCS\times 12}{2}-\frac{SCS}{2}（kHz）$$
举例：对于FR1表中的845，计算为（100*1000-273*30*12）/2-30/2=845kHz

2.2.3 FR1与FR2工作频段与信道带宽对应关系

FR1：
$$\begin{array}{ccccccccccccccc}\text{NR工作频段}& \text{SCS（kHz）}& \text{5MHz}& \text{10MHz}& \text{15MHz}& \text{20MHz}& \text{25MHz}& \text{30MHz}& \text{40MHz}& \text{50MHz}& \text{60MHz}& \text{70MHz}& \text{80MHz}& \text{90MHz}& \text{100MHz}\\ \text{n41}& 15& & \surd & \surd & \surd & & \surd & \surd & \surd & & & & & \\ \text{n41}& 30& & \surd & \surd & \surd & & \surd & \surd & \surd & \surd & & \surd & \surd & \surd \\ \text{n41}& 60& & \surd & \surd & \surd & & \surd & \surd & \surd & \surd & & \surd & \surd & \surd \\ \text{n77}& 15& & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & & & & & \\ \text{n77}& 30& & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd \\ \text{n77}& 60& & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd \\ \text{n78}& 15& & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & & & & & \\ \text{n78}& 30& & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd \\ \text{n78}& 60& & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd & \surd \\ \text{n79}& 15& & & & & & & \surd & \surd & & & & & \\ \text{n79}& 30& & & & & & & \surd & \surd & \surd & & \surd & & \surd \\ \text{n79}& 60& & & & & & & \surd & \surd & \surd & & \surd & & \surd \end{array}$$

FR2：
$$\begin{array}{cccccc}\text{NR工作频段}& \mathrm{SCS}(\mathrm{kHz})& 50\mathrm{MHz}& 100\mathrm{MHz}& 200\mathrm{MHz}& 400\mathrm{MHz}\\ \text{n257}& 60& \surd & \surd & \surd & \\ \text{n257}& 120& \surd & \surd & \surd & \surd \\ \text{n258}& 60& \surd & \surd & \surd & \\ \text{n258}& 120& \surd & \surd & \surd & \surd \\ \text{n259}& 60& \surd & \surd & \surd & \\ \text{n259}& 120& \surd & \surd & \surd & \surd \\ \text{n260}& 60& \surd & \surd & \surd & \\ \text{n260}& 120& \surd & \surd & \surd & \surd \\ \text{n261}& 60& \surd & \surd & \surd & \\ \text{n261}& 120& \surd & \surd & \surd & \surd \end{array}$$

3. 国外5G网络工作频段（了解）

目前，全球优先部署的5G频段为n77、n78、n79、n257、n258和n260，范围是3.3GHz～4.2GHz、4.4GHz～5.0GHz和毫米波频段26GHz/28GHz/39GHz。n78是全球主用频段，目前很多国家的5G试点均采用n78的3.5GHz频段。

下表为欧洲、北美、日本、韩国和中国的频率使用情况，其中“不可用”表示频段已经被其他系统占用；“干扰”表示基本可用但是部分频段存在干扰；“可用”表示频段可用，推荐使用。

5G使用的频谱简述如下。·

• 600MHz频段（470～694MHz/698MHz）：确定在美洲和亚太一些国家使用。·
• 700MHz频段（694～790MHz）：全球性使用的5G频段。
• 1427～1518MHz频段：所有国家和地区确定的新的全球波段。·3300～3400MHz频段：许多国家和地区确定的全球波段，欧洲和北美除外。
• 3400～3600MHz频段：所有国家和地区确定的全球波段，欧洲、韩国已经在使用，在中国，分配给了中国电信和中国联通使用。
• 3600～3700MHz频段：许多国家和地区确定的全球波段，非洲和亚太一些国家除外。
• 2496～2690MHz频段：许多国家和地区确定的全球波段，但许多国家已将该频段给LTE使用，在中国，这一频段分配了160MHz给中国移动。
• 4800～4990MHz频段：为亚太地区少数几个国家确定的新频段，在中国，这一频段分配了100MHz给中国移动。

这是全球频谱的一个概况，但是5G的FR1频段是从400多MHz开始的，还有部分600MHz的频段并没有在表上，可能是2G/3G/4G的原有频段，准备更换到5G。

FR2范围主要是高频，也就是我们通常说的毫米波，穿透能力较弱，但带宽十分充足，且没有什么干扰源，频谱干净，未来的应用将十分广泛。

下面是为5G的FR2新分配的频段。

3.1 北美5G频段

2016年7月14日，美国联邦通信委员会投票决定通过分配24GHz以上5G频段，美国成为世界上第一个为5G网络分配可用频段的国家。北美5G频段划分情况如下表所示。

频段	备注
27.5GHz ~ 28.35GHz	授权频段
37GHz ~ 38.6GHz	授权频段
38.6GHz ~ 40GHz	授权频段
64GHz ~ 71GHz	非授权频段

3.2 欧洲5G频段

欧盟委员会无线频谱政策组（RSPG）于2016年6月制定5G频段划分战略草案，并在欧盟范围内公开征求意见。2016年11月9日，RSPG发布欧盟5G频谱战略。欧洲5G频段划分情况如下表所示。

频段	备注
700MHz	5G广覆盖
3400MHz ~ 3800MHz	利用抢占先机
24.25GHz ~ 27.5GHz	5G先行频段
31.8GHz ~ 33.4GHz	5G潜在频段
40.5GHz ~ 43.5GHz	5G可选频段

3.3 亚洲5G频段

2010年，APT（亚太电信组织）就同意将700MHz用于发展移动通信，通常称为APT700。这段频谱对应FDD Band28（703～748MHz/758～803MHz）和TDD Band44（698～806MHz），被称为“数字红利”频段。

2016年，APT同意了对698～806MHz频段进行整理的建议，该频段也许会用于未来的5G网络。

2018年，APT将470～698MHz，1427～1518MHz，3300～3400MHz，4800～4990MHz和大于24GHz频段列入WRC-15的列表中（4800～4990MHz频段会更新）。

另外，中、韩、日作为5G的先行者，已在3GHz和5GHz频段上开展5G建设。韩国和日本还在25.6～29.5GHz频段上开展5G试验。

3.4 中东和非洲地区5G频段

沙特阿拉伯完成了适用于5G服务的频谱拍卖，中东地区至少有8个国家和地区开展5G试验工作，坦桑尼亚已经将700MHz频谱划拨用于ICT（信息通信技术）服务，南非则计划进行800MHz频谱拍卖用于IMT服务。

4. 国内5G网络工作频段

名词	定义
NB（Narrow Band）	窄带
NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）	蜂窝窄带物联网
DCS1800	1800MHz数字蜂窝系统
RRU（Remote Radio Unit）	射频拉远单元
RSRP（Reference Signal Receiving Power）	参考信号接收功率

中国联通和中国电信获得3.5GHz的国际主流频段；中国移动获得2.6+4.9GHz组合频谱。

厂商	频段号	频段	带宽
中国移动	n41	2515MHz-2675MHz	160M
中国电信	n78	3400MHz-3500MHz	100M
中国联通	n78	3500MHz-3600MHz	100M
中国移动（未建设）	n79	4800MHz-4900MHz	100M

注：中国广电获得了700MHz的5G牌照：698MHz ~ 790MHz

值得一提的是，中国移动的5G频段（n41）与卫星导航系统的隔离度问题可能会导致中国移动的5G频段调整。中国北斗1号试验卫星导航系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域系统。该系统在国际电联登记的频段为卫星无线电定位业务（RDSS）频段，上行为L频段（1610～1625.6MHz），下行为S频段（2483.5～2500MHz）。移动2.6GHz和北斗S频段之间隔离度尚未明确。隔离度问题对系统间干扰影响巨大，如下图所示。

4.1 中国移动频谱划分及应用

4.1.1 900M频谱的演进过程

900MHz原有GSM（2G）业务，等用户更替设备之后逐渐减少2G设备，建设5G，重新利用这个频段。

900MHz大网频率使用方案（演进路线）：

900MHz高铁专项频率使用方案（演进路线）：

4.1.2 1800MHz+A频段策略

1. 全网以20MHz FDD1800为目标开展1800MHz重耕，支撑D频段退频后的4G容量需求；
2. 剩余5MHz（1825～1830MHz）可选用途包括：

• DCS1800按需部署逐步取代连续部署，降低DCS1800网络频率复用度。DCS1800补盲，非连续覆盖条件下可配置到S4/4/4站型，可解决大部分场景GSM容量需求；也可用于室内GSM覆盖需求，随FDD1800室分建设一并部署。
• 高铁FDD隔离带：高铁FDD1800专网与公网FDD1800隔离带内的FDD1800可错频部署在1820～1830MHz，防止高铁用户重选到公网（FDD-LTE高铁专网配置10MHz，隔离区配置10MHz）。

A频段重耕策略：基于D频段重耕后的4G容量需求，结合A频段终端支持率，在密集城区、高校、高铁等场景推进A频段重耕，缓解4G网络压力。（当前A频段是指2010～2025MHz，合计15MHz带宽）。

4.1.3 F频段使用方案

F频段面临的主要问题为：受中国电信扩频1875～1880MHz影响，1880～1920MHz（F频段）、所有FA RRU设备会受到阻塞干扰，影响网络性能。F频段使用整体思路：现网F1、F2频点带宽和频段范围不受影响，继续作为TD基础覆盖或容量层网络。F频段面对干扰问题的解决策略对比分析如下表所示。

改造手段	优点	缺点
更换新型RRU设备	根本上解决受扰问题	价格高、工程影响大
更换内置滤波器天线	在集采目录，价格适中，对覆盖无影响	独占天面，无法被4488天线（4端口900M，4端口1800M，8端口F频段，8端口D频段）收编，工程影响大
安装外置滤波器	价格便宜，工程影响小	对覆盖有2dB损耗，增加隐性故障点

F频段的使用和改造注意事项：

• 重点场景受扰F频段小区，考虑更换RRU或更换内置滤波天线，不建议通过外置滤波器解决。进一步地，如果该小区有4488天面整合计划，建议考虑直接更换RRU（省内对调或新增）。
• 一般场景受扰F频段小区，F频段作为打底覆盖网的，不建议通过外置滤波器解决；F频小区仅作为容量层的，可考虑通过加装外置滤波器解决。
• 对于同扇区有FDD1800建设计划的F频段受扰小区，满足覆盖和容量前提下，考虑拆除F频段设备。

4.1.4 2.6G清频方案

中国移动5G分配到160MHz带宽的2.6GHz频谱，为了更好地使用D频段的频谱资源，同时满足向5G演进的要求，目前确定D频段2515～2615MHz的100MHz作为5G频段，2615～2675MHz的60MHz留给4G使用。中国移动2.6GHz频率使用方案，如下图所示。

4.2 中国联通频谱划分及应用

4.3 中国电信频谱划分及应用

4.4 中国广电频谱划分及应用

中国广电计划使用700MHz频段建设5G网络。在2020年以前，700MHz被中国广电用于农村电视信号的传送。使用700MHz频段组网比900MHz/1800MHz要好很多。

参考资料
大唐杯学习笔记(2)—— 5G网络频谱划分与应用
《5G系统技术原理与实现》——人民邮电

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作者：HinsCoder
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