The Analysis on 5G Frequency Planning of the U.S. in 24.25GHZ-28.35GHZ

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Xie Gang1, Wang Tan2, Qian Zhaojun2

(1. North China Electric Power University, Beijing, 102206;

2. The State Radio Monitoring Center, Beijing, 100037)

Abstract: This paper aims to analyze the frequency planning of the US 28GHZ (27.5-28.35GHZ) and 26GHZ (24.25-27.5GHZ) frequency bands as a reference for the planning of China's 5G millimeter wave frequency band.

Keywords: 5G frequency planning of US; 26GHZ band; 28GHZ band

1 引言

截止10月,全球共有42个国家正在着手5G适

用频谱的相关工作,计划为5G保留频谱甚至即将拍卖该频谱[1]。目前,世界各地的5G监管机构正在拍卖或考虑在18个不同频段拍卖频谱,用于未来的5G业务,范围从600MHZ到64GHZ-86GHZ。首要频段是中频段,也即3-6GHZ频段范围,其中最主要的是3400MHZ-3600MHZ频段,如今有32个国家宣布该频段的拍卖或正在进行协商。此外是36003800MHZ频段,有20个国家考虑拍卖或征求意见。在毫米波方面,也即24-86GHZ频段范围,全球关注的焦点在24.25GHZ-29.5GHZ频段,有17个国家考

虑拍卖或征求意见。

在我国,为促进5G系统的发展,无线电主管部门结合国际国内各方面因素,统筹兼顾各行业的不同需求,于2017年11月发布了3300MHZ3400MHZ , 3400MHZ-3600MHZ和 4800MHZ5000MHZ频段的频率使用规划[2],我国因此成为了国际上首发5G中频段频率规划的国家。

而在5G毫米波方面,美国于2016年7月率先发布了《用于移动业务的24GHZ以上频段》的执行公告[3]。接下来于2017年11月、2018年6月先后发布了第二次[4]以及第三次执行公告[5],通过这些工作步骤,美国逐渐完善了5G毫米波频段频率规划,促进了全球5G该频段规划发展。据统计,全球很多国家对这些频段有着很大的兴趣,图1中蓝色区域即为考虑、拍卖或授予5G系统24.25GHZ-29.5GHZ频段的国家。

目前,我国的5G毫米波频段频率规划研究工作仍在进行中。本文意在通过分析美国5G频率规划报告中28GHZ(27.5-28.35GHZ)和26GHZ(24.2527.5GHZ)频段频率规划,为我国5G毫米波频段规划工作提供参考。其中,美国频率规划工作分为三个阶段:向运营商征求意见、提出规划以及补充修改,图2为28GHZ与26GHZ频段规划工作进度图。

2 28GHZ频段(27.5GHZ-28.35GHZ)

28GHZ频段(27.5GHZ-28.35GHZ)是美国第一

次执行公告的重点内容。它公布了该频段的授权机制、卫星地面业务共存分析以及频段安排。第二次公告则根据反馈意见进行了补充。

2.1 背景

1997年,美国联邦通信委员会(Federal Communication Commission,fcc)决定将所有的基础商业区(BTA)划分1300MHZ带宽用于本地多点分

配业务(Local Multipoint Distribution Service, LMDS)。LMDS频段有着两个分区,A段与B段。其中,A段包含了27.50-28.35GHZ ( A1频段)、

29.10-29.25GHZ(A2频段)和31.075-31.225GHZ (A3频段),总共1150MHZ的频谱资源;而B段包含31.00-31.075GHZ(B1频段)和31.225-31.30GHZ (B2频段),总共150MHZ频谱资源[6]。

FCC认为,相对于其他LMDS频段,28GHZ频

段是移动服务技术研究和原型机研制工作的重点。

因为它具有850MHZ的连续带宽来满足各种高数据

速率应用,并且频谱的现成可用性也有助于大规模

5G系统的发展。 2.2 授权机制

FCC在28GHZ频段上使用地理区域许可来授权,原因在于颁发单一执照有利于被许可人协调其区域内的固定和移动业务。这种方法使得每个执照都可以灵活地提供固定或移动业务,加快移动或其他高级服务的部署。

现今美国频率规划共有4种基础地理区域单位,如表1所示:

美国5G频率规划将“县”作为28GHZ频段许可证

的基础地理区域单位,有以下三点优势:

(1)这些频段信号不能长距离传播,使用时预

计将提供以米为单位的区域覆盖范围。这种情况

下,“县”级执照最符合5G业务的需求。

(2)执照持有者能灵活购买目标容量区域。相对于以BTA或EA作为区域单位来授权,建立较小

的许可区域有利于执照持有者根据市场力量和客户需求制定部署决策。

(3)不同规模运营商具有平等的发展机会。小

型运营商更容易定制最需要的区域。大型运营商既可以针对需要减小区域,也可以将多个县级区域组合成更大的区域,从而实现经济规模。

基于这些优势,新制定的UMFUS ( Upper Microwave Flexible Use Service)执照确定以“县”

为基础地理区域单位,但也带来了两个问题:更多的“县”单元带来了更多的协调问题;更多数量的许可证将增加执照持有者和委员会的行政负担。针对协调

问题,FCC在边界要求限制功率流密度。现有的BTA

通过这种方式协调边界处的运营,并没有出现服务

问题。因此,FCC认为边界协调问题可以得到很好的

解决。针对行政负担问题,由于执照持有者直接获得

移动业务许可权,FCC认为这种好处远远超过了持

有者和委员会的任何行政负担。为了加快移动部署

以及降低协调难度,FCC认为这项举措是值得的。

2.3 卫星地面业务共存

在不干扰LMDS系统链路的前提下,地球同步卫

星(GSO)或地球非同步卫星(NGSO)业务系统可提供有限的地对空网关类型业务。FCC确定了同频段卫星业务是地面业务的次级业务。美国卫星电视运

营商认为FSS地球站可以部署在距离地面业务170米附近。但地面业务与卫星业务之间仍然会存在两个

干扰问题:一是FSS地球站对地面接收端的干扰区;二是地面业务对卫星接收端的空中集总干扰。

2.3.1 FSS地球站选址规定

FCC明确FSS地球站可以在不干扰地面系统的前提下以先到先得的方式获得授权,但地球站必须通过以下四条部署准则:

(1 )在每个县能部署地球站的“位置”不超过三个。其中,“位置”指的是,发射地球站在地平面以上10米处产生的功率流密度( PFD )不超

过-77.6dbm/m2/mhz的区域,或者接收地球站周围没有地面业务的自定义保护区。

(2)申请人需要证明其地球站周围的干扰区域并没有覆盖所在区域的一定范围人口。其中,不同人口密度的区域采取不同的人口范围限制。详细

划分见表2。

(3)申请人需要证明其干扰区域不会影响任何重大事件场所,例如洲际公路、高速公路等。FCC要求卫星地面业务双方合作避免影响重大事件场所。

(4)如果地球站需要部署在UMFUS执照持有者的县内,申请人必须与其按照程序协调运作。2.3.2 卫星接收端的集总干扰分析

第二个必须考虑的问题是卫星接收端的集总干扰。大量地面基站会对卫星造成集总干扰,从而降

低卫星的性能。FCC认为28GHZ频段的集总干扰上升到有害干扰水平的可能性不大,因此拒绝对地面基站集总功率建立任何限制门限。其原因如下:

(1)卫星业务是28GHZ频段内次级业务。如果发现将要确立的卫星业务会受到地面业务的严重干扰,应立即取消该业务的指配。

(2 )并无证据表明卫星接收到的集总干扰产

生了严重的有害影响。LMDS执照最大授权功率为 85dbm,而UMFUS执照最大授权功率为75DBM。

由于过去并没有发生集总干扰影响卫星运行的情

况,FCC认为更低的功率更不会带来不利影响。

(3)大多数毫米波传输可能不会出现在有卫星视线的环境中。据估计,多达80%的智能手机使

用在室内,其余大部分用于车内。

2.4 频段安排

美国FCC在最新频率划分表上公布了28GHZ频

段的使用详情,联邦并没有使用该频段,非联邦在

该频段有着固定、卫星以及移动授权,如表3所示:

表3 28GHZ美国频率划分表

FCC提议将28GHZ频段授权为两个425MHZ带宽的分区,其认为425MHZ的带宽足以提供高传输速率服务以及此频段预期的创新应用。FCC强调现有的LMDS执照持有者将保留其两个频段分区的使用权。

3 26GHZ频段(24.25GHZ-27.5GHZ)

26GHZ频段分为两个部分, 24GHZ频段和25.25GHZ-27.5GHZ频段。其中, 24GHZ频段指的是24.25GHZ-25.25GHZ频段。24GHZ频段是第二次执行公告的重点内容。它公布了授权机制、卫星业务、性能指标、频段安排以及频谱拍卖规定。第三次公告则进行了补充,同时向运营商征求

25.25GHZ-27.5GHZ频段规划意见。

3.1 背景综述

在美国24GHZ频段分为两个部分——“下

段”24.25GHZ-24.45GHZ 和“上段”24.75GHZ25.25GHZ。目前,非联邦固定业务应用于“下段”,而非联邦固定卫星业务应用于“上段”。经分析,FCC发现24GHZ频段适合移动业务,因此决定批准移动业务。但全球至少有八个国家准备批准地面移

动业务于26GHZ频段。因此,国际上要求美国考虑

25.25GHZ-27.5GHZ频段是否适合地面业务。

设备制造商表示能够实现25.25GHZ-27.5GHZ频段的整合,使得新授权频段与先前频段共享设

备。此外,该频段有着更好的覆盖特性。因此,FCC

决定积极响应国际号召,将26GHZ频段应用于固定和移动业务。不久前FCC新文件《THE FCC䦦s 5G Fast Plan》,进一步加强这一块工作。

3.2 授权机制

FCC选择在24GHZ频段上实施地理区域许可

标准,因为可以为执照持有者灵活地提供各种服务且与先前采用的授权机制保持一致。FCC采用PEA作为24GHZ频段授权区域单位,原因如下:

(1)可以与现有的39GHZ频段保持一致,协调

各频段的监管环境,简化各频段的设备开发和服务部署。

(2)执照持有者能灵活地购买目标区域。在对

较大区域感兴趣时,其可以购买多个单元进行组合;在对较小区域感兴趣时,分区是一种可行方案。

而对于25.25GHZ-27.5GHZ频段,目前FCC并没

有明确授权方案,而是向广大运营商征求意见,是否采取地理许可标准授权机制或其他授权机制。3.3 24GHZ频段卫星业务

先前美国频率划分表规定, 24.75GHZ25.05GHZ频段中广播卫星业务(BSS)的馈线链路优先于其他卫星业务,25.05GHZ-25.25GHZ频段仅用于BSS馈线链路。

但FCC发现,更多的卫星业务可以与移动业务共存,因此提议在24GHZ的“上段”授权更广泛的FSS业务。FCC通过修改有关规定,为FSS业务提供

了更大的灵活性。例如取消附录中轨道位置限制。

24GHZ频段下地球站部署同样需要满足规定,

具体而言,有以下两点:地球站周围的干扰区域需要满足总人口限制;区域内的地球站需要满足数量限制。

此外,地面基站对卫星接收端的集总干扰可能是该频段的一个问题。但并没有证据表明这种干扰严重影响了卫星运行,因此FCC没有采取任何措施来限制集总干扰。但FCC表明,将添加规划表中的

有关内容,以明确卫星业务与移动业务之间的相对干扰保护义务。

3.4 24GHZ频段性能指标

为了适应物联网类型部署, FCC决定采用UMFUS许可的地理区域度量指标,其包含在执照 持有者现有绩效指标列表中。执照持有者需要展示

其地理区域至少25%的移动服务覆盖,同时其设备

必须正在为私人,内部或非附属客户提供服务。

FCC强调,此地理区域指标是执照持有者的另

一种选择。如果部署物联网系统的执照持有者发现现有的移动或固定指标更适合需求,可以采用其

指标。FCC认为设计基于使用情况的指标还为时过早,但为UMFUS执照持有者提供一些额外指标可

使其获得更大的灵活性。

3.5 频段安排

美国FCC在最新频率划分表上公布了24GHZ

频段的使用详情,联邦与非联邦均在该频段授权了

不同业务,如表4所示:

24GHZ频段将被授权为多个100MHZ带宽分区。“下段”被授权为两个100MHZ带宽的分区,而“上段”被授权为五个100MHZ带宽的分区。这种分区方式有助于开发UMFUS频段各种用途,支持各种创新服务。执照持有者也可通过聚合多个

100MHZ带宽来获得更大的带宽。

对于25.25GHZ-27.5GHZ频段,考虑到采用

100MHZ带宽方案会提供更大的灵活性,而采用200MHZ带宽方案会降低消费者的交易成本,因此FCC并没有明确该频段使用何种方案授权,而是向

运营商们寻求最合适的授权方案。

3.6 频谱拍卖规定

美国采取拍卖的政策将5G频谱分配给各大运营商。但出于对恶意竞争的担忧,美国FCC先前提议在28GHZ、37GHZ和39GHZ频段的频谱数量上建立1250MHZ的拍卖前限制。不过在运营商的反馈意见中,FCC发现这一限制不利于拍卖者购买5G频段,阻碍了5G服务的发展。于是FCC取消了5G频

谱拍卖的数量限制,但决定拍卖后对各个拍卖者进

行审查。FCC根据实际情况允许或拒绝拍卖者获取

新的频段,这不仅可以解决恶意竞争,同时保证了

拍卖者灵活地选择新的目标频段。FCC最终决定24GHZ、28GHZ、37GHZ、39GHZ和47GHZ频段拍卖均采用事后审查方案。

4 结束语

在经过三份美国5G规划报告的发布后,美国最

终确立了详细有序的5G频率规划。通过分析这三份报告中的28GHZ与26GHZ频段规划,本文发现,美

国频谱规划有以下特点:

(1)注重公共利益,协调各运营商利益共同发展。从报告中可看出,美国FCC认真听取各大运营

商的反馈意见,在不影响公共利益的前提下,分析并采纳合理的意见协调运营商的不同利益,谋求共同发展。

(2)注重频段间不同业务共同发展。美国FCC

对卫星业务和地面业务共存进行分析,希望在互不干扰的情况下,两种业务都能给公众带来利益。

(3 )注重考虑当前非执照运营商利益。美国

FCC希望新颁布的频谱政策不是损害而是维护现有者的利益,比如28GHZ频段中,对原有的LMDS执

照持有者直接赠予新机制的移动业务运营执照。

(4)注重充分利用频谱资源。事后审查的策略保证了频谱资源落在了最需要的运营商手里,同时性能指标则要求了其充分利用频谱资源加快5G部署。■

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图1 考虑、拍卖或授予5G系统24.25GHZ-29.5GHZ的国家

图2 28GHZ与26GHZ频段规划工作进度图

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