论文部分内容阅读
我们聊了太多关于5G的话题。突然发现。在5G这个众所周知的名词之外很多人其实还有很多并不了解的故事。比如有关频段的话题。我们知道。5G可使用6GHz以下的中低频段进行中长距离通信。短波频率则可使用24GHz以上的毫米波进而提供高带宽通信服务。根据5G的预期承诺。能实现支持高达10 Gb/5的高吞吐量通信以及低至1-4ms的延迟。同时。在吸收性方面。无线信号可能会被墙壁、树叶或空气等吸收。而光纤电缆中的光束可能会被光纤玻璃芯中的微小缺陷吸收。当携带信号的光子被这些环境中的障碍物吸收时。会出现信号变弱、不稳定的情况……那么5G到底是如何解决或者规避这些问题呢？靠频段。
频段是个熟悉而又陌生的东西
稍有物理知识的人都知道。信息传递都需要媒介。而数字信号也是一系列的信息符号，在选择信息传输渠道时便需要权衡取舍。模拟无线电是通过无线电波“空中”传输的，它可以在长距离的各个方向上承载简单的信号。互联网的骨干网在使用光纤电缆中以引导光波在远距离传输大量信息中，需要建造和安装大量的电缆，因此其主要存在昂贵的成本问题。
由于不同的通道以承载不同频率的EM波，通道可以承载的频率范围称为其带宽。带宽的计算简单地是从最大值中减去通道可以承载的最小频率。范围从0到1000 Hz的信道具有1.000 Hz的可用带宽，而范围从100.000到101.000 Hz的信道具有相同的带宽。带宽有助于确定一个信道可以发送多少信息，因此更多的带宽也就意味着更多的信息容量。
在给定固定数一的带宽和恒定信噪比的情况下。信道可以承载的信息吞吐量有理论上的限制。著名的香农-哈特利定理（通常称为香农极限）给出了其极限定式。这里我们不想解释数学定理，直截了当地说，香农定理告诉大众，更多的带宽意味着更多的容量。更好的信噪比也是如此。如果信道的带宽和信号功率是固定的，那么噪声越大意味着容量越小。香农定理使我们可以利用某种介质的物理特性。例如铜线或光纤，能快捷的计算出我们可能会挤出多少的容一，即使目前的手段还不能实现也能给出计算上的结果。
通常而言，信号传播的距离越长，信号功率因衰减而变得越弱。根据香农定理，这降低了SNR。并降低了信号可以携带的全部信息。因此，在不知道信号会走多远的情况下就不可能谈论信道的容量。无线宽带解决了与有线和光纤等有线技术根本不同的问题。有线技术可将服务提供到固定地点。例如家庭或企业端。无线技术通过空中向移动设备提供数据服务，这是向大型公共区域提供灵活的宽带服务的唯一方法。
在过去的几十年中，无线和有线宽带技术在互联网生态系统中和谐共存。但是。5G的出现，很可能让无线宽带能够直接与有线宽带展开全新的竞争，甚至会完全替代有线宽带。
无线互联网的部署还受到有线系统不受限制的约束。低频无线信号的应用中，例如AM/FM广播和广播电视。可以不成问题地穿过树木、建筑物和露天区域等环境。由于较高的频带具有更多的带宽，通常可携带更多的信息。
只不过。高频信号也更容易被吸收和散射，从而限制了它们可以传输的距离。虽然2.4 GHz WiFi可以穿过墙壁，但5GHz WiFi便会面临穿透性差的问题、据悉。下一代Wi-Fi技术称为是WiGig，它利用高达60GHz的频带。在该频率下，60GHz路由器将最适合附近的视线通信。
我们熟悉的4G是通过在700 MHz和2.6GHz频段之间进行运行，可以为距离较远的农村乡镇的设備提供服务。从技术上讲，4G系统应该能够为低移动性设备提供1 Gb/s的下载速度。但是。在现实世界中。大多数运营商提供的速度实际为下行10～50 Mb/s。上行3-20 Mb/S。
5G有望在吞吐量和延迟方面比4G有所改善。对于长距离链路。5G将使用4G当前使用的相同频谱，例如介于700 MHz和4 GHz之间。天线和编码技术的改进将使载波能够更好地利用相同频谱。在吞吐量方面，长距离5G可能不是迈出的重大一步：低于6GHz 5G部署的测试发现，在最佳情况下它能够达到数百Mb/s的速度。
除了重新使用4G频谱外，5G还将支持26GHz及更高频率的“毫米波（mmWave）”频率。更高频率的频道很有吸引力，因为它们提供了更多可用带宽。因此可以支持更高的最大吞吐量。使用mmWave频谱，5G发射机将能够提供更好的传输速度，在最佳条件下最大可达1到10 Gb/s。只不过。由于毫米波信号的频率比传统的蜂窝信号高得多。因此它们遭受的吸收和散射要大得多。毫米波信号无法穿过大多数墙壁。茂密的树叶甚至还会受恶劣的天气影响。此外即使在晴朗的条件下。它们的功耗也比6 GHz以下的信号快得多。这意味着mmWave不能很好地用于室外到室内的通信、mmWave发射器将更像Wi-Fi可以为较小的开放区域提供服务，暂不能成为4G的现成替代品。
5G毫米波频段的“波拆”
2019年底的时候，5G的毫米波频谱之争终于可以暂告一段落。ITU最终为5G毫米波频段“扩容”，具体包括24.25-225GHz、37-43.5GHz、45.5-47GHz-47.2-48.2GHz和66～lGHz。
如果要完全释放5G所有潜力，中长期来看，毫米波对中国5G的发展是很重要的。
毫米波对5G发展的重要性不可言喻。在5G网络领域，可以利用毫米波无线电频谱为5G网络提供所需要的带宽。以满足高速的移动网络需求。所以5G的毫米波频谱之争也会更加激烈。有业内观点认为。从2020年到2034年。在15年的时间里。对毫米波频谱资源的利用有望推动全球GDP增长5650亿美元。
无论是5G毫米波频段的确定，还是国际规则的修改。乃至保护措施的制定，其结果将对数万亿美元的信息通信技术产业产生深远影响。所以，5G毫米波议题是世界各国以及国际组织关注的重中之重。 早在2019年世界无线电通信大会（WRC-19）的国际条约会议上，来自190多个国家的3000名代表将开会决定5G频谱如何使用，也成为他们相互博弈的主要战场。
大会召开前夕，GSMA及其董事会代表全球移动产业，在一封发向全球170个国家的政府部长和监管机构负责人的公开信中。呼吁各国政府在WRC-19上支持移动频谱的规划。经过多轮激烈博弈。ITU最终为5G毫米波频段“定音”。确定了更多的频段，包括24.25-27.5GHz、37-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-48.2GHz和66-71GHz。
同时，大会为了适当保护上述频段的地球探测卫星业务采取了相应措施。大会形成的新决议指出，IMT的超低时廷和高比特率应用需要比之前更大的连续频段.为了促进5G全球漫游和规模经济效益得到最大程度的释放，需要在全球范围内采用统一的IMT顶段。
事实上，我国关于5G毫米波的技术研究早已开启。如IMT-2020（5G）推进组将统筹规划、分阶段推进，对毫米波试验的工作大体分为三个阶段。之前有报道称，2019年重点验证5G毫米波关键技术和系统特性，而2020年重点验证毫米波基站和终端的功能、性能和互操作：2020到2021年开展典型场景验证。
实际上，我国整个毫米波测试进展比原来预期的计划大大提前，诺基亚贝尔率先完成了整个毫米波的功能射频和外场性能测试。截止到2019年10月底。华为、中兴、诺基亚贝尔三家系统厂家全部完成了今年预计的测试工作，完成了毫米波关键技术测试的主要功能、设计和外场性能测试，实现了毫米波的主要关键技术，开展了毫米波射频的测试，支撑了我国毫米波规划工作。要知道，毫米波由于频段很高，很多测试方法都会跟以往不一样。所以通过在试验当中来研究5G毫米波的测试技术，以制定相应的方法。开发毫米波射频功能和系统。构建NSA-SA的毫米波试验环境。是目前我们工作的重心。
题外话，关子“N79频段”的狭隘言论
聊到频段的话题，最近有件事也“很有趣”，那就是“广电获取的N79频段将会使得市面上多款5G手机无法使用”的传言。这个传言本身是可笑的。
我们知道。中国广电获得了工信部颁发的4.9GHz频段（N79）5G试验频率使用许可，让中国市场拥有了三张5G网，中国移动一张。中国电信和中国联通共享一张以及中国广电一张。也让5G市场玩家更多，也让5G市场有了更多可能。
但是。对于市面上多款5G手机无法使用无法使用中國广电获取的相关4.9GHz频段（N79）5G试验频率的言论，确实有些狭隘。首先，目前5G基站尚且未打开N79频段，N41频段和N78频段是主流频段。中国联通和中国电信用的是N78频段。而中国移动用的是N41和N79频段，而且中国移动的N79频段的5G基站还没有开始建设，只仅仅支持N41频段。并且也会成为中国移动未来数年内的核心频段，因此5G手机支持N79频段也没有什么用。对于的N79频段。行业普通看法是“未来几年难以落地”。覆盖范围小、穿障能力弱，使得必须运营商必须建设更密集的高频基站，成本也高。短时间无法实现完全覆盖。
不过。中国广电与国家电网合力建设5G基站，但当前三大运营商几乎已经瓜分了用户。饱和的用产市场让中国广电渗入其中十分艰难。这，才是广电的核心难题，而不是“N79频段”的问题。
共建共享是国家政策所倡导。中国电信和中国联通已经走在前，难保中国移动和中国广电不走在后。这样一来。国内5G格局将发生大变化。四家获得5G牌照的企业，变成了两大阵营。现在。影响格局变化的关键因素在于中国广电，虽然它本身力一不强，但是它处于重要支点上。不排除中国广电会牵手多家合作伙伴，解决站址、电力以及资金难题，并尽快推动700MHz、4.9GHz产业链的成熟。
后记
频段，本身是技术的范畴，而不是市场的决定因素。随着5G商用步伐进一步加快。5G新业务应用带动移动数据使用量飞速增长，增强型移动宽带业务和固定无线宽带业务以及智慧城市、工业制造等行业应用加速了移动数据使用量的激增。作为移动通信技术发展的核心资源。频谱资源是宝贵而且稀缺的，频谱规划是产业的起点。也将在很大程度上决定产业的发展方向、节奏和格局。
频段是个熟悉而又陌生的东西
稍有物理知识的人都知道。信息传递都需要媒介。而数字信号也是一系列的信息符号，在选择信息传输渠道时便需要权衡取舍。模拟无线电是通过无线电波“空中”传输的，它可以在长距离的各个方向上承载简单的信号。互联网的骨干网在使用光纤电缆中以引导光波在远距离传输大量信息中，需要建造和安装大量的电缆，因此其主要存在昂贵的成本问题。
由于不同的通道以承载不同频率的EM波，通道可以承载的频率范围称为其带宽。带宽的计算简单地是从最大值中减去通道可以承载的最小频率。范围从0到1000 Hz的信道具有1.000 Hz的可用带宽，而范围从100.000到101.000 Hz的信道具有相同的带宽。带宽有助于确定一个信道可以发送多少信息，因此更多的带宽也就意味着更多的信息容量。
在给定固定数一的带宽和恒定信噪比的情况下。信道可以承载的信息吞吐量有理论上的限制。著名的香农-哈特利定理（通常称为香农极限）给出了其极限定式。这里我们不想解释数学定理，直截了当地说，香农定理告诉大众，更多的带宽意味着更多的容量。更好的信噪比也是如此。如果信道的带宽和信号功率是固定的，那么噪声越大意味着容量越小。香农定理使我们可以利用某种介质的物理特性。例如铜线或光纤，能快捷的计算出我们可能会挤出多少的容一，即使目前的手段还不能实现也能给出计算上的结果。
通常而言，信号传播的距离越长，信号功率因衰减而变得越弱。根据香农定理，这降低了SNR。并降低了信号可以携带的全部信息。因此，在不知道信号会走多远的情况下就不可能谈论信道的容量。无线宽带解决了与有线和光纤等有线技术根本不同的问题。有线技术可将服务提供到固定地点。例如家庭或企业端。无线技术通过空中向移动设备提供数据服务，这是向大型公共区域提供灵活的宽带服务的唯一方法。
在过去的几十年中，无线和有线宽带技术在互联网生态系统中和谐共存。但是。5G的出现，很可能让无线宽带能够直接与有线宽带展开全新的竞争，甚至会完全替代有线宽带。
无线互联网的部署还受到有线系统不受限制的约束。低频无线信号的应用中，例如AM/FM广播和广播电视。可以不成问题地穿过树木、建筑物和露天区域等环境。由于较高的频带具有更多的带宽，通常可携带更多的信息。
只不过。高频信号也更容易被吸收和散射，从而限制了它们可以传输的距离。虽然2.4 GHz WiFi可以穿过墙壁，但5GHz WiFi便会面临穿透性差的问题、据悉。下一代Wi-Fi技术称为是WiGig，它利用高达60GHz的频带。在该频率下，60GHz路由器将最适合附近的视线通信。
我们熟悉的4G是通过在700 MHz和2.6GHz频段之间进行运行，可以为距离较远的农村乡镇的设備提供服务。从技术上讲，4G系统应该能够为低移动性设备提供1 Gb/s的下载速度。但是。在现实世界中。大多数运营商提供的速度实际为下行10～50 Mb/s。上行3-20 Mb/S。
5G有望在吞吐量和延迟方面比4G有所改善。对于长距离链路。5G将使用4G当前使用的相同频谱，例如介于700 MHz和4 GHz之间。天线和编码技术的改进将使载波能够更好地利用相同频谱。在吞吐量方面，长距离5G可能不是迈出的重大一步：低于6GHz 5G部署的测试发现，在最佳情况下它能够达到数百Mb/s的速度。
除了重新使用4G频谱外，5G还将支持26GHz及更高频率的“毫米波（mmWave）”频率。更高频率的频道很有吸引力，因为它们提供了更多可用带宽。因此可以支持更高的最大吞吐量。使用mmWave频谱，5G发射机将能够提供更好的传输速度，在最佳条件下最大可达1到10 Gb/s。只不过。由于毫米波信号的频率比传统的蜂窝信号高得多。因此它们遭受的吸收和散射要大得多。毫米波信号无法穿过大多数墙壁。茂密的树叶甚至还会受恶劣的天气影响。此外即使在晴朗的条件下。它们的功耗也比6 GHz以下的信号快得多。这意味着mmWave不能很好地用于室外到室内的通信、mmWave发射器将更像Wi-Fi可以为较小的开放区域提供服务，暂不能成为4G的现成替代品。
5G毫米波频段的“波拆”
2019年底的时候，5G的毫米波频谱之争终于可以暂告一段落。ITU最终为5G毫米波频段“扩容”，具体包括24.25-225GHz、37-43.5GHz、45.5-47GHz-47.2-48.2GHz和66～lGHz。
如果要完全释放5G所有潜力，中长期来看，毫米波对中国5G的发展是很重要的。
毫米波对5G发展的重要性不可言喻。在5G网络领域，可以利用毫米波无线电频谱为5G网络提供所需要的带宽。以满足高速的移动网络需求。所以5G的毫米波频谱之争也会更加激烈。有业内观点认为。从2020年到2034年。在15年的时间里。对毫米波频谱资源的利用有望推动全球GDP增长5650亿美元。
无论是5G毫米波频段的确定，还是国际规则的修改。乃至保护措施的制定，其结果将对数万亿美元的信息通信技术产业产生深远影响。所以，5G毫米波议题是世界各国以及国际组织关注的重中之重。 早在2019年世界无线电通信大会（WRC-19）的国际条约会议上，来自190多个国家的3000名代表将开会决定5G频谱如何使用，也成为他们相互博弈的主要战场。
大会召开前夕，GSMA及其董事会代表全球移动产业，在一封发向全球170个国家的政府部长和监管机构负责人的公开信中。呼吁各国政府在WRC-19上支持移动频谱的规划。经过多轮激烈博弈。ITU最终为5G毫米波频段“定音”。确定了更多的频段，包括24.25-27.5GHz、37-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-48.2GHz和66-71GHz。
同时，大会为了适当保护上述频段的地球探测卫星业务采取了相应措施。大会形成的新决议指出，IMT的超低时廷和高比特率应用需要比之前更大的连续频段.为了促进5G全球漫游和规模经济效益得到最大程度的释放，需要在全球范围内采用统一的IMT顶段。
事实上，我国关于5G毫米波的技术研究早已开启。如IMT-2020（5G）推进组将统筹规划、分阶段推进，对毫米波试验的工作大体分为三个阶段。之前有报道称，2019年重点验证5G毫米波关键技术和系统特性，而2020年重点验证毫米波基站和终端的功能、性能和互操作：2020到2021年开展典型场景验证。
实际上，我国整个毫米波测试进展比原来预期的计划大大提前，诺基亚贝尔率先完成了整个毫米波的功能射频和外场性能测试。截止到2019年10月底。华为、中兴、诺基亚贝尔三家系统厂家全部完成了今年预计的测试工作，完成了毫米波关键技术测试的主要功能、设计和外场性能测试，实现了毫米波的主要关键技术，开展了毫米波射频的测试，支撑了我国毫米波规划工作。要知道，毫米波由于频段很高，很多测试方法都会跟以往不一样。所以通过在试验当中来研究5G毫米波的测试技术，以制定相应的方法。开发毫米波射频功能和系统。构建NSA-SA的毫米波试验环境。是目前我们工作的重心。
题外话，关子“N79频段”的狭隘言论
聊到频段的话题，最近有件事也“很有趣”，那就是“广电获取的N79频段将会使得市面上多款5G手机无法使用”的传言。这个传言本身是可笑的。
我们知道。中国广电获得了工信部颁发的4.9GHz频段（N79）5G试验频率使用许可，让中国市场拥有了三张5G网，中国移动一张。中国电信和中国联通共享一张以及中国广电一张。也让5G市场玩家更多，也让5G市场有了更多可能。
但是。对于市面上多款5G手机无法使用无法使用中國广电获取的相关4.9GHz频段（N79）5G试验频率的言论，确实有些狭隘。首先，目前5G基站尚且未打开N79频段，N41频段和N78频段是主流频段。中国联通和中国电信用的是N78频段。而中国移动用的是N41和N79频段，而且中国移动的N79频段的5G基站还没有开始建设，只仅仅支持N41频段。并且也会成为中国移动未来数年内的核心频段，因此5G手机支持N79频段也没有什么用。对于的N79频段。行业普通看法是“未来几年难以落地”。覆盖范围小、穿障能力弱，使得必须运营商必须建设更密集的高频基站，成本也高。短时间无法实现完全覆盖。
不过。中国广电与国家电网合力建设5G基站，但当前三大运营商几乎已经瓜分了用户。饱和的用产市场让中国广电渗入其中十分艰难。这，才是广电的核心难题，而不是“N79频段”的问题。
共建共享是国家政策所倡导。中国电信和中国联通已经走在前，难保中国移动和中国广电不走在后。这样一来。国内5G格局将发生大变化。四家获得5G牌照的企业，变成了两大阵营。现在。影响格局变化的关键因素在于中国广电，虽然它本身力一不强，但是它处于重要支点上。不排除中国广电会牵手多家合作伙伴，解决站址、电力以及资金难题，并尽快推动700MHz、4.9GHz产业链的成熟。
后记
频段，本身是技术的范畴，而不是市场的决定因素。随着5G商用步伐进一步加快。5G新业务应用带动移动数据使用量飞速增长，增强型移动宽带业务和固定无线宽带业务以及智慧城市、工业制造等行业应用加速了移动数据使用量的激增。作为移动通信技术发展的核心资源。频谱资源是宝贵而且稀缺的，频谱规划是产业的起点。也将在很大程度上决定产业的发展方向、节奏和格局。