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从WRC-19议题看5G与未来移动通信发展趋势

[日期:2016-10-26] 来源:光电缆网 作者:ti8赞助商雷竞技 阅读:1506次 [字体: ]

1 引言


在全球4G商用方兴未艾之时,5G研究工作呈加快发展的趋势。2016年1月,工业和信息化部启动了5G研发试验,并将试验分为2016—2018年的技术研发试验阶段和2018—2020年的产品研发阶段,旨在推动全球统一标准的制定和5G研发的产业化进程。美国、欧盟、日本、韩国等国家和地区纷纷提出5G试验计划和商用时间表,力争引领全球5G标准与产业发展。

在标准化方面,5G工作主要在ITU的框架下开展。自2012年以来,ITU启动了5G愿景、未来技术趋势和频谱等标准化前期研究工作,2015年6月,ITU-R 5D完成了5G愿景建议书[1],明确5G业务趋势、应用场景和流量趋势,提出5G系统的8个关键能力指标,并制定了总体计划:2016年初启动5G技术性能需求和评估方法研究,2017年底启动5G候选提案征集,2018年底启动5G技术评估和标准化,并于2020年底完成标准制定[2,3]。2015年7月,ITU-R SG5确认将“IMT-2020”作为唯一的5G候选名称上报至2015年无线电通信全会(RA 15)审批通过,会议规定了后续开展IMT-2020技术研究所应当遵循的基本工作流程和工作方法[4]。技术评估工作主要在ITU-R 5D中开展,而有关5G频率则通过世界无线电通信大会(world radio communication conference,WRC)相关议题研究确定。

2015年11月,WRC-15大会在瑞士日内瓦召开,大会涉及40多个议题,反映了全球无线电技术、业务发展的现状,体现了无线电频谱资源开发利用的新趋势。针对IMT新增全球统一的频率划分议题,最终,1 427 ~1 518 MHz成为IMT新增的全球统一频率,部分国家以脚注的方式标注470~694/698 MHz、3 300~3 400 MHz、3 400~3 600 MHz、3 600~3 700 MHz、4 800~4 990 MHz频段用于IMT,这些频段成为5G部署的重要频率[5]。同时,为适应全球ICT的发展趋势,在WRC-19研究周期内,设立了高频段、智能交通、机器类通信、无线接入系统等一系列研究课题,这些课题有的与5G用频直接相关,有的则与5G应用相关,因此,在5G研究周期内,WRC-19议题研究工作的开展十分重要。

本文将分析移动通信的发展与历届WRC的关系,并依据5G应用场景分析5G与WRC-19相关议题的关系,重点分析相关议题的现状及未来发展趋势。


2 WRC与移动通信发展


WRC[6]是ITU成员国审议无线电频率和卫星轨道资源的划分和使用规则,修订国际电信联盟《无线电规则》,立法规范无线电频谱和卫星轨道资源使用的国际会议,每3~4年召开一次。1993年之前,它被称作世界无线电行政会议(world administrative radio conference, WARC)。由于在1992年瑞士日内瓦举行的一次委员会上,国际电信联盟重组,这个会议随后被称为WRC。大会议题的大致范围一般提前4~6年确定,最终由理事会在大会前两年确定,而《无线电规则》的修订是基于WRC议题讨论结果决定的。WRC有关决议和最终结果将直接关系到各国无线电频谱和卫星轨道资源的使用权益,影响到通信、广播电视、航空、航天、气象、海洋、交通、空间遥感探测、卫星导航定位、雷达等无线电业务的发展,涉及各国核心利益。WRC结构关系如图1所示。从图1可以看出,WRC对整个ITU工作的开展具有前瞻性和指导性,对相关行业的发展意义重大。

对于公共移动通信而言,WRC成果也贯穿其发展历程,特别是对于致力于全球标准统一的3G和4G系统。图2为公共移动通信和相关WRC议题成果的历程。从发展历程来看,基本每10年会出现一次技术的革新,而大约每隔8年WRC会进行一次重大的移动通信相关频谱的划分,两者的历程是充分契合的。例如WARC-92确定了3G(主要是UMTS)的频谱;WRC-2000扩展了3G频谱;WRC-07确定了4G频谱;WRC-15扩展了4G频谱,确定了5G部分频谱;WRC-19则将扩展5G高频段频谱。世界主要国家也在此基本框架下,根据本国使用现状和移动通信发展趋势,使用上述频段部署系统。例如,我国3G系统部署主要依托于WARC-92和WRC-2000确定的频谱;4G系统部署主要依托于WRC-2000和WRC-07确定的频谱。WRC确定的频谱数量呈现增长趋势,反映了公共移动通信的快速发展对频率资源的需求在不断增长。而相比于历史上每两届WRC为移动通信进行一次频率划分,连续在WRC-15和WRC-19设立为移动通信寻找频率划分的议题,反映了未来5G对频率资源的迫切需求。


3 WRC-19相关议题分析


为扩展IMT特别是5G系统高频段频率资源(6 GHz频段以上),设立了WRC-19 1.13议题。同时,WRC-19还设立了智能交通、机器类通信、5 GHz频段无线接入系统等议题,这些议题虽然不直接与5G用频相关,但也是5G拓展和应用的重要方向[7,8]。


3.1 5G场景分析


相对于以往的历代移动通信系统,5G不仅满足人和人之间的通信,还将渗透到社会的各个领域,以用户为中心构建全方位的信息生态系统。由于5G需要满足人与人、人与物、物与物的信息交互,应用场景将更加复杂和精细化。为此,我国于2014年发布《5G愿景与需求》[9],定义了连续广域覆盖场景、热点高容量场景、低时延高可靠场景、低功耗大连接场景4类主要应用场景。2015年6月,ITU-R 5D完成了5G愿景建议书,定义5G系统将支持增强的移动宽带、海量的机器间通信及超高可靠和超低时延通信三大类主要应用场景,ITV定义的5G主要应用场景如图3所示。总体而言,两者分类是一致的,均可分为移动互联网和物联网两大类场景,下述的WRC-19相关议题也从此角度进行分类。


3.2 WRC-19相关议题背景及内容


3.2.1 移动互联网相关议题背景及内容


(1)议题1.13

为实现5G愿景中增强型移动宽带系统支持10~20 Gbit/s的峰值速率、100 Mbit/s~1 Gbit/s的用户体验速率的需求,原有低频段的带宽资源已远远不能满足其要求,而考虑到在高频段范围内寻找连续大带宽比在低频段内寻找具有更大的可能性。为此,经过WRC-15的多轮讨论和协调,根据大多数国家和组织的意愿,会议通过了WRC-19 1.13议题。

WRC-19 1.13议题:根据第238号决议(WRC-15),审议为国际移动通信(IMT)的未来发展确定频段,包括为作为主要业务的移动业务做出附加划分的可能性。具体工作包括频谱需求和候选频段两方面。

频谱需求

在WRC-19之前开展并及时完成适当的研究,以确定在24.25~86 GHz频率范围内IMT地面部分的频谱需求,同时顾及以下方面:

· 此频率范围内操作的地面IMT系统的技术和操作特性,包括通过技术进步和高效频谱技术实现的IMT演进;

· 为IMT-2020系统设想的部署方案以及对高密度城区和/或高峰时间段内高数据流量的相关要求;

· 发展中国家的需求;

· 需要频谱的时间表。

候选频段

在WRC-19之前为以下频段开展并及时完成适当的共用和兼容性研究(酌情考虑邻频),并同时考虑对这些频段内主要业务提供保护,这些频段具体如下。

· 具有移动业务为主要业务划分的各频段:24.25~27.5 GHz、37~40.5 GHz、42.5~43.5 GHz、45.5~47 GHz、47.2~50.2 GHz、50.4~52.6 GHz、66~76 GHz 和 81~86 GHz。

· 可能需要提供移动业务作为主要业务附加划分的各频段:31.8~33.4 GHz、40.5~42.5 GHz和47~47.2 GHz。具体频段分布情况如图4所示。

(2)议题1.16和议题9.1.5

在WRC-15 1.1议题中,美国提出了扩展5 GHz频段(5 350~5 470 MHz频段和5 725~5 850 MHz频段)用于无线接入系统,但JTG 4-5-6-7研究结果表明,现有的干扰缓解技术无法确保RLAN(无线局域网)系统不对无线电定位业务、卫星地球探测等业务产生干扰,在WRC-15上并未通过。为此,美国在WRC-15议题10中提出了研究5 150~5 925 MHz频段用于包括RLAN在内的无线接入系统(WAS)的新议题(WRC-19 1.16议题),获得通过。同时,为考虑该频段WAS与现有业务的兼容性问题,设立了WRC-19 9.1.5议题。上述两个议题虽然不是直接属于5G应用范畴,但是考虑到在全球IMT系统提出了使用非授权频段(特别是5 GHz频段),也是需要重点考虑的。议题内容如下。

WRC-19 1.16议题:根据239号决议,审议5 150~5 925 MHz频段内包括无线局域网在内的无线接入系统(WAS/RLAN)的相关问题,并采取适当规则行动,包括移动业务做出的附加频谱划分。具体如下:

· 研究WAS/RLAN在5 GHz频率范围的技术特性和操作要求;

· 开展研究以便确定可能的WAS/RLAN缓解技术,从而促进与5 150~5 350 MHz、5 350~5 470 MHz、5 725~5 850 MHz和5 850~5 925 MHz内现有业务的共用,同时确保对现有业务(其中包括现有和规划中的使用)的保护;

· 开展有关5 150~5 350 MHz 频段内WAS/RLAN应用和现有业务之间的共用和兼容性研究,探究实现WAS/RLAN室外操作的可能性,包括可能的相关条件;

· 进一步开展WAS/RLAN应用同现有业务之间的共用和兼容性研究。

WRC-19 9.1.5议题:根据第764号决议,审查在《无线电规则》[10]第5.447F和5.450A款中引证的ITU-R M.1638-1[11]和M.1849-1[12]建议书的技术和规则的影响。

· 研究在脚注5.447F 和5.450A中,将引证的ITU-R M.1638-0建议书替换为ITU-RM.1638-1建议书对上述脚注中所述业务的技术和规则影响,同时确保不给这些脚注中引用的业务施加不必要的限制。

· 研究在脚注5.447F和5.450A中,增加一项新的对ITU-R M.1849-1建议书的引证对上述脚注中所述业务的技术和规则影响,同时确保不给这些脚注中引用的业务施加不必要的限制。


3.2.2 物联网相关议题背景及内容


(1)议题1.12

本议题是由日本在APG15-4会议上首先提出的,旨在全球范围内统一ITS频率,并提出了相应的决议草稿。日本认为,考虑到ITS技术广泛应用以及人们对安全驾驶需求的不断增加,有必要从全球范围上协调统一ITS的频率,从而更好地实现跨境货物、观光等运输,推进ITS通信设备在交通工具制造时实现生产线上的预安装制造,以便向全球各地销售。议题内容如下。

WRC-19 1.12议题:根据第237号决议,在现有移动业务的划分下,尽可能实施演进的智能交通系统,考虑可能的全球区域统一频段。

(2)议题9.1.8

在ITU-R M.1036建议书[13]的 694~790 MHz频段的频率安排方案中,部分方案涉及机器类通信的频率配置。为此,ASMG(阿拉伯频谱管理组)提出建立物联网新议题的需求,致力于实现全球一致化频率。

WRC-19 9.1.8议题:根据第958号决议,研究无线网络和系统技术与操作问题及频谱要求,其中包括为支持实施窄带和宽带机器类通信基础设施统一使用频谱的可能性,并酌情制定建议书、报告书和/或手册,并在国际电信联盟无线电通信部门工作范围内采取适当行动。


4 5G相关议题研究现状及趋势


从上述WRC-19议题来看,核心内容主要包括技术特性、频率可用性以及统一性等,将重点分析技术特性、频率现状及未来趋势。


4.1 移动互联网相关议题研究现状及趋势


(1)议题1.13[14]

为开展WRC-19 1.13议题的研究工作,ITU-R设立TG5/1任务组负责兼容性问题;明确ITU-R WP 5D工作组负责24.25~86 GHz频率范围内IMT频谱需求、IMT地面部分的技术与操作特性参数研究等[15];明确ITU-R SG3研究组负责共存研究所需的高频段传播模型研究;ITU-R 其他相关业务的研究组/工作组负责共存研究所需的原有业务系统参数和保护准则研究。兼容性研究将是上述工作的核心。

从议题所提出的11个潜在候选频段业务划分来看,全部都有空间业务的划分。因此,空间业务兼容性将是分析重点。考虑到空间业务部署具有全球化的特点[16],研究工作必将立足于全球角度开展。目前,相关兼容性分析工作尚未开始,在2016年5月召开的会议将确定研究框架、工作计划等相关内容,具体分析工作主要将集中在2017年和2018年的TG5/1会议中开展。由于涉及候选频段范围较广,且5G系统处于研究初期,如何通过建模确定合适的IMT参数将会是工作难点,传播模型的确定工作也会给ITU-R SG3带来挑战。

从全球看,除了美国、韩国确定28 GHz频段外,大部分国家和地区尚未确定适合的频段,我国需要立足于国内使用现状,联合各方力量加快推进兼容性分析工作。

(2)议题1.16和议题9.1.5

WRC-19 议题1.16和议题9.1.5的研究工作主要在ITU-R WP5A工作组中开展。其研究的5 GHz频段是WLAN技术的重要候选频段,实现对IMT系统的分流。同时,5 GHz频段也可以作为IMT技术的非授权频段,引起各方关注。

从技术而言,5 GHz部分频段已经作为WLAN系统使用频段,主要技术为IEEE 802.11a/n/ac等,未来升级版本IEEE 802.11ac和IEEE 802.11ax也将部署在该频段。同时,2014年9月,3GPP组织正式开始了在非授权频段使用LTE技术的研究和标准化工作,3GPP R13阶段该技术被正式命名为LAA,并确定5 GHz频段作为目标使用频段,并在2015年为该频段确定了3GPP新频段号(band46)。

从频率而言,依据WRC-03形成的229决议,全球主要国家和地区将5150~5 350 MHz和5 470~5 725 MHz规划用于WAS,主要用于RLAN,中国仅开放5 150~5 350 MHz频段。对于5 725~5 850 MHz频段,由于原有固定业务等存在,开放的程度少于上述频段。其余5 GHz频段暂时均未开放用于RLAN系统,具体参见表1。上述频段相应的技术规范也基本参考ITU-R 229号决议所引证的建议书(ITU-R M.1638)。

从未来发展看,美国将积极推动5 GHz全频段用于RLAN技术,为其WLAN技术的发展奠定充足、连续、可用的频率资源。但是,考虑到兼容性的问题,还需要考虑该频段现有部署的卫星地球探测、无线电定位等其他业务的应用和发展,这势必将对相关技术参数(功率限值等)、干扰缓解技术(DFS、TPC)提出新的要求。对于我国而言,需要重点考虑对该频段现有业务的保护,同时考虑LAA等技术部署的可行性。


4.2 物联网相关议题研究现状及趋势


(1)议题1.12

WRC-19 1.12议题的研究工作主要在ITU-R WP5A工作组中开展,目前,车联网作为智能交通系统发展的重要组成部分,在各国都引起了极大关注。

从技术角度而言,车联网技术主要包括IEEE 802.11p和LTE-V两种。IEEE 802.11p作为IEEE 802.11标准扩充的通信协议,于2010年7月颁布,在考虑了实现汽车相关的合适场景基础上,对传统的无线短距离网络技术加以扩展,具体包括更先进的切换机制、移动操作、安全增强、识别、对等网络认证等方面。LTE-V作为4G向5G发展过程中的重要技术,由我国相关企业提出并在3GPP开展标准化工作,其是基于LTE的蜂窝技术,考虑了十几种应用场景,并合理设计了移动速度、通信时延、传输可靠性、安全要求等众多因素,考虑主要由运营商来部署运营。

从频率使用角度而言,IEEE 802.11p主要面向的是共用频谱,而LTE-V主要面向的是专用频谱。目前美国、欧洲均在5.9 GHz频段上按控制信道、安全服务、非安全服务3类业务规划了频率资源,日本主要规划700 MHz和5.8 GHz频段用于智能交通系统,韩国也在5.8 GHz频段开展了相关试验。目前我国的车联网频率规划研究工作正在开展中。

从未来看,5.9 GHz频段将成为全球智能交通系统的重要频段,在此频段需主要考虑与现有卫星固定等业务的兼容性问题。我国应积极向ITU提出合适频段,推动LTE-V技术写入ITU-R相关建议书或报告书中。

(2)议题9.1.8

WRC-19 9.1.8议题的研究工作主要在ITU-R WP5D工作组中开展。近年来,各国都非常重视物联网的发展,主要集中在技术和标准化方面,随着工业互联网、车联网等物联网应用的兴起,许多国家都将物联网相关研究上升到国家政策高度。

从技术来看,物联网涉及的技术纷繁复杂,总体来说,可以分为两大类:基于微功率(短距离)的免执照技术和公网基础上扩展的技术。微功率(短距离)的免执照技术主要包括IEEE 802.11(IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ah等)、IEEE 802.15(蓝牙、ZigBee等)系列技术以及联盟(LoRaWAN等)、企业的私有技术(Sigfox等)。公网的物联网技术主要包括早期的GPRS、CDMA以及近年在LTE技术框架下的NB-IoT、eMTC等。

从频率使用角度而言,微功率(短距离)的免执照技术主要是各国根据自身频率使用现状,所规范规划的短距离设备(SRD)频率,根据其用途不同,涵盖几kHz到几十GHz。而NB-IoT、eMTC等基于公网的新兴物联网技术目前仍然在3GPP标准化阶段,频段主要使用现有LTE的标准化频段,并重点考虑了2 GHz以下频段。

从全球看,该议题的设立旨在寻找统一的频段,由于各国物联网频率资源使用零散且具有本国特性,找到统一的频段将面临极大的挑战。我国应积极寻找可用的物联网频段,并将合适频段写入相关ITU-R建议书或报告书,同时,推动我国自主的技术在ITU标准化。

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