[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。

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：

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”

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。

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

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）

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

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

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

（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

• 只能部署TDD
• 小区带宽1G及一下

3.4 不同频段的使用场景

（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

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

（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

（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

（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。

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

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

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。

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？》

[4G&5G专题-5]：RRU 全面了解什么是4G+5G RF动态频谱共享？_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_4通道rru和天线连接图

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。

最后

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