6G网络发展需要综合考虑新业务需求、技术、产业成熟度、部署成本及商用的时间节奏,分场景、分步骤地有效使用候选授权频段,同时兼顾考虑利用非授权频段。
Sub-6 GHz频段,即450 MHz~6 GHz的低频谱资源的持续开发和高效利用仍然至关重要,特别是在提供无缝的网络覆盖方面优势明显。全球移动通信频谱分配现状:Sub-6 GHz以下低、中频谱已分配殆尽。全球范围内,各主要国家和地区的4G LTE频谱组合有1000多种。例如:
北美:600/700/900 MHz (FDD),1700/1900MHz (FDD),2300/2600MHz (FDD/TDD),2500MHz (TDD);
欧洲:450/800/900MHz (FDD),1800/2100MHz (FDD),2600MHz (TDD);
中国:800/1800/2100MHz (FDD),1900/2300/2600MHz (TDD);
韩国:850/900MHz (FDD),1800/2100/2600MHz (FDD);
日本:700/850/900MHz (FDD),1500/1800/2100MHz (FDD),2500/3500MHz (TDD);
东南亚:700/850/900MHz (FDD),1800/2100/2600MHz (FDD),2300MHz (TDD) ;
印度:850/1800MHz (FDD),2300MHz (TDD);
中东与非洲:800/1800MHz (FDD),2300MHz (TDD),2600MHz (FDD/TDD);
拉丁美洲:700MHz (FDD),1700/1800/1900MHz (FDD),2600MHz (FDD/TDD)。
表2-6是中国在2G(GSM)、3G(TD-SCDMA、WCDMA和CDMA)和4G LTE的频谱分配情况。
表2-6 中国在2G、3G和4G LTE的频谱分配情况
与sub-6 GHz相邻的6 GHz频段,即5925~7125 MHz的覆盖性能、覆盖深度、建网速度和成本都明显优于毫米波,频段使用情况复杂(在轨卫星使用),短期内释放全部1.2GHz带宽难度大。6 GHz频段是行业专网和Wi-Fi 6产业争夺的焦点,竞争形势严峻。
如果加上2.1节中的5G NR已经定义的频段,可以推算出sub-6 GHz和6 GHz可以用于未来移动通信的频率资源储备(注意,各国/地区有一些差别),如表2-7所示。可以看出,2.6 GHz及以下的频段在主要国家/区域都已发放,除非频谱重耕,无法为6G的授权频谱系统使用;3.1~3.4 GHz频段本来留给地面移动通信的不多,在日本、韩国和美国还有300 MHz频段尚未发放;3.4~3.8 GHz作为全球5G网络的主流频段,已发放殆尽;3.8~4.2 GHz的频段除了韩国和美国还有220~300 MHz没有发放,其他国家/区域的已无频谱可以发放;4.5~5.0 GHz频段除了日本和韩国尚有100~490 MHz还没发放,其他国家/区域已无储备;6 GHz的上段,中国、欧洲和日本都有大量频谱尚未发放。
美、日、韩三国未来频谱规划主要聚焦在C-Band的3.1~4.2 GHz频段,计划打通整个C-Band的高低两段,获取1100 MHz的连续频谱。但在中国和欧洲,由于卫星占用和已局部发放等原因,C-Band频段的可用频谱总量远低于美、日、韩三国,需要依靠6 GHz频段弥补中频段频谱缺口。6 GHz是中国未来在中频段提供大于2 GHz带宽储备的重要频段,也是5G-Advanced、6G的黄金频段。
表2-7 2025—2030年各区域/国家中低频资源,包括已发放和未发放频段MHz
注:标灰部分为未发放频段。
注意,表2-7显示,在6 GHz的上段,中国还有700 MHz的频谱储备。主要考虑是在中低频段,用于卫星通信的也占有相当分量。表2-8列举了包括中国和Space X的卫星频段。地面移动通信进一步挖掘未来网络的频谱,肯定需要与卫星通信组织协调。总体来讲,3.6~4.2 GHz频段已比较广泛地被卫星通信所使用,退出的可能性很低。5.8~6.4 GHz频段有一些卫星通信的业务服务,短期内也不容易协调。而6425~6725 MHz频段现存卫星业务对应的3400~3700 MHz下行频段已IMT化给移动通信使用,可积极推动该频段卫星业务退网。7025~7125 MHz频段的卫星业务少,具有短期内频谱退网的可能性。
表2-8 中国和Space X的卫星频段GHz
注:加灰底的数据是没有实际部署的频段。圆角矩形框标示的数据是适合未来中低频6G网络的频段。
相比sub-6 GHz和6 GHz频段的拥挤情况,毫米波频段可以用于未来移动通信的频谱资源相对丰富。如图2-10所示,用于移动或固定业务通信的毫米波目前主要分布在3段:26 GHz、40/50 GHz和70/80 GHz。在3GPP,已经将26 GHz段中的24.25 ~ 27.5 GHz和40/50 GHz段中的37 ~ 43.5 GHz定义为5G新空口频段。相应的系统带宽在表2-6列出。其中的24.25 ~ 27.5 GHz频段的邻频保护指标分两个阶段满足,即2027年以前,基站侧的邻频辐射功率谱密度不超过-33 dB(W/200MHz),终端侧的邻频辐射功率谱密度不超过-29 dB(W/200MHz);2027年以后,基站侧的邻频辐射功率谱密度不超过-39 dB(W/200 MHz),终端侧的邻频辐射功率谱密度不超过-35 dB(W/200 MHz)。
在40/50 GHz频段中,45.5 ~ 47 GHz和47.2 ~ 48.2 GHz是轻授权的频段;在70/80 GHz频段中,66 ~ 71 GHz频段是免授权频段,有许多IEEE 802的协议在使用。
图2-10 移动或固定业务毫米波的分配情况
太赫兹频段的频谱资源丰富,但长距离通信存在短板。如图2-11所示,在干燥空气(水气成分很低)的条件下,太赫兹频段的传播路损远远低于标准大气湿度的情形。在地面通信或者大气层内的通信(尤其是低轨环绕地球时),空气中的水流成分在多数情况下不容忽视,会严重缩短太赫兹频段的传播距离,因此地面或近地的太赫兹通信及感知的场景主要是近距离或者室内的,如几米或者十几米。
图2-11 无线电波在大气中的传播衰减
为了推动太赫兹通信/感知的研究,2019年举办的世界无线电通信大会(World Radiocommunication Conferences,WRC-19)宣布,新增4个全球标识的移动业务频段,总共有137 GHz的带宽,如图2-12所示。结合在之前的WRC大会上已分配的252~275 GHz频段,形成了两个超大带宽的太赫兹频点:①275 GHz频点,带宽为44 GHz,范围为252~296 GHz;②400 GHz频点,带宽为94 GHz,范围356~450 GHz。
图2-12 太赫兹中用于陆地移动和固定业务通信的频段
随着频率的进一步提高、波长的进一步缩短,电磁波的波动特性逐渐减弱,粒子特性逐渐增强,每个光子所携带的能量也越大。在太赫兹光波之上,依次为红外光、可见光、紫外线、X射线等,如图2-13所示。这些波段因为传统上很少用于无线通信,而且带宽资源极其丰富,所以没有授权频谱的概念。太赫兹光波的波段与红外光的波段的界限不是十分清晰,一些远红外光频段与广义的太赫兹频段有交叠,但一般来讲,波长在30 μm以内(即频率在10 THz以上)的电磁辐射属于红外光。可见光的波长范围为0.38~0.78 μm,频率范围为385~789 THz。再往上是紫外线,频率可以达到100 PHz,波长可以短至3 nm。广义的光波频段可以包含红外光、可见光和紫外线,振动频率从10 THz到100 PHz,在学术界也被称为拍(Peta)赫兹频段。理论上讲,拍赫兹频段可以用于无线光传输或者感知,但是进一步细分拍赫兹的频段,它们的应用场景、物理特性和器件工艺有较大的差异。
图2-13 无线光传输/感知用的拍赫兹频段