第3章
5G頻譜
3.1 移動系統的頻譜
第一代和第二代移動業務的頻段配置設定在800～900MHz，但也有少數在更低或更高頻率的頻段。當3G（IMT-2000）開始部署時，主要使用2GHz頻段，随着3G和4G的IMT業務不斷發展，新的更低和更高頻段也被采用，目前已橫跨450MHz～6GHz的範圍。雖然對每一代新的移動通信都會定義新的、以前未采用的頻段，但用于前幾代移動通信的舊的頻段也會被用于新的一代。3G和4G引入時是如此，5G也是如此。
不同頻率的頻段特點不同。較低頻率的頻段，其傳播特性适合城市、郊區和鄉村環境的廣域覆寫部署場景。高頻的傳播特性使它較難用于廣域覆寫，并且正是出于這個原因，高頻頻帶更多是用于在密集部署場景中增加容量。
随着5G的引入，更具挑戰的eMBB使用場景和相關的新業務在密集部署場景中需要更高的資料速率和更大的容量。許多早期的5G部署将會使用前幾代移動通信的頻段，而24GHz以上的頻段被視為對6GHz以下頻段的補充。出于5G對極高資料速率和局部地區超高流量的要求，更高頻段甚至高于60GHz的頻段在部署時也會考慮。鑒于它們的波長，這些頻段通常稱為毫米波頻段。
3GPP一直在定義新的頻段，主要是為LTE規範服務，但現在也要為新的NR标準做定義。許多新頻段是專為NR定義的。NR标準對于上下行鍊路隔離的對稱頻段，以及上下行鍊路共享單個頻段的非對稱頻段都有定義。對稱頻段用于頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD），而非對稱頻段用于時分雙工（Time Division Duplex，TDD）。NR的雙工方式在第7章中有進一步描述。請注意，一些非對稱頻段被定義為補充下行鍊路（Supplementary Downlink，SDL）頻段或補充上行鍊路（Supplementary Uplink，SUL）頻段。這些頻段通過載波聚合與其他頻段的上下行鍊路配對，如7.6節所述。
3.1.1 ITU-R為IMT系統定義的頻譜
ITU-R規定供移動業務使用的頻段，特别是用于IMT的頻段。其中許多頻段最初是配置設定給IMT-2000（3G）的，新的頻段則是随着IMT-Advanced（4G）引入随後增加的。事實上，這些規定對于具體技術和哪一代而言是“中性”的，因為所做的規定都是針對IMT總體，無關哪一代或者哪種無線接口技術。ITU-R針對不同業務和應用進行全球頻譜指派的工作，結果展現在國際電聯無線電監管[48]中。全球IMT頻段的使用在ITU-R M.1036建議書[46]中描述。
國際電聯無線電監管[48]的頻率清單中沒有直接列出IMT使用的頻段，而是列出為移動業務配置設定的頻段，然後在腳注裡說明該頻段可供希望部署IMT的管理部門使用。規定主要是按區域劃分，但在某些情況下也按國家和地區進行。所有腳注僅提及IMT，是以沒有具體提及是哪一代的IMT。一旦ITU-R配置設定了一個頻段，區域的或者地方的主管部門應該據此為所有的或者特定的某一代IMT技術定義一個頻段。在許多情況下，區域的或者地方的管理部門是“技術中立”的，即他們允許頻段用于任何類型的IMT技術。這意味着所有現有的IMT頻段都是IMT-2020（5G）的潛在頻段，正如這些頻段已用于之前的幾代IMT系統。
世界無線電管理大會WARC-92确定了頻段1885～2025和2110～2200MHz可用于IMT-2000。在這230MHz的3G頻譜中，MHz用于IMT-2000的衛星部分，其餘用于陸地部分。這一頻譜中的部分頻段在20世紀90年代用于部署2G蜂窩系統，特别是在美洲。2001～2002年日本和歐洲3G的首次部署是在這個頻段中完成的，是以它通常被稱為IMT-2000“核心頻段”。
考慮到ITU-R的預測，即IMT-2000還需要160MHz頻譜，世界無線電通信大會WRC-2000 為IMT-2000确定了附加頻譜。它包括之前用于2G移動系統的806～960和1710～1885MHz頻段，以及2500～2690MHz的“新”的3G頻譜。對之前配置設定給2G的頻段的重新指派也表明了對現有2G移動系統向3G演進的認可。WRC07确定了IMT的附加頻譜，包括IMT-2000和IMT-Advanced。增加的頻段為450～470、698～806、2300～2400以及3400～3600MHz，但頻段具體的适用性因地區和國家而異。WRC12沒有為IMT确定額外的頻譜劃分，但該議題列入了WRC15的議程。WRC12還決定需要研究694～790MHz頻段在1區（歐洲、中東和非洲）的移動業務中的使用。
WRC15是一個重要的裡程碑，它為5G奠定了基礎。首先它為IMT确定了一組新的頻段，其中許多頻段在全球範圍或幾乎是全球範圍被确定為IMT所用：
-
470～694/698MHz（600MHz頻段）：确定在美洲和亞太的一些國家使用。對于1
區，它被列為WRC-23的IMT新議程，即将在WRC-23上讨論。
- 694～790MHz（700MHz頻段）：此頻段确定用于1區，因而成為全球IMT頻段。
- 1427～1518MHz（L波段）：為所有國家和地區确定的新的全球波段。
- 3300～3400MHz：為許多國家和地區确定的全球頻段，歐洲和北美除外。
- 3400～3600MHz（C波段）：為所有國家和地區的全球頻段。之前已經在歐洲使用。
- 3600～3700MHz（C波段）：為許多國家确定的全球波段，但非洲和亞太地區的一些國家除外。在歐洲自WRC07開始已經在使用。
- 4800～4990MHz：為亞太地區少數幾個國家确定的新頻段。
特别是3300～4990MHz的頻率範圍，對于5G很有意義，因為它是更高頻段中的新頻譜。這意味着它非常适合需要高資料速率的新的應用場景，并且也适用于大規模MIMO的實作，因為含有多個單元的天線陣列在這類頻段上的實際尺寸可以設計得很合理。由于這一頻率範圍是目前尚未廣泛應用于移動系統的新頻譜，是以在此頻譜中配置設定較大的頻譜塊将會更加容易，進而提供更寬的射頻載波并最終達到更高的終端使用者資料速率。
WRC15關于IMT的第二個主要成果是為下一屆WRC确立的新議程項（即1.13項），即确定5G移動業務在24GHz以上的高頻頻段。ITU-R将對這些頻段進行研究，并考慮在WRC19上為IMT做規定。這些頻段的主要目的就是部署IMT-2020。今天，大多數要研究的頻段已經優先劃分給移動業務，同時也包括固定和衛星業務。它們包含以下頻段範圍：
- 24.25～27.5GHz；
- 37～40.5GHz；
- 42.5～43.5GHz；
- 45.5～47GHz；
- 47.2～50.2GHz；
- 50.4～52.6GHz；
- 66～76GHz；
- 81～86GHz。
還存在一些有待研究的頻段，目前還沒有成為IMT移動業務可使用的首要資源，或者說移動業務還沒有成為這些頻段的首要配置設定對象：
- 31.8～33.4GHz；
- 40.5～42.5GHz；
- 47～47.2GHz。
完整的頻段集如圖3-1所示。
ITU-R成立了一個特别任務組（TG 5/1）對新頻段進行共用和相容性研究，并為WRC19議程項1.13準備輸入文稿。該任務組将根據研究結果，澄清頻譜需求、技術和營運特性，包括對在所研究頻段内或附近配置設定的現有業務的保護準則。研究的輸入需要IMT-2020的技術和營運特性。NR的特性由3GPP提供并已經在2017年1月的标準化早期階段提供。
值得注意的是，還有大量其他頻段被确定為移動業務所用，但并非專門針對IMT。這些頻段通常也用于某些地區或國家的IMT系統。在WRC15上有把27.5～29.5GHz用于IMT的研究興趣，但最終未被納入5G/IMT-2020頻段的研究中。不過，至少美國和南韓有在該頻段推出5G移動服務的計劃。還有提議對20GHz以下的頻段用于5G/IMT-2020進行研究，但最終未被包括進去。除了ITU-R所研究的頻段，預計6～20GHz範圍内的若幹頻段也将被用于移動業務，包括IMT的移動業務。比如FCC在調研5925～7125MHz頻段的新用途，包括用于下一代無線寬帶業務。
地區之間對配置設定給IMT的頻段的使用各有不同，這意味着沒有一個單獨的頻段可用于全球漫遊。不過，各地區經過大量努力已定義了可用于全球漫遊的最小頻段集。通過這種方式，多頻段終端可以提供有效的全球漫遊能力。由于WRC15确定的許多新頻段是全球性的或近乎全球性的，是以，終端隻要支援較少的頻段就可以實作全球漫遊，這還有助于擴大裝置和部署的規模效益。
3.1.2 5G的全球頻譜狀況
世界各國都有強烈的意願為5G的部署提供頻譜。這是由營運商和行業組織推動的，比如全球移動供應商聯盟（Global mobile Suppliers Association） [35]和DIGITALEUROPE [29]，但也得到了各個國家和地區的監管機構的支援。[56]概述了5G頻譜的狀況。在标準化方面，3GPP活動的重點放在明顯引起興趣的頻段上（完整的頻段清單見3.2節）。令人感興趣的頻譜可以分為低頻、中頻和高頻頻段：
低頻頻段對應于2GHz以下現有的LTE頻段，适用于覆寫，即提供廣域和深度的覆寫，包括室内覆寫。它的令人感興趣的頻段是600和700MHz，對應于3GPP NR頻段n71和n28（更多細節見3.2節）。由于該頻段不是很寬，是以預計最大的信道帶寬是20MHz。
對于5G的早期部署，美國考慮把600MHz頻段用于NR，而700MHz頻段被歐洲定義為所謂的先鋒頻段之一。此外，在3GHz以下的許多額外的LTE頻段被标記為可能的“重耕”頻段并且已為它們配置設定了NR頻段号。由于這些頻段通常已經部署用于LTE，是以預計NR将在後期逐漸部署在這些頻段上。
中頻頻段在3～6GHz的範圍内，它可以通過更寬的信道帶寬提供覆寫、容量和高資料速率。全球最感興趣的是3300～4200MHz這一段，3GPP已指定的NR頻段n77和n78就在其中。由于頻段較寬，信道帶寬可高達100MHz。長期來看，可以在該頻率範圍内為每個營運商配置設定高達200MHz的頻率，然後通過使用載波聚合可以達到整個帶寬的部署。
3300～4200MHz的範圍受全球關注，雖然各地區略有不同：3400～3800MHz是歐洲的先鋒頻段，而中國和印度正在計劃配置設定3300～3600MHz，日本正在考慮3600～4200MHz。北美（3550～3700MHz和初步讨論中的3700～4200 MHz）、拉丁美洲、中東、非洲、印度、澳洲等地也考慮了類似的頻率範圍。WRC-15上共有45個國家簽署了為IMT确定的3300～3400MHz頻段。中國（主要是4800～5000MHz）和日本（4400～4900MHz）對更高的頻段也很感興趣。此外，在2～6GHz範圍内許多潛在的LTE“重耕”頻帶已被确定為NR頻段。
高頻頻段指位于24GHz以上的毫米波。它們最适合于具有超高容量的本地熱點覆寫，并且可以提供非常高的資料速率。最令人感興趣的是24.25～29.5GHz的範圍，其中3GPP為 NR配置設定了頻段n257和n258。這些頻段的信道帶寬高達400MHz，而且通過載波聚合可以實作更高的帶寬。
如前所述，毫米波頻段對于IMT部署而言是新的。美國在較早時就确定了27.5～28.35GHz用于5G，而24.25～27.5GHz這一段，也稱為“26GHz頻段”，是歐洲的先鋒頻段，注意并非所有26GHz頻段都可用于5G。全球各國也正在考慮使用更大的24.25～29.5GHz範圍内的不同部分。日本首先計劃使用27.5～29.5GHz的範圍，南韓計劃使用26.5～29.5GHz。總的來說，這個頻段可以被視為具有地區性差異的全球頻段。美國也計劃使用37～40GHz，包括中國在内的許多其他國家也在考慮大約40GHz的範圍。
3.2 NR的頻段
NR可以部署在現有的IMT頻段上，也可以部署在WRC或地區性機構所确定的未來頻段上。全球移動業務的一個基本特點就是無線接入技術能工作在不同頻段上。大多數的2G、3G和4G終端都有多頻段支援能力，它們涵蓋了世界不同地區所使用的頻段，以提供全球漫遊能力。從無線接入功能的角度來看，頻段的影響有限，而且NR的實體層規範并不對頻段做假定。不過，由于NR将橫跨如此大範圍的頻譜，是以某些配置将僅适用于某些頻率範圍。這包括NR參數集的差異化應用（見第7章）。
許多RF要求都是針對不同的頻段提出的。對于NR來說是這樣，對前幾代移動通信也是如此。頻段特定RF要求的例子包括允許的最大發射功率、帶外（Out-Of-Band，OOB）發射的要求和限制以及接收機阻塞水準。造成這種差異的原因是外部的限制，通常是由監管機構提出來的，還有一些限制是标準化過程中考慮營運環境的不同造成的。
對NR而言，由于頻段範圍非常寬，是以頻段間差異更為明顯。對于24GHz以上的毫米波頻段上的NR工作，終端和基站都将采用部分新技術，并且将更多地使用大規模MIMO、波束賦形和高內建度的進階天線系統。這就造成了RF要求的差異對性能評估進行測量的差異以及對要求的取值範圍的差異。是以，目前3GPP在Release 15中，将頻段劃分為兩個範圍：
- 頻率範圍1（FR1）包括6GHz以下的所有現有的和新的頻段。
- 頻率範圍2（FR2）包括24.25～52.6GHz範圍内的新的頻段。
在未來的3GPP版本中，這些頻率範圍可以被擴充或者會增加新的頻率範圍。第18章将進一步讨論頻率範圍對RF要求的影響。
NR使用的頻段包括對稱和非對稱頻譜，要求靈活的雙工配置。是以，NR既支援FDD也支援TDD。NR還為SDL或SUL定義了一些頻段。7.7節将對這些功能做進一步描述。
3GPP定義了工作頻段（operating band），一個工作頻段是指由一組RF要求所規定的上行鍊路或下行鍊路，或者上下行鍊路的一個頻率範圍。每個工作頻段都有一個編号，其中NR頻段的編号為n1、n2、n3等。當相同的頻率範圍被定義為不同無線接入技術的工作頻段時，它們使用相同的編号，但以不同的方式書寫。4G LTE頻段用阿拉伯數字（1、2、3等），而3G UTRA頻段用羅馬數字（Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ等）。被重新配置設定給NR的LTE工作頻段通常稱作“LTE重耕頻段”。
3GPP為NR制定的Release 15規範包含頻率範圍1中的26個工作頻段和頻率範圍2中的3個工作頻段。NR頻段從n1到n512的編号方案遵從以下規則：
1.對于LTE重耕頻段中的NR頻段，NR複用LTE的頻段号，隻需在前面添加“n”。
- NR的新頻段使用以下數字：
- n65～n256預留給頻率範圍1中的NR頻段（其中某些頻段可以額外用于LTE）。
- 範圍n257～n512預留給頻率範圍2中的NR新頻段。
該方案為NR“預留”了頻段号并且向後相容LTE（和UTRA），并且不會造成任何新的LTE編号超過256，這是目前可能的最大值。任何新的僅用于LTE的頻段也可以使用小于65的未使用的數字。在Release 15中，頻率範圍1中的工作頻段在n1～n84的範圍内，如表3-1所示。頻率範圍2中的頻段在n257～n260的範圍内，如表3-2所示。圖3-2、3-3和3-4對NR的所有頻段進行了總結，它們還顯示了相對應的ITU-R所定義的頻率配置設定。
某些頻段部分地或完全地重疊。大多數情況下，這可以解釋為各地區對ITU-R定義的頻段實施上的差異。同時，為實作全球漫遊，頻段之間盡可能地有重疊又是所期望的。通過最初全球的、區域性的以及當地的頻譜管理工作，首批頻段被指派給UTRA。随後整個的UTRA頻段在3GPP Release 8被轉移到LTE的規範中。後續版本中又為LTE增加了其他頻段。在Release 15中，許多LTE頻段被轉移到NR的規範中。
3.3 6GHz以上的射頻暴露
随着5G移動通信的頻率範圍擴充到6GHz以上，現有的關于人體暴露在6GHz以上的射頻電磁場（Electromagnetic Fields，EMF）中的規定，可能将使用者終端的最大輸出功率限制在了一個遠低于低??頻輻射允許的水準。即現有的規定對于6GHz以上的頻段可能過于苛刻。
國際RF EMF暴露限值，例如國際非電離輻射委員會（International Commission on Non-Ionizing Radiation，ICNIRP）推薦的限值和美國聯邦通信委員會（FCC）規定的限值，已經設定了足夠寬的安全邊際，以防止人體組織由于能量的吸收而過度發熱。在6～10GHz的頻率範圍内，基本限值從特定的吸收率（w/kg）變為入射功率密度（w/m2）。這主要是因為随着頻率的增高，人體組織中的能量吸收變得越來越微不足道，因而也更加難以測量。
事實證明，對于靠近身體使用的産品，最大允許輸出功率是不連續的，因為暴露測度已從特定吸收率變成了基于功率密度的限值[27]。為了符合更高頻率下ICNIRP的暴露限值，發射功率可能要比目前蜂窩技術使用的功率水準低10dB。為6GHz以上頻率設定的暴露限值，其安全邊際甚至大于較低頻率的安全邊際，這沒有任何明确的科學依據。
對于較低頻段，多年來已有大量工作來描述暴露的情況并設定相關的限值。随着對使用6GHz以上頻段進行移動通信的興趣日益增加，研究工作可能也會增多，最終可能導緻對暴露限值的修訂。在IEEE公布的最新RF暴露标準（C95.1-2005，C95.1-2010a）中，頻率轉換處的不一緻性不太明顯。但是，這些限值尚未被任何國家的法規所采用，是以其他标準化組織和監管機構也必須努力解決這一問題。否則的話，這可能對較高頻率的覆寫範圍産生很大的負面影響，特别是對于那些在身體附近使用的使用者終端，比如可穿戴裝置、平闆電腦和行動電話，其最大發射功率可能受到目前的射頻暴露規定的極大限制。