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WRC-19大会5G毫米波结果梳理与分析

日期:2020-04-03 08:28:46 来源:黑龙江省无线电管理网

在国际电信联盟2019年世界无线电通信大会(WRC-19)上,各国代表就5G毫米波频谱使用达成共识。本文对相关频段大会决议文件做了梳理,重点对其中的决议、建议等部分进行阐述和分析,以期为后续工作提供参考。


2019年11月22日,历时四个星期的国际电信联盟(ITU)2019年世界无线电通信大会(WRC-19)在埃及沙姆沙伊赫落下帷幕。来自国际电联193个成员国、900个部门成员以及国际组织、设备制造商、电信运营商和行业组织等近4000名代表参加了会议。作为全球无线电频谱和卫星轨道资源使用立法缔约的最重要的国际会议,大会就移动通信、高空平台通信、铁路和交通通信、低轨星座卫星使用规则等多项重要议题达成共识,其结果将影响未来十到二十年全球数万亿美元计的无线电技术、应用及与相关产业融合发展,为联合国推进数字经济、缩小数字鸿沟等诸多可持续发展目标发挥重要作用。其中,对未来全球通信发展有重要影响的5G毫米波议题是世界各国以及国际组织关注的重点议题。


一、WRC-19大会5G毫米波全球结论










经过一个月的争论和协调,大会最终确定5G毫米波标识的频段(如图1所示)。全球范围内将24.25-27.5GHz(26GHz)、37-43.5GHz(40GHz)、66-71GHz频段标识用于5G及国际移动通信系统(IMT)未来发展;在45.5-47GHz频段,部分国家在脚注中标识用于5G;在47.2-48.2GHz频段,2区(美洲区)国家和部分地区部分国家在脚注中标识用于5G。


总数上,大会为5G毫米波标识了总计17.25GHz频段,是此前历届大会IMT标识频段总和(约1.9GHz[1])的9倍。其中,全球协调一致的26GH、40GHz、66-71GHz频段带宽共计14.75GHz,占比85%。部分国家(中国未加入)脚注标识的47.2-48.2GHz、45.5-47GHz频段带宽总计2.5GHz。中国主推的26GHz、部分40GHz、66-71GHz频段成功作为全球协调一致频段。此外,针对上述频段,大会修订了《无线电规则》,形成了若干新的脚注和决议[2],对5G使用该频段提出了强制性和建议性的要求,如5G系统带内、带外射频要求等,将直接影响5G设备指标和部署。下文逐个频段进行分析。([1]该脚注编号为WRC-19大会期间的临时编号,后续在大会最终法案文件中将有正式编号,下同。[2]该决议编号为WRC-19大会期间的临时编号,后续在大会最终法案文件中将有正式编号,下同。

二、各频段规则修订分析










(一)24.25-27.5GHz(26GHz)频段


在十多个候选频段中,26GHz频段具有频点低、带宽大、设备实现难度相对较小等优点,是全球5G产业极力争取的重中之重,其同、邻频其它无线电业务情况最为复杂,也最具有代表性,是本文分析的重点。


大会决定新增脚注5.A113[1],将24.25-27.5GHz频段确定由有意实施5G地面部分的主管部门使用。这种确定不排除已在该频段获得划分的业务的任何应用对这些频段的使用,亦未在《无线电规则》中确定优先权。同时规定第COM4/8号[2]决议(WRC-19)适用。
为保护该频段同、邻频其它无线电业务,下面将决议中对5G采取的强制性和建议性的限定进行梳理归类,主要分为总体、保护邻频无源业务、保护地面电台、保护空间电台四个方面,并适当加以分析。下文中,以“决议”等字眼提及的内容,均为具有强制效力的内容;以“鼓励、建议、(邀)请”等字眼提及的内容,为非强制性的。
1. 总体方面
决议将该频段内的IMT台站限于陆地移动业务(LMS)的范围。这是因为在ITU前期开展研究时,5G基站的部署场景仅包括地面部署,没有提到用于航空、水上等其它移动业务的情况。
2. 针对23.6-24GHz卫星地球探测等无源业务的保护
该频段是全球卫星地球观测的一个独特频段,比如美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的联合极地卫星系统和欧洲气象业务卫星在该频段上收集大气层中水蒸气分子数据,并据此提供一周的天气预报,也为预测飓风强度及其登陆地点提供重要的信息。一些气象学家担心,5G带外干扰会影响水蒸气数据采集,使天气预报的精确度下降,对国防、渔业、农业乃至公共安全造成不利影响。
这是一个集总干扰场景,且卫星系统已经实际部署,只有全球或局部地区大规模部署5G基站后,才有可能形成并验证其对卫星系统产生的实质影响,现有手段难以像地面台站一样进行少量台站之间的干扰试验,只能通过理论仿真计算出5G基站带外无用射频限值。由于计算方法不同,研究结果也不相同,再加上各国相关产业发展战略存在差异,因此各国在5G基站带外无用射频限值上存在较大分歧。
经大会讨论,最终决议提出了5G基站、终端限值“两步走”的方案:现阶段基站、终端分别采用−33/-29dBW/200MHz作为限值;2027年9月1日起,将上述限值分别加严至−39/-35dBW/200MHz。该限值写入了第750号决议,并在脚注5.338A中增加了26GHz频段以规定第750号决议适用,以强制执行。
同时,大会鼓励主管部门考虑5G基站带外限值以外的其他干扰缓解技术,例如频段保护带等。此外,为了避免26GHz频段二次谐波影响50.2-50.4GHz和52.6-54.25GHz频段无源业务空间接收,大会还鼓励主管部门在将该频段用于IMT时,采用ITU-RSM.329建议书中的B类杂散发射限值(-30dBm/MHz)。
3. 保护卫星间业务和卫星固定业务空间电台接收
如图2所示,在该频段有卫星间业务和卫星固定业务(地对空)的划分。其中,卫星间业务主要用于反向传输部分,也就是对地静止卫星轨道上的数据中继卫星(DRS)接收来自非对地静止卫星轨道上的卫星或航天器的信号会持续追踪NGSO或航天器的位置。图3描述了5G系统干扰卫星间业务场景的示意图。5G系统干扰卫星固定业务(地对空)的场景与此类似。
该案例同样是5G系统全球或区域大规模部署后干扰卫星空间电台接收的问题。但与上文保护邻频业务不同的是,这是同频问题,也即需要对5G系统带内射频指标或部署方式作出限定。



最终大会做出决议,该频段部署IMT基站时,应采取实际措施以确保室外基站的发射天线通常指向水平线以下,机械指向需在水平线或以下。同时,在该频段内,IMT基站单个波束在对地静止卫星轨道偏离7.5度范围内的e.i.r.p.不得超过30dBW/200MHz。

此外,大会鼓励主管部门采取措施使得5G基站大阵列天线方向图保持在ITU-RM.2101建议书所规定的近似包络范围内。这是因为,5G大阵列天线的波束包络形状对5G基站旁瓣向天空方向辐射功率有决定性的影响。

与此同时,大会还请ITU-R酌情定期审查IMT系统(包括基站密度)和空间业务系统不断发展的技术和操作特性对兼容共用的影响,并在制定和/或修订ITU-R建议书/报告时考虑这些审查的结果,此外,如有必要,还应采取措施以减轻对空间电台接收的干扰风险。这项措施的主要目的是希望建立一种长效审查机制,因为5G系统未来部署规模存在不确定性,且实际部署情况与早期开展兼容共用的模型难免有不一致的地方。

4. 保护地面电台

如图2所示,该频段涉及的其它业务的地面电台主要包括:邻频射电天文台,同频卫星地球探测与空间研究业务地球站,这几类是地球站接收可能受到5G系统的干扰。此外,卫星固定业务(地对空)地球站的发射可能对5G系统接收产生干扰,但由于卫星固定业务也是主要业务,且有规划或使用的情况,所以也产生了和5G系统的协调问题。


图4   5G基站干扰卫星地球站接收示意图


图4给出了5G基站干扰卫星地球站接收示意图,地面电台之间的干扰场景相对较为直观,通常以一定隔离距离以开展协调、实施保护。这里提到的几类业务的干扰场景均与此类似。

由于毫米波频段传播距离受限,这类地面电台之间的干扰通常属于国内问题,大会决议则重点对边境协调地区提出了要求。决议指出,为实现跨境协调,必要时应通过双边协议,保护25.5-27GHz频段的卫星地球探测与空间研究业务地球站和23.6-24GHz频段的射电天文台并促进24.65-25.25GHz和27-27.5GHz频段的卫星固定业务地球站与IMT台站的共存。

此外,大会鼓励主管部门实施IMT的相关条款时确保这些地球站现有设台的持续使用和其未来发展。同时,请ITU-R制定、更新有关建议书、报告以避免卫星地球探测、空间研究、射电天文业务台站受到来自IMT系统的有害干扰,并协助主管部门减轻卫星固定业务地球站对工作在24.65-25.25GHz和27-27.5GHz频段对IMT台站的干扰。


(二)37-43.5GHz(40GHz)与47.2-48.2GHz频段


40GHz频段同样是世界各国重点关注的IMT潜在频段。根据是否有移动业务划分,这部分频谱又被细分为三个连续的频段,分别是37-40.5GHz、40.5-42.5GHz,42.5-43.5GHz。其中,40.2-42.5GHz在WRC-19之前全球并未统一有移动业务的划分。与26GHz频段的技术性分歧相对不同的是,大会各方围绕40GHz频段争论的焦点在于,是把三个频段都标识用于IMT,还是只明确其中的一部分。

有的国家坚持将该频段6.5G带宽的频谱资源全部标识用于IMT,各国可以自己选择全部或某个频段用于5G。还有一部分国家认为可以标识其中一段频率,但具体标识哪一段也存在分歧。在40GHz频段范围内,还分布着各类其它无线电业务,如图5所示。本文认为,在促进5G发展的同时,给卫星产业发展空间以及保护其他无线电业务正常运转同样重要。



最终,大会决定新增脚注5.BCD113,将37-43.5GHz频段或其中的一部分标识给IMT,同时规定第COM4/9号决议(WRC-19)适用。与26GHz脚注不同的是,该脚注额外指出,鉴于37.5-42.5GHz频段内可能部署FSS地球站以及1区的39.5-40GHz频段、所有各区的40-40.5GHz频段以及2区的40.5-42GHz频段内可能部署卫星固定业务高密度应用(参见第5.516B款),各主管部门应酌情进一步考虑对这些频段内IMT的可能限制。由此可见,大会最终对平衡40GHz频段地面、空间业务发展给出了明确的提醒。

在针对具体业务的保护措施方面,该频段多数内容与26GHz频段采取了一致的表述。下面仅对不同之处进行阐述。

1. 保护36-37GHz邻频卫星地球探测等业务

与26GHz频段不同的是,36-37GHz频段本身并不是禁止一切发射的无源频段,因此与第750号决议、脚注5.338A不直接相关。但该频段的干扰场景与26GHz类似,同样需要限定5G系统的带外发射指标。大会最终决定将限值直接写入该频段决议正文,同时给出了强制值和建议值。其中强制值又分为窄带和宽带两个测量维度的要求:−43dBW/MHz及36-37GHz整个频段内的−23dBW/GHz。建议值为-30dBW/GHz。

2. 针对平衡空间和地面业务

除了在标识脚注中提到空间业务之外,大会还请主管部门确保在考虑将频谱用于IMT时,应充分考虑用于以泛在方式在各未指定点上部署的地球站和网关的频谱需求,同时考虑依据第5.516B款在1区的39.5-40GHz频段、所有区的40-40.5GHz频段、2区的40.5-42GHz频段和1区的47.5-47.9GHz频段内为HDFSS确定的频谱。此外,在1区,鼓励各主管部门考虑在40.5-43.5GHz频段内实施IMT,以便更好地满足40.5GHz以下的其他业务的需求,并考虑到1区中37.5-40.5GHz频段内对FSS的保护。

针对47.2-48.2GHz频段,由于该频段需要保护的业务主要是卫星固定业务(地对空),与42.5-43.5GHz频段类似,所以大会将47.2-48.2GHz频段的结论并入了40GHz频段的决议当中,本文不再对细节进行阐述。在该频段的标识问题上,由于全球观点有分歧,所以大会最终形成了部分地区和国家的脚注标识。2区国家和部分欧洲、非洲国家以及少量亚洲国家加入了脚注。从长远看,由于美国已经在国内将该频段规划用于5G,且于近期开展了该频段的拍卖工作[3],该频段未来在全球有进一步扩大使用范围的可能。


(三)45.5-47GHz频段


相比26GHz和40GHz频段,45.5-47GHz频段并没有受到来自全球的普遍关注。在兼容共用研究阶段,该频段收到的研究输入较少,部分业务由于缺乏参数提供,甚至没有开展研究。经过大会讨论,最终该频段形成了部分国家的脚注标识5.F113。与47.2-48.2GHz频段相比,仅有个别欧洲国家和部分非洲国家加入了脚注。

与上述频段不同的是,该频段脚注中进一步要求,一是使用IMT应考虑第5.553款;二是有关航空移动业务和无线电导航业务,将该频段用于实施IMT取决于根据第9.21款与相关主管部门达成的协议,且不得对这些业务造成有害干扰或要求其提供保护。同时规定第COM4/10号决议(WRC-19)适用。针对前者,该频段本身有脚注5.553,要求地面移动业务对空间业务实施保护。也即该频段部署的IMT系统处于相对较低的保护地位。同时,通过第9.21款与相关主管部门开展协调,也给该频段实际投入使用带来了一定的困难。经验表明,IMT系统与航空移动与无线电导航业务在同一地理区域通常较难以实现同频共用。


(四)66-71GHz频段


该频段作为第三个全球达成一致意见的频段,其主要协调的内容和26GHz、40GHz有着显著不同。在《无线电规则》现有频率划分表中,该频段上已有移动业务的主要划分,有的国家拟考虑将此频段用于免授权的其它宽带无线接入技术例如Wi-Fi。另一些国家则保持技术中立的态度,认为可以考虑将该频段标识用于5G,但具体到各国内部划分频率时可以自由选择将该频段用于5G或者其它宽带无线接入技术。因此,讨论的焦点在于,新增脚注以及决议中是否应对其它宽带无线接入技术的地位进行认可。

经过大会讨论,最终在该频段形成的脚注5.J113中,并未提及任何其它宽带无线接入技术。而脚注所对应的第COM4/7号决议(WRC-19),针对主管部门可能采取的不同考虑做了明确的区分:希望实施IMT的主管部门将该频段提供用于IMT的地面部分;而希望在该频段内同时实施IMT和其他移动业务应用的主管部门,应考虑IMT与这些应用之间的共存。

此外,大会还请ITU-R酌情制定建议书和/或报告,以协助各主管部门通过发展IMT和移动业务的其他应用之间(包括其他无线接入系统),以及移动业务和其他业务的应用之间的共存机制,确保有效利用该频段。


(五)小结


WRC-19大会为上述5G毫米波频段均新增了脚注和决议,对相关内容进行概要汇总。



三、其它频段情况









以下频段经大会讨论,决定不考虑用于IMT。


31.8-33.4GHz频段。该频段IMT与无线电导航业务难以实现同频共存。


47-47.2/48.2-50.2/50.4-52.6GHz频段。47-47.2GHz频段为业余业务,全球普遍没有开展研究。48.2-50.2/50.4-52.6GHz频段紧邻卫星地球探测(无源)业务,需考虑IMT带外限值和一定的频率保护带;此外,该频段也是卫星固定业务(地对空)的重要频段,需兼顾空地发展,因此将该频段用于IMT的空间可能很有限。

71-76/81-86GHz频段。由于频段较高,研究不够充分,全球普遍兴趣不高。有在未来大会继续考虑研究用于IMT的可能性。


四、后续工作探讨











国际上,ITU-R在2020-2023年研究周期将考虑WRC-19大会提出的相关工作,包括制定5G毫米波频率安排、制修订相关建议书或报告以协助主管部门处理兼容共用问题,以及酌情审查相关系统技术参数的变化情况。此外,随着全球产业的投入和发展,在WRC-23大会,针对45.5-47/47.2-48.2GHz频段的脚注标识,可能会有更多国家希望加入。

在国内,一方面,WRC-19大会对《无线电规则》进行修订后,通常我国无线电主管部门将启动对《中华人民共和国无线电频率划分规定》的修订工作,将国际规则“本地化”,并可能在现有大会决议和建议的基础上采取更进一步的措施,包括制定相关国内法规等。同时,根据工业和信息化部2020年初召开的工作会议精神,年内我国无线电主管部门拟适时制定或发布5G系统毫米波部分频段频率使用的规则,为后续频率工作奠定基础。


参考文献

[1]  WRC-19 identifies additional frequency bands for 5G, https://news.itu.int/wrc-19-agrees-to-identify-new-frequency-bands-for-5g/

[2]  世界无线电通信大会 2019 (WRC-19) 临时最后文件,10月28日-11月22日,埃及沙姆沙伊赫,https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/act/R-ACT-WRC.13-2019-PDF-C.pdf

[3]  FCC, CLOCK PHASE OF AUCTION 103 CONCLUDES, Jan 30, 2020, https://www.fcc.gov/document/clock-phase-auction-103-concludes

作者:王坦 钱肇钧 韩锐 张学玲 
来源:国家无线电监测中心


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