5G工作频段

5G频谱分为两个区域——低频FR1和高频FR2，FR指Frequency Range,即频率范围。根据3GPP的R16版本规范，FR1的频率范围为720MHz到7125MHz；FR2的频率范围为24250MHz到52600MHz,FR2称为毫米波通信。

具体FR1和FR2的工作频带如下图。其中第一列为频带的编号，第二列为上行工作频带，第三列为下行工作频带，第四列为双工模式。

FR1工作频段

FR2工作频段

基本概念

信道基本概念

说到信道，其中有很多概念，我们主要辨析以下的名词。

信道就是信息传输的通道，它在通信系统中的位置如图。

通信系统基本模型

信道带宽但是不是所有频率的信号都可以通过信道传输，所以我们把可以通过信道传输的信号频率范围大小就是信道带宽

还有一个比较容易混淆的概念是信道容量。信道容量就是指信号在信道上进行无差错传输所能达到的最大传输速率。对于只有单源单宿的单用户信道，它是一个数，单位是比特每秒或比特每信道符号。它代表每秒或每个信道符号能传送的最大信息量，或者说小于这个数的信息率必能在此信道中无错误地传送。由香农公式：

C=Blog⁡2(1+SN)C=B\log_{2}\left ( {1+\frac{S}{N} } \right )
其中，C：信道容量，单位bit/s；B：信道带宽，单位Hz；S：信号平均功率，单位W；N：噪声平均功率，单位W}

可以看出信道带宽和信道容量的关系。
显然我们从公式可以看出：信道容量与信道带宽成正比，同时还取决于系统信噪比以及编码技术种类。

将信道带宽细分，可以分为传输带宽和保护带宽。传输带宽是实际有效的传输信息的频率范围。三者的关系如下图。

信道带宽结构

子载波基本概念

子载波可以认为是可独立调制的一小段频域资源,我们把子载波的带宽叫做子载波间隔（SCS），与4G LTE网络子载波间隔固定为15kHZ不同，5G新空口（NR）子载波间隔是不固定的。原因是单一的载波配置无法满足5G各种场景的具体需求，应针对不同场景选择不同子载波间隔。

  • 时延场景。子载波间隔越大，对应时隙越短，可以支持实验敏感型业务。
  • 移动场景。不同的移动速度，产生的 多普勒频偏多普勒效应是指发送端和接收端存在相对位置的偏移会产生频率失真即多普勒频移。与LTE系统相类似，如果频率偏移的大小不到子载波间隔的5%，就不会对NR系统产生无法容忍的影响。例如一个使用3.5GHz载频的NR终端的移动速度是350公里/小时，产生的多普勒频移大约是1134Hz。1134Hz是15kHz的7.56%，是30kHz的3.78%，所以对于高铁这样的高速场景，载波间隔也要至少是30kHz。 不同。速度越快多普勒频偏越大。因此增大子载波间隔，可以提升系统对频偏的鲁棒性。
  • 覆盖场景。子载波间隔越小，对应 循环前缀 循环前缀(Cyclic Prefix（CP）长度越大，支持的小区覆盖半径也就越大。
  • 高频应用场景。主要应用于热点区域，子载波间隔越大，越能对抗系统产生的相位噪声。
  • 大连接场景。子载波间隔越小，子载波数目越多，覆盖范围越广，支持的接入数越多。

另外还涉及到OFDM符号的概念，一个OFDM符号的时域表示就是在时域上一次采样的结果；频域上看，一个OFDM符号占据系统带宽下的所有子载波。在5G网络中一个资源块（RB）占据一个时隙，为14个OFDM符号，在频域上占12子载波。

e.g.
假设系统带宽20MHz，包含100个RB，每一个RB包含12个子载波，一共1200个子载波，子载波叠加起来作为一个时域信号，在一个时隙内做7次采样，得到7个OFDM符号，每一个符号为包含了所有1200个子载波信息。假设15KHz的子载波间隔，传输带宽就是1200*15KHz = 18M，实际上小于20M带宽。那么剩余的2M带宽则分布在两边，起保护作用，即为保护带宽。

FR1和FR2的最大传输带宽如下图。以FR1最大传输带宽配置中“160”为例，它表示当信道带宽为30MHz、子载波间隔为15kHz时，最多能配置160个资源块。
FR1最大传输带宽配置

FR2最大传输带宽配置

根据下面的公式即可计算出对应的最小保护带宽。

最小保护带宽=(CHBW（带宽MHz）×1000−NRB×SCS×12)/2−SCS/2最小保护带宽 = \left ( CHBW（带宽MHz）\times 1000 - N_{RB}\times SCS\times 12 \right ) /2- SCS/2

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国内三大运营商的频谱划分

中国联通和中国电信获得3.5GHz的国际主流频段；中国移动获得2.6+4.9GHz的组合频段。

  • 中国电信：3400MHz——3500MHz的100MHz
  • 中国联通：3500MHz——3600MHz的100MHz
  • 中国移动：2515MHz——2675MHz的160MHz和4800MHz——4900MHz的100MHz
  • 另外，中国广播电视网络有限公司（中国广电）获得698MHz——790MHz的700MHz的5G牌照

国内四大运营商工作频带总体分布情况

细嗦

上行和下行

简单来讲，上行就是终端给基站发送信息，下行指基站给终端发送信息。

生活中，我们访问互联网的过程中存在这两种行为：一是上传数据，二是下载数据。上行宽带(速度)指的是上传的速度，而下行宽带(速度)指的是下载数据是的速度。上行宽带(速度)和下行宽带(速度)是不对称的，一般是下行速度大于上行的速度。我们平时所使用的宽带说多少M，都是指的下行宽带，因为我们上网主要是从互联网上下载数据，而上传的数据量要少很多。

另外，生活中办理的10M的宽带，结果下载速度只有1M/s左右的速度，这是为什么呢?

这是因为宽带运行商对下行速度的描述和Windows电脑显示的下行速度的单位不一样，Windows电脑的单位是KBbs,而宽带运营商的单位是 Kbbs，1B=8b。那么办理了10M的宽带，10Mbps=10240Kbps/8=1280KBps,所以在电脑上下载数据 时最大的下载速度也就是只有1M/s左右

双工

双工(Duplex)是一种在单一通信信道上实现双向通信的过程，包括两种类型，分别为半双工和全双工。

在半双工系统中，通信双方使用单一的共享信道轮流发送数据。在一方发送数据时，另一方只能收听。全双工则是指同时的双向通信。通信双方可以在同一时刻收发数据。固定电话和手机的通信采用了这种方式。全双工技术又分为两种：时分双工(TDD)和频分双工(FDD)。

TDD使用单一频率来进行收发。通过分配不同的时隙，TDD系统可以利用单一频段来进行收发操作。由于数据传输速率很快，因此通信双方很难分辨数据传输是间歇性的。因此，与其使用“同时”一词来描述这种传输，“并发”一词可能更合适。TDD的真正优势在于，系统只需使用频谱的一个信道。此外，没有必要浪费频谱资源设置“安全频段”，或采取信道隔离措施。不过TDD的主要问题在于，系统在发送机和接收机两端需要非常精确的时间同步，以确保时隙不会重叠，产生相互影响。

FDD要求移动通信系统则需要两个不同的频段或信道。两个信道之间需要有足够的间距来确保收发不会相互干扰。这样的系统必须对信号进行滤波或屏蔽，才能确保信号发送机不会影响邻近的接收机。FDD通常需要更多的频谱资源，一般情况下是TDD的两倍。FDD的另一个缺点在于，很难应用多输入多输出(MIMO)天线技术和波束成形技术，因此大幅提高传输速率困难。

参考资料