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告别频段盲区:4G/5G通信频谱与双工模式通俗详解

10/13 12:24
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从第一代移动通信网络1G问世起,电信运营商就开始利用无线电频率收发语音和数据。为满足人们对速率、容量以及低时延不断增长的需求,2G、3G、LTE(4G),再到如今的5G,每一代通信技术都分配了更多的频段。

一、核心要点

LTE和5G新空口频段编号规则:LTE频段直接用数字标识(例如B1、B3),5G新空口频段前面加字母n(例如n78、n41)。部分频段可同时供LTE和5G新空口共用。

两种双工模式:FDD频分双工,上下行使用相互独立的频率;TDD时分双工,上下行共用同一个频率,依靠时隙切换来区分收发。

FR1和FR2对比:5G新空口划分成两个频率区间。FR1也就是7GHz以下频段,常称Sub-6G,覆盖能力强,穿透建筑物效果好;FR2即毫米波,频率高于24GHz,传输速率极高,但传输距离短。

可用频段超80个:仅Sub-6G频谱就有80多个在用频段,同时毫米波频段还在持续规划新频段,支撑日益增长的5G需求。

频段选择至关重要:频段直接决定覆盖范围、传输速率和终端兼容性,这也是现在智能手机需要同时支持几十个频段的原因。

Sub-6G频谱里有80多个在用频段,毫米波还有大量新频段待分配。FDD频分双工模式下,上下行会占用频段内不同的频率区间。

下面介绍几个和LTE频段相关的常用术语:

二、下行与上行

1、下行链路

从用户终端(手机)角度来说,下行就是基站发射、手机接收的信号。不同运营商有的使用独立频段,也有的共用同一个频段。

举个例子,你刷视频或者打开网页,数据就是通过下行链路传到手机。大部分用户下载的数据远多于上传,所以下行速率通常比上行更高。

2、上行链路

从用户终端角度看,上行就是手机发给基站的信号。

上传照片、视频通话,或是往云服务器发送数据,这些都属于上行业务。在FDD网络里,上行和下行使用不同频率,同时收发。

新款移动终端可以支持全球多家运营商的多个频段。

三、双工模式

LTE有两种工作模式:FDD和TDD

频分双工模式下,发射和接收使用相互独立的频段。两段频率之间留有明显的频率间隔,这个间隔就叫保护带。

FDD常应用在B1、B3、B7这类低频段。由于上下行能在不同频率上同时工作,FDD很适合语音通话以及需要上下行速率相对均衡的业务。

足够宽的保护带,能够降低收发同时工作时频段之间产生的干扰。

时分双工模式下,全部频谱都可用来收发数据。当处于发射(上行)状态时,接收功能关闭,终端不会接收任何数据。同理,处于接收(下行)状态时,发射功能停止工作。

TDD广泛应用在n41、n77、n78这类高频段,也是全球部署最多的5G新空口频段。因为上下行共用同一频率,TDD可以在需要更高下载速率时,动态分配更多时隙给下行,非常适合大数据量业务。

系统会给上行、下行分别分配独立时隙。上下行切换中间,还有一小段不能收发信号的时间,叫做保护间隔。

时分双工模式下,全部频谱都可用来收发数据。当处于发射(上行)状态时,接收功能关闭,终端不会接收任何数据。同理,处于接收(下行)状态时,发射功能停止工作。

TDD广泛应用在n41、n77、n78这类高频段,也是全球部署最多的5G新空口频段。因为上下行共用同一频率,TDD可以在需要更高下载速率时,动态分配更多时隙给下行,非常适合大数据量业务。

系统会给上行、下行分别分配独立时隙。上下行切换中间,还有一小段不能收发信号的时间,叫做保护间隔。

带宽指每个频段内可以使用的频率范围。想要实现更高的数据传输速率,就需要更大的带宽。

举例:40频段

起始频率(f1):2300MHz

终止频率(f2):2400MHz

带宽 = f2 − f1 = 100MHz

5G新空口支持的带宽随频段不同而变化。FR1频段支持5MHz到100MHz的信道带宽;FR2毫米波频段单信道最高可达400MHz。带宽越宽,峰值速率越高,这也是毫米波5G理论上能实现数Gbps速率的原因。

四、什么是5G新空口频段?

5G新空口频段,就是用于5G通信的特定无线电频段。这类频段分成两大范围:FR1(7GHz以下,也就是常说的Sub-6G)和FR2(毫米波)。

FR1频率更低(6GHz以下),覆盖范围广,穿透能力好。FR2频率高于24GHz,速率极高、时延低,但覆盖距离短。

所有5G新空口频段都有对应的编号(如n78、n41、n260),根据部署方案,支持FDD、TDD或者两种双工模式。

五、LTE和5G新空口频段清单

不同频段的部署规模和重要程度各不相同,有几个频段是全球LTE和5G网络的主力频段。B3频段(1800MHz)是全球部署最广的LTE频段之一,欧洲、亚洲、中东运营商都在用。

B7频段(2600MHz)多用于城区,提升LTE网络容量。在5G新空口中,n78频段(3300–3800MHz)是全球大多数运营商首选的中频频段,在覆盖和速率之间取得很好的平衡。

n41频段(2496–2690MHz)在美国和中国大量使用;n77频段(3300–4200MHz)主要在北美部署。毫米波部署方面,n257和n258是最常用的FR2频段。

Sub-6GHz(FR1)LTE与5G新空口频段清单。

5G新空口FR2频段清单

FR2毫米波频段的峰值速率可以超过1Gbps,但传播距离短、建筑物穿透能力差,所以需要密集部署小基站。目前主要在高密度城区、机场、体育馆以及对容量要求很高的室内场所使用。

6GHz以上5G新空口频段(FR2)

为支撑物联网这类海量设备接入,Sub‑6GHz频段还需要预留可用频谱。未来5G网络会利用毫米波频谱,满足更高的速率需求。

想了解更多FR3频段相关内容,可以查阅资料。

六、补充上行链路(SUL)

SUL是5G新空口一项关键特性,用来解决高频TDD组网里一个核心难题:上行覆盖短板。手机终端的发射功率远低于基站,在高频环境下,上行信号衰减会比下行快得多。SUL的解决思路是,给主TDD频段搭配一个低频段,专门用来做上行发射。

举个例子,运营商部署n77或n78这类中频5G时,可以搭配n80(1710–1785MHz)作为SUL频段。低频传播距离更远,穿墙能力更强,当终端移动到小区边缘时,就通过SUL频段承载上行业务。SUL频段不承载下行数据,它的全部作用就是扩大网络有效覆盖半径、提升容量,在乡村组网和大型室内场馆场景效果突出。

最后总结一下:

LTE和5G新空口频段是现代移动通信的基础。FR1的Sub‑6GHz频段负责广覆盖,FR2毫米波频段提供千兆级高速率,每个频段在整个网络架构中各司其职。

对于射频工程、网络规划、终端研发人员来说,掌握频段编号、双工模式以及频率范围非常重要。随着5G网络持续成熟,再加上FR3中频频谱投入使用,频段规划的复杂度只会越来越高,相关知识也会愈发重要。

Tips:FAQ常见问题解答

1、LTE频段和5G新空口频段有什么区别?

答:LTE频段直接用数字命名,例如B1、B3、B7。5G新空口频段编号规则类似,但编号前面加字母n,比如n1、n3、n78。如果5G新空口频段和现有4G频谱重合,两者会共用同一个频段编号。运营商可以通过动态频谱共享(DSS)技术,在同一段频谱上同时承载两种网络业务。

2、5G新空口的FR1和FR2有什么区别?

答:FR1指6GHz以下频段,是5G广覆盖的主力频谱,穿墙能力好、覆盖距离远,绝大多数商用5G网络都依靠FR1。FR2是24GHz以上的毫米波频段,速率极高、时延低,但传输距离短,穿墙性能差,一般部署在高密度城区、体育馆和室内场馆。

3、全球最常用的5G频段有哪些?

全球部署最广泛的5G新空口频段:欧亚地区多用n78(3300–3800MHz);北美和亚洲使用n77(3300–4200MHz);中美大量部署n41(2496–2690MHz)。毫米波场景下,n257、n258是最主流的FR2频段。

4、LTE和5G里FDD与TDD的区别是什么?

答:FDD的上下行使用相互独立的频段,可以同时收发信号,多用于低频段,适合语音通话以及上下行流量相对均衡的业务。TDD上下行共用同一个频段,依靠时隙切换区分收发。TDD灵活性更高,当下载需求大时,可以分配更多时隙给下行,适合大数据业务。

5、为什么手机要支持这么多频段?

答:全球各地运营商拿到的频谱许可、网络架构各不相同。面向全球销售的手机,必须兼容几十个频段,才能在不同国家和运营商网络中正常漫游。举个例子,现在主流旗舰手机一般支持20个以上LTE频段和10个以上5G新空口频段。

6、什么是5G新空口的SUL频段?

答:SUL全称补充上行链路。这是5G新空口的一项技术,选用低频段专门承载上行信号,用来提升上行覆盖和容量。像n80、n81、n82这类SUL频段没有配对的下行频段,它搭配主TDD频段一起工作,用来改善主频段上行信号不足区域的覆盖距离。

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一个十几年通信研发从业经验的攻城狮,提供工作经验、行业知识分享以及相关技术讨论。