3.2.2 不同频段的特点

5G频谱在4G频谱的基础上，从Sub-6GHz扩展到毫米波，并继承了Sub-6GHz部分频段。6G将在5G的应用需求上进一步发展，因此6G频谱也将继续继承5G频谱并继续扩展。Sub-6GHz与毫米波不能够满足6G新兴的应用的要求，因此有必要开发THz频段与可见光频段。图3.3所示为在典型的部署场景中这些频带的路径损耗，给出了不同频段之间的差异与每一部分的特点。接下来将对Sub-6GHz、毫米波、THz波与可见光频段的定义、区别与在通信中的应用做简要介绍。

1.Sub-6GHz

在4G蜂窝标准之前，蜂窝通信仅限于6GHz以下的传统频带，现在称为Sub-6GHz蜂窝频带。Sub-6GHz通常指低于6GHz的频段。在4G之后，随着应用需求的提高，仅使用低于6GHz的频段已不能满足更高的数据速率。频段范围也逐渐向高于6GHz的范围扩展。

相对于高频段的信号，Sub-6GHz经历的路径损耗小，穿透性强，不易受到阻塞。因此使用Sub-6GHz波段可实现较广的覆盖范围。4G频谱中，Sub-6GHz可以轻松应用于5G通信，因此Sub-6GHz也是5G中的重要波段，提供了连续覆盖和相对可靠的通信。对于6GHz以下的频带，3.5～4.2GHz之间的通信频带也被应用于5G中，并且可以提供高达300MHz的带宽。Sub-6G波段还可以为毫米波信号质量较差的用户设备提供可靠的数据通信。在高于6GHz频段中，由于高用户容量和干扰效应，宏基站和小小区基站之间的传输会成为一个瓶颈。低于6GHz的回程通信可以作为这个问题的解决方案。Sub-6GHz频带也可以被宏基站附近的用户用于上行链路和下行链路传输。在移动应用中，如连接的自主车辆、VR和AR，移动用户可能经常受到来自建筑物、车辆、植被、人类或城市家具引起的阻塞。因此在移动性下高频段范围内很难保证高可靠性，但在高频网络中无缝集成 Sub-6GHz可以提供超高可靠和高速无线接入。

另外，根据谷歌对相同范围内、相同基站数量的5G覆盖进行的测试实验，在Sub-6GHz下运营的5G网络覆盖率毫米波5倍以上。相比于Sub-6GHz的基站部署，毫米波基站由于需要进行大量部署，因此将导致较高的部署成本。

2.毫米波

毫米波频段的频段范围通常被定义为30～300GHz，其波长为1～10mm。毫米波的频谱丰富，可以实现每秒数千兆位的通信，数据速率最高可达100Gbps，具有较大的传输范围。由于具有较高的频率，这些波段因氧气吸收而面临严重衰减。在一些特殊的频带中，如35GHz、94GHz、140GHz和220GHz，传播经历相对较小的衰减，此时两点之间能够进行长距离通信。在其他频段如60GHz、120GHz和180GHz，衰减高达15dB/km，严重的阻塞也导致了较差的衍射。另外，路径损耗、分子吸收和大气衰减等都会引起毫米波传输范围的缩短。虽然较高的穿透和阻塞损失是毫米波通信系统存在的主要缺点，但在现代蜂窝系统中，毫米波的这一特点却有助于减轻干扰，可在蜂窝系统中实现密集的小区部署。另外由于更大的覆盖范围和移动性支持，毫米波通信也适用于回程通信。

与Sub-6GHz频段相比，毫米波频带的带宽增加了数百倍。毫米波传输在本质上与Sub-6GHz相比更安全。例如，对阻塞敏感性的高度衰减使得远程窃听者甚至很难偷听毫米波传输，除非它们离发射机非常近。而毫米波信号更容易受到阻塞和植物损耗的影响，这就需要高度定向的传输。在天线尺寸相同的情况下，毫米波频率下的天线元件比Sub-6GHz频率下的天线元件多。因此，形成的波束可以更窄，这可以进一步促进其他应用的发展，如探测雷达。另外，在现代蜂窝系统中，毫米波系统虽然具有较高的穿透和阻塞损失的缺点，但小小区的密集部署有助于减轻干扰。

5G之前，毫米波主要应用于雷达与卫星业务，近年来，运营商也开始使用毫米波实现通信。使用毫米波进行5G移动通信将需要大量基站来提供所需的覆盖范围。大约24GHz到大约100GHz的毫米波频率已经被探索作为5G标准的一部分。

毫米波频率可以实现室外基站之间的无线回程连接，这将降低光纤电缆的购置、安装和维护成本，特别是对于超密集网络。此外，数据服务器在高度定向的笔形波束的帮助下，通过毫米波频率进行通信，能够实现完全无线的数据中心。毫米波另一个潜在的应用是在高机动性情况下的车对车通信，包括子弹头列车和飞机，其中同时应用毫米波通信系统和Sub-6GHz的系统有可能提供更好的数据速率。

第五代蜂窝标准正式采用了毫米波系统，并为许可通信分配了几个毫米波子带。相对于Mbps数量级的数据速率，毫米波可实现Gbps数量级的数据速率，满足5G复杂应用的需求。但是5G标准无法满足未来十年数据流量的预测增长率。例如，802.11ad标准中，工业、科学和医疗频带可达到6.8Gbps，但是实验室环境中的速率只能达到1Gbps。毫米波频段连续可用带宽小于10GHz，因而难以实现Tbps的数据速率需求。由于毫米波中数据速率的限制，全自动无人驾驶车辆与虚拟现实等应用将继续受到毫米波的影响。许多新兴应用将通过利用0.1～10THz的THz频谱范围，扩大应用性能。

3.THz频段

毫米波通信可实现的数据速率，可以满足5G中的大部分应用需求。但未来一些新兴应用可能需要5G系统不支持的Tbps链路，实现Tbps级别的数据速率的目标引起了人们对探索THz波段的浓厚兴趣。

THz波段处于微波波段与光学波段之间，其低频段与电子学领域的毫米波频段有重叠，高频段与光学领域的远红外频段有重叠。通常来说，THz频率范围在0.1～10THz之间，有约10THz的候选频谱，波长为0.03～3.0mm，是整个电磁波谱中的最后一个范围，从100GHz到200GHz的波段也被称为亚THz波段。根据IEEE THz科学与技术学报可知，THz的范围是300GHz～10THz，这与ITU-R定义的超高频频段即300GHz～3THz相近。根据已有的实验测试，在240GHz时可以达到10Gbps的数据速率，在300GHz时可以达到64Gbps的数据速率，在300～500GHz频段可实现大于等于160Gbps的数据速率。

THz可以用于需要高吞吐量和低延迟的地方。WRC-19规定了在275-450GHz的THz频率范围共137GHz的带宽，分配给移动和固定服务（即275～296GHz、306～313GHz、318～333GHz和356～450GHz）。

但是THz频段的功率消耗较高，使用THz进行通信时的主要噪声来源是环境中的分子噪声。和毫米波相似，路径损耗、分子吸收和大气衰减等也容易引起THz传输范围的缩短。THz频带具有一组随距离变化的传输窗口，带宽超过几十GHz甚至是THz。

THz波和毫米波是相邻的波段，但它们的性质不同。相比之下，毫米波频段的连续可用带宽小于10GHz，无法支持Tbps链路速度，而THz频段的距离变化传输窗口高达THz带宽。如果要达到100 Gbps的数据速率，需要达到14bps/Hz的频谱效率。在THz波段，随着频率的增加，Tbps可以实现bps/Hz级别的频谱效率。与毫米波相比，THz波段的自由空间衍射更小、波长更短，在相同的发射器孔径下，THz波段也可以实现更高的波束方向性。通过在THz通信中使用高方向性天线，可以降低发射功率与天线之间的干扰。较强的方向性增加了波束对准和波束跟踪的难度和开销，同时减少了干扰管理的负担。由于THz波束的良好的方向性，在THz波段，被窃听的机会也比毫米波波段低，在毫米波波段，未经授权的用户也必须在同一窄波束上才能拦截消息。THz波的通信窗口高于毫米波，因此，THz频率更适合高数据速率和低距离通信。

自由空间衰减随着频率的增加而增加，毫米波中分子吸收损耗是主要由氧分子引起的，而THz波段分子吸收损耗主要是由水蒸气引起的。毫米波和THz波段的反射损耗都很高，导致NLoS路径比LoS路径损耗严重。在THz频段，当波长降低到1mm以下时，散射效应也会变得很严重，这将导致多径分量、角展度和延迟的增加。目前，毫米波天线比 THz天线成熟得多，因此可以为毫米波部署天线分集和波束控制和跟踪。

在60GHz和1THz，自由空间衰减是21.6dB和46dB，高于5GHz系统在相同的距离的衰减。此外还需要考虑分子吸收损耗，因为100GHz以上的衰减比低频带的衰减大得多。由于存在路径损耗与分子吸收，毫米波和THz波与其他系统相比具有极高的路径损耗。在毫米波与 Sub-6GHz波段，由于与表面相比极小的波长，低频段时光滑的表面在毫米波与THz波段都会变的粗糙。这一特征将会产生较高的反射损耗，从而造成多径效应减弱和散射环境稀疏。

4.可见光频段

过去二十年，随着移动数据流量的指数级增长，射频通信开始出现局限性。即使有高效的频率和空间复用，当前的射频频谱也不足以满足日益增长的流量需求。与此相比，包括数百THz无许可带宽的可见光谱完全未被用于通信。VLC在设计大容量移动数据网络时可以作为射频移动通信系统的补充。

可见光是电磁波谱中非常独特的一个频段，它是指人眼可以感知的电磁波谱部分。由于不同个体的感知能力差异，可见光的频段定义不太统一。可见光的频段为430THz至790THz，波长为390～750nm，数据速率为100Mbps至1Gbps。此频段的信号传播范围较短。可见光频段无须频段许可授权，可用于自由通信，功耗低，连接基础设施部署成本低，能够在不能使用射频的环境中提供无线数据连接。与传统采用的射频频段相比，V L C提供了超高带宽Sub-6GHz、零电磁干扰、自由丰富的无执照频谱和极高的频率复用。

在未来6G网络中，射频与VLC技术可以共存，6G可以受益于VLC的特性。混合射频VLC系统将同时利用两种技术的优势，使用射频可以克服VLC的限制，使用光无线接入网络则可以提高数据速率。