5G如何玩转频谱？这一篇给你说全，说透！

众所周知，无线频谱资源是移动网络的生命之源，且非常珍稀。为了提升频谱利用率，移动通信技术一直不断突破创新。本文将为你讲述一段伟大的无线技术创新历程。

 

1 频谱是移动通信的宝贵资源

 

先来了解一下啥叫无线频谱？啥叫载波？啥叫载波带宽？

 

当我们拿起手机上网时，数据流承载于特定频率的无线电波上，并通过基站天线传送到手机。这个特定频率的无线电波，就是无线频谱。承载了数据流的无线电波称为载波。载波的无线频段宽度称为载波带宽。

 

 

载波就像一条高速公路一样，在手机与基站之间来回运载数据。载波带宽越大，单位时间内传送的数据流越多，这好比道路越宽敞，车流更多更快，无线网速就更快。

 

为此，从1G到5G，运营商把路越修越宽。

 

 

 

如上图，3G WCDMA单载波带宽为5MHz，4G LTE单载波带宽高达20MHz，而5G NR进一步提升到100MHz。

 

但这样不断修路，也带来了一些问题。

 

频谱资源越来越紧张

 

每一个G到来，运营商都得单独为这个G修一条路，路越修越多，越修越宽。也就是说，2G来了要占一段频谱，3G来了要占一段频谱，4G来了又占一段频谱，5G来了还得占一段频谱，2/3/4/5G不同制式都要独占一段频谱，不能共享使用，就导致了有限的无线频谱资源越来越紧张。

 

频谱资源浪费

 

比如，2G用户越来越少，这条路上的车流量越来越少，而4G用户越来越多，这条路上的车流越来越拥挤，但2G和4G的道路是各自独立的，不能共享，就造成了资源分配不均和浪费。

 

频谱碎片化严重

 

另外，由于每一个G都会进行频谱分配、频谱拆开拍卖（主要在海外）和频率重耕等历史原因，还导致了频谱的碎片化。以4G为例，标准组织最初为LTE在400和3800MHz之间分配了约44个可用频段，但随着LTE网络部署规模不断扩大，预测越来越多的LTE网络分散部署于多个频段，使得频谱碎片化越来越严重。

 

这些现象带来的问题是，由于每段频谱所能提供的网络容量和吞吐量是有限的，导致有限的频谱资源的利用率和整体价值没有充分发挥出来。

 

怎么办呢？无线史上的一次伟大的创新技术诞生——载波聚合。

 

2 一次伟大的技术创新：载波聚合

 

为了满足人民群众不断提升的网速需求，在4G时代，3GPP在LTE-A（4.5G）阶段提出下行峰值速率要达到1 Gbps，但LTE单载波带宽最大只有20M，下行峰值速率最高只有150Mbps而已，怎么办呢？

 

载波聚合（CA，Carrier Aggregation）技术应运而生。

 

载波聚合，就是把零碎的频段“缝合”成一段更宽的频段，可聚合同一频段内连续的载波，也可聚合同一频段内非连续的载波，还可聚合不同频段上的非连续的载波。

 

正是这个“可聚合非连续的载波”，为载波聚合戴上了“无线史上的一次伟大的技术创新”的头冠。

 

众所周知，相较于3G，4G采用MIMO技术实现了网速倍增，但在这之前MIMO已应用于Wi-Fi和WiMAX；Wi-Fi可以将两个信道捆绑起来扩大带宽，提升网速，但只能是相邻的信道。

 

而只有4G载波聚合技术首次实现了可以将不同频段上的非连续载波“缝合”在一起。

 

如果说需求是发明的动力，那么载波聚合技术有三个动力，一个是提升网速的需求，另一个是解决频谱碎片化的需求，还有一个是提升频谱利用率的需求。

 

比如，载波聚合可以将800MHz、1.8GHz和2.6GHz上的三条独立的4G道路合并为一条宽敞大道，从而大幅提升了4G峰值速率，也解决了频谱碎片化问题，提升了频谱利用率。

 

 

 

4G LTE-A可支持5CC载波聚合，即可将5个LTE的最大单载波带宽（20MHz）合并为100MHz，从而可实现下行峰值速率从150Mbps提升到1Gbps。而LTE-A pro还可支持32CC载波聚合。

 

载波聚合是一次伟大的技术创新，如今已被4G网络广泛采用。但很可惜，它未能突破提升无线频谱利用率之路上的另一座高山——在不同制式的网络间实现“载波聚合”。

 

不过，无线技术创新的步伐永不停止。接下来，另一大里程碑式的创新技术登场了。

 

3 里程碑式的技术创新：动态频谱共享

 

每一个G的演进，都大幅度地提升了频谱效率。所以，让尽可能多的频谱资源为最新的移动通信技术服务，是让老制式频谱焕发新活力的正确思路。

 

最简单最直接的方式就是频谱重耕（Refarming），将老制式移动网络所占用的频谱腾出来给新制式的网络使用，比如将2G网络清退，腾出频谱资源给4G使用。以前是泥泞土路，现在升级为柏油路，利旧了土地资源，让车速提升了不少。

 

但实际情况并非这么简单，由于运营商的网络现在都是2G、3G、4G和5G多制式共存，这样一刀切的做法有可能损害消费者利益，不利于多种制式的平滑过渡。

 

于是，动态频谱共享（DSS，Dynamic Spectrum Sharing）闪亮登场，让不同制式的网络可以共享使用相同的频谱资源。比如，动态频谱共享技术可在4G和5G之间智能动态分配频谱，从而实现了频谱资源的高效利用。

 

 

 

有了动态频谱共享，再结合载波聚合技术，运营商可打通4G和5G频谱资源，提高资源利用效率，还能帮助运营商灵活高效地实现技术迭代。

 

以中国移动的160MHz带宽为例，这160M由100M NR和60M LTE组成。在4G向5G演进初期，5G的业务量还不稳定，为了避免资源浪费，可以动态调度40M的共享频谱为4/5G服务。

 

 

 

在5G用户较少、4G业务较多的时候，LNR 40M可以扩充4G容量，LTE还可以借助增加的载波数量，利用载波聚合进一步提高速率。而当出现5G用户繁忙、4G压力降低的场景，则可以通过LNR 40M动态扩展5G频谱带宽的方式来提升5G容量。

 

这样一来，中国移动就毫不浪费地充分利用了160MHz带宽资源，在充分保障4G体验的同时，实现了4G向5G平滑演进。

 

动态频谱共享首次在不同制式之间共享使用相同的频谱资源，可以说是移动通信发展史上的一次里程碑式的技术创新。

 

这项技术在华为叫做CloudAIR，这个名字很直观的诠释了动态频谱共享的核心思想，即“频谱云化”，按需使用。

 

但创新突破从来不容易，而随着5G支持的频谱带宽越来越大，技术突破难度更大。那么，要在大带宽下实现4G/5G动态频谱共享到底有多难呢？又是怎样克服的呢？

 

4 要想玩转频谱，还需要软硬件的极致性能做保障

 

动态频谱共享在多个制式共存的环境下工作，根据流量变化实时跨越两个不同制式网络进行资源调度，因此既要精准控制来自于不同制式和上下行间的干扰，又要达到毫秒级的资源调度响应速度。如果算法不到位，就会影响移动通信网络的性能，比如拥塞和掉话。

 

另外在硬件方面，无线设备（主要是AAU）可支持的频谱带宽能力，也是一项关键技术指标。

 

比如，有些运营商在1GHz以下频段实现动态频谱共享，总共支持的带宽可能不到20MHz；而中国移动要在2.6GHz频段上实现动态频谱共享，要求可支持带宽达160MHz。有些国家由于频谱碎片化严重，甚至要求可支持的带宽跨度更大。

 

 

 

如果设备无法支持160MHz以上的大带宽，结果会怎样呢？

 

还是以中国移动的160MHz带宽为例，如果设备仅支持100MHz带宽，这就意味着运营商不得不部署2套设备，一套支持100MHz，一套支持60MHz，这不仅无法支持160MHz带宽内的动态频谱共享，还大幅增加了网络成本。就好像虽然路宽了，设备能力跟不上，跑起来也不顺畅。

 

 

 

其实载波聚合也同样面临频谱跨度大的情况，所以，载波聚合+动态频谱共享+大带宽设备在5G时代是一计极具竞争力的组合拳。目前厂商硬件设备的在这些方面的能力各不相同，因为这涉及到包括芯片、材料、散热、算法等大量的底层技术研究。

 

要说清楚这个问题，还是从基站的基本工作原理说起吧。

 

 

 

如上图，AAU主要由数字信号处理部分、射频、功放、滤波器和天线组成。其中数字信号处理又包含了基带和数字中频，中频性能极其关键，决定了AAU的核心硬件指标。

 

以信号发射为例，基带信号是需要被传输的原始数字信号，射频就是以载波频率（比如C波段）调制的高频信号，经过放大和滤波后，由天线发射出去。

 

功放是线性器件，频谱越宽，其放大性能越难保证，就像音响的音量调到很大时候会产生破音。此外，由于5G在单位时间传输的数据量极大，对数字信号的处理能力也提出更高要求，这些限制了AAU的瞬时带宽（IBW）。

 

而衔接基带和射频的正是数字中频，将基带信号进行上变频和预处理，为射频进行模数转换和载波调制打好基础。AAU要做到大带宽，为射频提供高速和可靠的数字信号预处理能力的数字中频性能就是突破的关键。

 

华为在这方面已经形成了独特的优势：一方面华为的数字中频集成先进的数字预失真（DPD算法），提前补偿功放带来的失真，增加了功放的有效放大区域；另一方面，得益于自研的7nm ASIC芯片替代FPGA，让DPD算法和数字信号处理完全芯片化，效率提升显著。目前，华为华为IBW可以做到200M或400M，让更宽的频谱可以得到更有效的利用。

 

AAU还有一个巨大的挑战就是功耗，这也是5G运营中不容忽视的开销。

 

功放是耗电大户，它在能量转换过程中会产生一部分无效的热能，优化功放效率无疑是解决功耗问题的重点。在这方面，华为率先采用高频特性更好的氮化镓（GaN）作为功放材质，与中频的DPD算法相结合，实现了业界领先的功放效率。

 

另外，在整体上华为自研ASIC专用集成电路和射频芯片化（RFSoC）技术让AAU集成度更高，配合整机散热技术，进一步降低设备的体积和功耗。同时，轻型材质陶瓷滤波器的使用，让AAU的重量得到有效控制。

 

正是以上这些底层技术的突破以及端到端的优化，使华为5G AAU设备在性能、功耗、体积和重量方面走在了业界的前列。

 

也正是因为这些无线技术不断往前突破前行，让我们看到了无线产业矢志追求的终极梦想正在一步步接近。

 

那无线产业的终极梦想是什么？为了最大化提升频谱资源利用率，我们的终极梦想是，一改过去预先分配且不同制式、不同类型的无线网络独占频谱资源的方式，在支持超带宽的基础上，通过频谱云化、软件定义化、人工智能和频谱感测能力等，可根据不同的通信需求为不同制式、不同类型的无线网络自动、灵活地动态分配频谱资源。

 

载波聚合史无前例地将不同频段上的非连续载波聚合为更大的带宽，动态频谱共享实现了不同制式网络可灵活动态地分配相同的频谱资源，这些创新突破意味着我们正一步一步走向无线产业的终极梦想。

 

创新不息，追梦不止。为了让有限的频谱资源迸发出更大的价值，相信未来还有更精彩的无线技术创新故事等着我们。