5G时代,有限的频谱被玩出了花

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本文来自无线深海
 
堪比黄金的频谱
 
无线频谱,是移动网络的生命之源,也是运营商最宝贵的资源。如果把无线网络比作信息高速公路的话,无线频谱就是建造这些公路的土地,稀有而昂贵。
 
当我们拿起手机上网时,各种数据都必须承载在特定频率的电磁波上,并通过基站发送给手机。电磁波有个特点,就是怕干扰,因此每个国家都对频谱的使用有着严格的管理,通过拍卖或者分配的方式进行授权,确保一段频谱只能被一家运营商独占使用。
 
在5G之前,最常用于无线通信的频谱范围是300-3000MHz这一段,不同频率的传播特性也不同。频段越低,则波长越长,绕射能力强,穿透损耗小;频段越高,则波长越短,绕射能力弱,穿透损耗大。
 
由此可见,低频段更适合于无线网络覆盖, 因此700MHz或者900MHz等低于1GHz的频谱经常被称作“黄金频段”,这些低频段可用的频谱通常也就仅有几十兆带宽,足见其稀缺程度。
 
随着移动通信的发展,低频段有限的带宽无法满足使用,较高频段的频谱带宽大,意味着能修更宽的公路,从而更快地运送数据。因此从2G到4G的发展,就是从低到高,不断开发新频谱的过程。2G从900MHz起家,到了4G,已经开发到了2600MHz。
 
为了能有足够的带宽提供超高下载速率,5G不得不开发频率更高的频段,比如Sub6G主流的3.5GHz,4.9GHz等,甚至把传播损耗大,连大雨大树都难以穿透的毫米波(mmWave)也用了起来。
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为了在5G时代占领速率高地,全球各大运营商无不在频谱拍卖中一掷千金。看似豪气万丈,其实也着实是没办法,频谱虽贵也得咬牙买,不然以后5G业务难以发展,将陷入更大的被动。
 
在去年意大利的5G频谱拍卖中,跨国通信巨头沃达丰共花了24亿欧元。其中,3.5GHz上80M带宽就要近17亿欧元,700MHz上的10M带宽也得近7亿欧元。
 
有了频谱,相当于只是买到了5G的门票,后面的基站采购,工程建设,以及网络运维等也是一个个要填的大窟窿,运营商想要靠5G赚点钱的初始投入还真是不小。
 
因此,最大化地利用频谱,不断提升频谱效率,把花大代价买来的频谱的价值压榨到极致,成为了业界孜孜不倦的追求。
 
多模间频谱重耕的难题
 
从2G到5G这样不断地扩张新频谱的方式,相当于不断新修更宽的路,这种一刀切的简单粗暴方式虽说方便快捷,没有历史包袱,但同时也有明显的不足之处。
 
随着频率的升高,新频段的覆盖能力越来越弱,想要达到连续覆盖就需要建更多的站点。如果花大力气建了一批5G站点,结果连手机上5G LOGO的显示都时有时无,运营商不满意,用户更不满意。
 
因此,如何把5G载波部署在已被2G/3G/4G占用的较低频段上,以此来提升5G的基础覆盖,成为了运营商亟待解决的问题。
 
最直接的方案就是频谱重耕。也就是把原先被2G,3G或者4G占用的较低频段的频谱直接切下一块来改做5G,再和新部署的5G新频谱进行载波聚合,容量和覆盖兼顾,这样是否可行呢?
 
其实,这样也是有问题的。
 
首先,虽说2G和3G用户已经越来越少,价值也越来越低,但还是会长期存在,不可能把这些用户拒之门外。因此2G和3G还必须占用一定的频谱来提供薄网覆盖。
 
再者,4G目前的用户数正如日中天。据知名咨询公司GlobalData的估计,目前约有86%的流量承载在4G上,妥妥的是运营商的赚钱机器。
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目前用户已经在抱怨4G网络拥塞,网速越来越慢了,如果此时为了还未发展起来的5G再割走一部分4G频谱,眼睁睁地看着4G流量损失,无疑是得不偿失的。
 
最后,5G刚开始发展,用户数少,网络空闲,但宣传作用极大。此时,部署低频段5G的初衷是提供连续的覆盖,但低频段能支撑的下载速率比较有限,让5G大量固定占用4G的频谱是不合适的。
 
运营商面对2G/3G的频谱必须得保留,4G作为数据业务主力频谱又紧缺,5G覆盖还在嗷嗷待哺的胶着局面,巧妇难为无米之炊,这可咋办?
 
划时代的创新:动态频谱共享
 
其实,各大通信设备商巨头在4G时代就已经在积极探索各种制式的无线接入网络之间的频谱共享技术,并取得了丰硕的成果。
 
华为的Cloud Air以及中兴的Magic Radio Pro方案都是其中的翘楚,能把有限的频谱集中管理,智能调度,在2G,3G,4G,以及NB-IoT等不同技术之间动态共享,真正做到物尽其用。
 
如下图所示,这些不同制式间的动态频谱共享技术,在提供性能良好的2/3G打底网络的同时,每时每刻都把尽可能多的频谱用在效率更高的4G上。
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在2G,3G,以及NB-IoT这些制式中,占用带宽最大,最有潜力压缩带宽,并给4G甚至5G共享频谱的就是3G了。 
 
虽然标准的3G载波需要5M带宽,但实际上,在话务量较少,可以适当忍受速率损失的场景,将其压缩到3.8M乃至2.6M也都是能工作的。这样一来,3G占用的频谱就可以按需伸缩,动态和4G共享。
 
也就是说,从3G载波中可以再压榨出1.2M到2.4M的带宽用于4G。这些带宽看起来不多,但把这些资源用于4G的频谱效率是高于3G的,在频谱尤为稀缺的低频上能带来不少增益。
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到了5G时代,协议定义了动态频谱共享(DSS,Dynamic Spectrum Sharing)技术,可以让4G和5G可以毫秒级实时共享同一段频谱,4G需求多了就给4G多分一些,5G流量上来了就给5G多分一些,完全按需调度,杜绝频谱闲置。
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然而标准的DSS只考虑了4G和5G之间的频谱共享。但实际上,较低频段上除了4G之外,一般还存在2G或者3G,这就需要对这个技术进行增强,从4G/5G双模扩展到多模,使其可以在3G,4G和5G之间动态共享频谱。
 
为应对标准DSS技术的不足,中兴率先在Magic Radio Pro方案包的基础之上做了增强和创新,把成熟的2G/3G/4G频谱共享技术和4G/5G DSS技术结合,提出了SuperDSS方案,尤其是在2100MHz上进行3G/4G/5G这三个制式之间的动态频谱共享,各制式按需占用资源,可解决既需要保留2/3G用户基本业务,又需要最大化5G体验的痛点。
 
接着,华为也宣布扩展了原先的CloudAir方案包,引入了含5G在内的三模共存场景,支持三种制式的动态共享。
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以20M带宽为例,如果使用传统的DSS,只能配置4G和5G动态共享15M带宽,另外的5M留给3G静态使用;而使用了SuperDSS之后,3G,4G和5G可以在整个20M带宽范围内动态共享频谱,从而提升频谱利用率。
 
近日,河南联通已在安阳市率先完成全球首个SuperDSS方案的商用验证,通过在2100MHz频谱上进行3G/4G/5G三模实时动态共享,在优先保障5G用户体验的同时兼顾3G和4G用户,相比频谱静态分配,总的数据吞吐量提升了35%。
 
为什么Super DSS能快速取得如此高的增益?其智能频谱共享算法,RRU滤波器优化,以及抗干扰算法等技术都已得到了市场的考验,在此基础上把技术推向5G应用也是顺理成章的。
 
在5G时代,高速率,大连接,高可靠等多个特性促使了人工智能(AI,Artificial Intelligence)的繁荣,5G+AI大势所趋,使用AI的方式来进行智能化的频谱共享,更是时代的趋势。
 
无线频谱,这一稀缺的宝贵资源,正是在业界共同创新之下,从简单粗暴的静态分配,到多模之间的实时动态共享,使得频谱效率不断提升,有限的资源发挥出更大的价值。
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