無(wú)線頻譜載波和載波帶寬技術(shù)解析

所周知，無(wú)線頻譜資源是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的生命之源，且非常珍稀。為了提升頻譜利用率，移動(dòng)通信技術(shù)一直不斷突破創(chuàng)新。本文將為你講述一段偉大的無(wú)線技術(shù)創(chuàng)新歷程。

1 頻譜是移動(dòng)通信的寶貴資源

先來(lái)了解一下啥叫無(wú)線頻譜？啥叫載波？啥叫載波帶寬？

當(dāng)我們拿起手機(jī)上網(wǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)流承載于特定頻率的無(wú)線電波上，并通過(guò)基站天線傳送到手機(jī)。這個(gè)特定頻率的無(wú)線電波，就是無(wú)線頻譜。承載了數(shù)據(jù)流的無(wú)線電波稱為載波。載波的無(wú)線頻段寬度稱為載波帶寬。

載波就像一條高速公路一樣，在手機(jī)與基站之間來(lái)回運(yùn)載數(shù)據(jù)。載波帶寬越大，單位時(shí)間內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)流越多，這好比道路越寬敞，車流更多更快，無(wú)線網(wǎng)速就更快。

為此，從1G到5G，運(yùn)營(yíng)商把路越修越寬。

如上圖，3G WCDMA單載波帶寬為5MHz，4G LTE單載波帶寬高達(dá)20MHz，而5G NR進(jìn)一步提升到100MHz。

但這樣不斷修路，也帶來(lái)了一些問(wèn)題。

頻譜資源越來(lái)越緊張

每一個(gè)G到來(lái)，運(yùn)營(yíng)商都得單獨(dú)為這個(gè)G修一條路，路越修越多，越修越寬。也就是說(shuō)，2G來(lái)了要占一段頻譜，3G來(lái)了要占一段頻譜，4G來(lái)了又占一段頻譜，5G來(lái)了還得占一段頻譜，2/3/4/5G不同制式都要獨(dú)占一段頻譜，不能共享使用，就導(dǎo)致了有限的無(wú)線頻譜資源越來(lái)越緊張。

頻譜資源浪費(fèi)

比如，2G用戶越來(lái)越少，這條路上的車流量越來(lái)越少，而4G用戶越來(lái)越多，這條路上的車流越來(lái)越擁擠，但2G和4G的道路是各自獨(dú)立的，不能共享，就造成了資源分配不均和浪費(fèi)。

頻譜碎片化嚴(yán)重

另外，由于每一個(gè)G都會(huì)進(jìn)行頻譜分配、頻譜拆開(kāi)拍賣（主要在海外）和頻率重耕等歷史原因，還導(dǎo)致了頻譜的碎片化。以4G為例，標(biāo)準(zhǔn)組織最初為L(zhǎng)TE在400和3800MHz之間分配了約44個(gè)可用頻段，但隨著LTE網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)模不斷擴(kuò)大，預(yù)測(cè)越來(lái)越多的LTE網(wǎng)絡(luò)分散部署于多個(gè)頻段，使得頻譜碎片化越來(lái)越嚴(yán)重。

這些現(xiàn)象帶來(lái)的問(wèn)題是，由于每段頻譜所能提供的網(wǎng)絡(luò)容量和吞吐量是有限的，導(dǎo)致有限的頻譜資源的利用率和整體價(jià)值沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。

怎么辦呢？無(wú)線史上的一次偉大的創(chuàng)新技術(shù)誕生——載波聚合。

2 一次偉大的技術(shù)創(chuàng)新：載波聚合

為了滿足人民群眾不斷提升的網(wǎng)速需求，在4G時(shí)代，3GPP在LTE-A（4.5G）階段提出下行峰值速率要達(dá)到1 Gbps，但LTE單載波帶寬最大只有20M，下行峰值速率最高只有150Mbps而已，怎么辦呢？

載波聚合（CA，Carrier Aggregation）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

載波聚合，就是把零碎的頻段“縫合”成一段更寬的頻段，可聚合同一頻段內(nèi)連續(xù)的載波，也可聚合同一頻段內(nèi)非連續(xù)的載波，還可聚合不同頻段上的非連續(xù)的載波。

正是這個(gè)“可聚合非連續(xù)的載波”，為載波聚合戴上了“無(wú)線史上的一次偉大的技術(shù)創(chuàng)新”的頭冠。

眾所周知，相較于3G，4G采用MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)速倍增，但在這之前MIMO已應(yīng)用于Wi-Fi和WiMAX；Wi-Fi可以將兩個(gè)信道捆綁起來(lái)擴(kuò)大帶寬，提升網(wǎng)速，但只能是相鄰的信道。

而只有4G載波聚合技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了可以將不同頻段上的非連續(xù)載波“縫合”在一起。

如果說(shuō)需求是發(fā)明的動(dòng)力，那么載波聚合技術(shù)有三個(gè)動(dòng)力，一個(gè)是提升網(wǎng)速的需求，另一個(gè)是解決頻譜碎片化的需求，還有一個(gè)是提升頻譜利用率的需求。

比如，載波聚合可以將800MHz、1.8GHz和2.6GHz上的三條獨(dú)立的4G道路合并為一條寬敞大道，從而大幅提升了4G峰值速率，也解決了頻譜碎片化問(wèn)題，提升了頻譜利用率。

4G LTE-A可支持5CC載波聚合，即可將5個(gè)LTE的最大單載波帶寬（20MHz）合并為100MHz，從而可實(shí)現(xiàn)下行峰值速率從150Mbps提升到1Gbps。而LTE-A pro還可支持32CC載波聚合。

載波聚合是一次偉大的技術(shù)創(chuàng)新，如今已被4G網(wǎng)絡(luò)廣泛采用。但很可惜，它未能突破提升無(wú)線頻譜利用率之路上的另一座高山——在不同制式的網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)“載波聚合”。

不過(guò)，無(wú)線技術(shù)創(chuàng)新的步伐永不停止。接下來(lái)，另一大里程碑式的創(chuàng)新技術(shù)登場(chǎng)了。

3 里程碑式的技術(shù)創(chuàng)新：動(dòng)態(tài)頻譜共享

每一個(gè)G的演進(jìn)，都大幅度地提升了頻譜效率。所以，讓盡可能多的頻譜資源為最新的移動(dòng)通信技術(shù)服務(wù)，是讓老制式頻譜煥發(fā)新活力的正確思路。

最簡(jiǎn)單最直接的方式就是頻譜重耕（Refarming），將老制式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所占用的頻譜騰出來(lái)給新制式的網(wǎng)絡(luò)使用，比如將2G網(wǎng)絡(luò)清退，騰出頻譜資源給4G使用。以前是泥濘土路，現(xiàn)在升級(jí)為柏油路，利舊了土地資源，讓車速提升了不少。

但實(shí)際情況并非這么簡(jiǎn)單，由于運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在都是2G、3G、4G和5G多制式共存，這樣一刀切的做法有可能損害消費(fèi)者利益，不利于多種制式的平滑過(guò)渡。

于是，動(dòng)態(tài)頻譜共享（DSS，Dynamic Spectrum Sharing）閃亮登場(chǎng)，讓不同制式的網(wǎng)絡(luò)可以共享使用相同的頻譜資源。比如，動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)可在4G和5G之間智能動(dòng)態(tài)分配頻譜，從而實(shí)現(xiàn)了頻譜資源的高效利用。

有了動(dòng)態(tài)頻譜共享，再結(jié)合載波聚合技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商可打通4G和5G頻譜資源，提高資源利用效率，還能幫助運(yùn)營(yíng)商靈活高效地實(shí)現(xiàn)技術(shù)迭代。

以中國(guó)移動(dòng)的160MHz帶寬為例，這160M由100M NR和60M LTE組成。在4G向5G演進(jìn)初期，5G的業(yè)務(wù)量還不穩(wěn)定，為了避免資源浪費(fèi)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)度40M的共享頻譜為4/5G服務(wù)。

在5G用戶較少、4G業(yè)務(wù)較多的時(shí)候，LNR 40M可以擴(kuò)充4G容量，LTE還可以借助增加的載波數(shù)量，利用載波聚合進(jìn)一步提高速率。而當(dāng)出現(xiàn)5G用戶繁忙、4G壓力降低的場(chǎng)景，則可以通過(guò)LNR 40M動(dòng)態(tài)擴(kuò)展5G頻譜帶寬的方式來(lái)提升5G容量。

這樣一來(lái)，中國(guó)移動(dòng)就毫不浪費(fèi)地充分利用了160MHz帶寬資源，在充分保障4G體驗(yàn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了4G向5G平滑演進(jìn)。

動(dòng)態(tài)頻譜共享首次在不同制式之間共享使用相同的頻譜資源，可以說(shuō)是移動(dòng)通信發(fā)展史上的一次里程碑式的技術(shù)創(chuàng)新。

這項(xiàng)技術(shù)在華為叫做CloudAIR，這個(gè)名字很直觀的詮釋了動(dòng)態(tài)頻譜共享的核心思想，即“頻譜云化”，按需使用。

但創(chuàng)新突破從來(lái)不容易，而隨著5G支持的頻譜帶寬越來(lái)越大，技術(shù)突破難度更大。那么，要在大帶寬下實(shí)現(xiàn)4G/5G動(dòng)態(tài)頻譜共享到底有多難呢？又是怎樣克服的呢？

4 要想玩轉(zhuǎn)頻譜，還需要軟硬件的極致性能做保障

動(dòng)態(tài)頻譜共享在多個(gè)制式共存的環(huán)境下工作，根據(jù)流量變化實(shí)時(shí)跨越兩個(gè)不同制式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源調(diào)度，因此既要精準(zhǔn)控制來(lái)自于不同制式和上下行間的干擾，又要達(dá)到毫秒級(jí)的資源調(diào)度響應(yīng)速度。如果算法不到位，就會(huì)影響移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的性能，比如擁塞和掉話。

另外在硬件方面，無(wú)線設(shè)備（主要是AAU）可支持的頻譜帶寬能力，也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

比如，有些運(yùn)營(yíng)商在1GHz以下頻段實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享，總共支持的帶寬可能不到20MHz；而中國(guó)移動(dòng)要在2.6GHz頻段上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享，要求可支持帶寬達(dá)160MHz。有些國(guó)家由于頻譜碎片化嚴(yán)重，甚至要求可支持的帶寬跨度更大。

如果設(shè)備無(wú)法支持160MHz以上的大帶寬，結(jié)果會(huì)怎樣呢？

還是以中國(guó)移動(dòng)的160MHz帶寬為例，如果設(shè)備僅支持100MHz帶寬，這就意味著運(yùn)營(yíng)商不得不部署2套設(shè)備，一套支持100MHz，一套支持60MHz，這不僅無(wú)法支持160MHz帶寬內(nèi)的動(dòng)態(tài)頻譜共享，還大幅增加了網(wǎng)絡(luò)成本。就好像雖然路寬了，設(shè)備能力跟不上，跑起來(lái)也不順暢。

其實(shí)載波聚合也同樣面臨頻譜跨度大的情況，所以，載波聚合+動(dòng)態(tài)頻譜共享+大帶寬設(shè)備在5G時(shí)代是一計(jì)極具競(jìng)爭(zhēng)力的組合拳。目前廠商硬件設(shè)備的在這些方面的能力各不相同，因?yàn)檫@涉及到包括芯片、材料、散熱、算法等大量的底層技術(shù)研究。

要說(shuō)清楚這個(gè)問(wèn)題，還是從基站的基本工作原理說(shuō)起吧。

如上圖，AAU主要由數(shù)字信號(hào)處理部分、射頻、功放、濾波器和天線組成。其中數(shù)字信號(hào)處理又包含了基帶和數(shù)字中頻，中頻性能極其關(guān)鍵，決定了AAU的核心硬件指標(biāo)。

以信號(hào)發(fā)射為例，基帶信號(hào)是需要被傳輸?shù)脑紨?shù)字信號(hào)，射頻就是以載波頻率（比如C波段）調(diào)制的高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和濾波后，由天線發(fā)射出去。

功放是非線性器件，頻譜越寬，其放大性能越難保證，就像音響的音量調(diào)到很大時(shí)候會(huì)產(chǎn)生破音。此外，由于5G在單位時(shí)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量極大，對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理能力也提出更高要求，這些限制了AAU的瞬時(shí)帶寬（IBW）。

而銜接基帶和射頻的正是數(shù)字中頻，將基帶信號(hào)進(jìn)行上變頻和預(yù)處理，為射頻進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和載波調(diào)制打好基礎(chǔ)。AAU要做到大帶寬，為射頻提供高速和可靠的數(shù)字信號(hào)預(yù)處理能力的數(shù)字中頻性能就是突破的關(guān)鍵。

華為在這方面已經(jīng)形成了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：一方面華為的數(shù)字中頻集成先進(jìn)的數(shù)字預(yù)失真（DPD算法），提前補(bǔ)償功放帶來(lái)的失真，增加了功放的有效放大區(qū)域；另一方面，得益于自研的7nmASIC芯片替代FPGA，讓DPD算法和數(shù)字信號(hào)處理完全芯片化，效率提升顯著。目前，華為華為IBW可以做到200M或400M，讓更寬的頻譜可以得到更有效的利用。

AAU還有一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)就是功耗，這也是5G運(yùn)營(yíng)中不容忽視的開(kāi)銷。

功放是耗電大戶，它在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一部分無(wú)效的熱能，優(yōu)化功放效率無(wú)疑是解決功耗問(wèn)題的重點(diǎn)。在這方面，華為率先采用高頻特性更好的氮化鎵（GaN）作為功放材質(zhì)，與中頻的DPD算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的功放效率。

另外，在整體上華為自研ASIC專用集成電路和射頻芯片化（RFSoC）技術(shù)讓AAU集成度更高，配合整機(jī)散熱技術(shù)，進(jìn)一步降低設(shè)備的體積和功耗。同時(shí)，輕型材質(zhì)陶瓷濾波器的使用，讓AAU的重量得到有效控制。

正是以上這些底層技術(shù)的突破以及端到端的優(yōu)化，使華為5G AAU設(shè)備在性能、功耗、體積和重量方面走在了業(yè)界的前列。

也正是因?yàn)檫@些無(wú)線技術(shù)不斷往前突破前行，讓我們看到了無(wú)線產(chǎn)業(yè)矢志追求的終極夢(mèng)想正在一步步接近。

那無(wú)線產(chǎn)業(yè)的終極夢(mèng)想是什么？為了最大化提升頻譜資源利用率，我們的終極夢(mèng)想是，一改過(guò)去預(yù)先分配且不同制式、不同類型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獨(dú)占頻譜資源的方式，在支持超帶寬的基礎(chǔ)上，通過(guò)頻譜云化、軟件定義化、人工智能和頻譜感測(cè)能力等，可根據(jù)不同的通信需求為不同制式、不同類型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)、靈活地動(dòng)態(tài)分配頻譜資源。

載波聚合史無(wú)前例地將不同頻段上的非連續(xù)載波聚合為更大的帶寬，動(dòng)態(tài)頻譜共享實(shí)現(xiàn)了不同制式網(wǎng)絡(luò)可靈活動(dòng)態(tài)地分配相同的頻譜資源，這些創(chuàng)新突破意味著我們正一步一步走向無(wú)線產(chǎn)業(yè)的終極夢(mèng)想。

創(chuàng)新不息，追夢(mèng)不止。為了讓有限的頻譜資源迸發(fā)出更大的價(jià)值，相信未來(lái)還有更精彩的無(wú)線技術(shù)創(chuàng)新故事等著我們。
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