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5G如何玩转频谱？这一篇说透了！

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 。
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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 。
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如上图 ， 3GWCDMA单载波带宽为5MHz ， 4GLTE单载波带宽高达20MHz ， 而5GNR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1Gbps ， 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 ， CarrierAggregation）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 。
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4GLTE-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-Apro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 ， DynamicSpectrumSharing）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 。
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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100MNR和60MLTE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 。
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在5G用户较少、4G业务较多的时候 ， LNR40M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LNR40M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 。
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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 。
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【5G如何玩转频谱？这一篇说透了！】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 。
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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 。


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