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眾所周知，無線頻譜資源是移動網絡的生命之源，且非常珍稀。為了提升頻譜利用率，移動通信技術一直不斷突破創新。本文將為你講述一段偉大的無線技術創新歷程。
1 頻譜是移動通信的寶貴資源
先來了解一下啥叫無線頻譜？啥叫載波？啥叫載波帶寬？
當我們拿起手機上網時，數據流承載于特定頻率的無線電波上，并通過基站天線傳送到手機。這個特定頻率的無線電波，就是無線頻譜。承載了數據流的無線電波稱為載波。載波的無線頻段寬度稱為載波帶寬。
載波就像一條高速公路一樣，在手機與基站之間來回運載數據。載波帶寬越大，單位時間內傳送的數據流越多，這好比道路越寬敞，車流更多更快，無線網速就更快。
為此，從1G到5G，運營商把路越修越寬。
如上圖，3G WCDMA單載波帶寬為5MHz，4G LTE單載波帶寬高達20MHz，而5G NR進一步提升到100MHz。
但這樣不斷修路，也帶來了一些問題。
頻譜資源越來越緊張
每一個G到來，運營商都得單獨為這個G修一條路，路越修越多，越修越寬。也就是說，2G來了要占一段頻譜，3G來了要占一段頻譜，4G來了又占一段頻譜，5G來了還得占一段頻譜，2/3/4/5G不同制式都要獨占一段頻譜，不能共享使用，就導致了有限的無線頻譜資源越來越緊張。
頻譜資源浪費
比如，2G用戶越來越少，這條路上的車流量越來越少，而4G用戶越來越多，這條路上的車流越來越擁擠，但2G和4G的道路是各自獨立的，不能共享，就造成了資源分配不均和浪費。
頻譜碎片化嚴重
另外，由于每一個G都會進行頻譜分配、頻譜拆開拍賣(主要在海外)和頻率重耕等歷史原因，還導致了頻譜的碎片化。以4G為例，標準組織初為LTE在400和3800MHz之間分配了約44個可用頻段，但隨著LTE網絡部署規模不斷擴大，預測越來越多的LTE網絡分散部署于多個頻段，使得頻譜碎片化越來越嚴重。
這些現象帶來的問題是，由于每段頻譜所能提供的網絡容量和吞吐量是有限的，導致有限的頻譜資源的利用率和整體價值沒有充分發揮出來。
怎么辦呢？無線史上的一次偉大的創新技術誕生——載波聚合。
2 一次偉大的技術創新：載波聚合
為了滿足人民群眾不斷提升的網速需求，在4G時代，3GPP在LTE-A(4.5G)階段提出下行峰值速率要達到1 Gbps，但LTE單載波帶寬大只有20M，下行峰值速率高只有150Mbps而已，怎么辦呢？
載波聚合(CA，Carrier Aggregation)技術應運而生。
載波聚合，就是把零碎的頻段“縫合”成一段更寬的頻段，可聚合同一頻段內連續的載波，也可聚合同一頻段內非連續的載波，還可聚合不同頻段上的非連續的載波。
正是這個“可聚合非連續的載波”，為載波聚合戴上了“無線史上的一次偉大的技術創新”的頭冠。
眾所周知，相較于3G，4G采用MIMO技術實現了網速倍增，但在這之前MIMO已應用于Wi-Fi和WiMAX；Wi-Fi可以將兩個信道捆綁起來擴大帶寬，提升網速，但只能是相鄰的信道。
而只有4G載波聚合技術首次實現了可以將不同頻段上的非連續載波“縫合”在一起。
如果說需求是發明的動力，那么載波聚合技術有三個動力，一個是提升網速的需求，另一個是解決頻譜碎片化的需求，還有一個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LTE的大單載波帶寬(20MHz)合并為100MHz，從而可實現下行峰值速率從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創新，如今已被4G網絡廣泛采用。但很可惜，它未能突破提升無線頻譜利用率之路上的另一座高山——在不同制式的網絡間實現“載波聚合”。
不過，無線技術創新的步伐永不停止。接下來，另一大里程碑式的創新技術登場了。
3 里程碑式的技術創新：動態頻譜共享
每一個G的演進，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新的移動通信技術服務，是讓老制式頻譜煥發新活力的正確思路。
簡單直接的方式就是頻譜重耕(Refarming)，將老制式移動網絡所占用的頻譜騰出來給新制式的網絡使用，比如將2G網絡清退，騰出頻譜資源給4G使用。以前是泥濘土路，現在升級為柏油路，利舊了土地資源，讓車速提升了不少。
但實際情況并非這么簡單，由于運營商的網絡現在都是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者利益，不利于多種制式的平滑過渡。
于是，動態頻譜共享(DSS，Dynamic Spectrum Sharing)閃亮登場，讓不同制式的網絡可以共享使用相同的頻譜資源。比如，動態頻譜共享技術可在4G和5G之間智能動態分配頻譜，從而實現了頻譜資源的高效利用。
有了動態頻譜共享，再結合載波聚合技術，運營商可打通4G和5G頻譜資源，提高資源利用效率，還能幫助運營商靈活高效地實現技術迭代。
以中國移動的160MHz帶寬為例，這160M由100M NR和60M LTE組成。在4G向5G演進初期，5G的業務量還不穩定，為了避免資源浪費，可以動態調度40M的共享頻譜為4/5G服務。
在5G用戶較少、4G業務較多的時候，LNR 40M可以擴充4G容量，LTE還可以借助增加的載波數量，利用載波聚合進一步提高速率。而當出現5G用戶繁忙、4G壓力降低的場景，則可以通過LNR 40M動態擴展5G頻譜帶寬的方式來提升5G容量。
這樣一來，中國移動就毫不浪費地充分利用了160MHz帶寬資源，在充分保障4G體驗的同時，實現了4G向5G平滑演進。
動態頻譜共享首次在不同制式之間共享使用相同的頻譜資源，可以說是移動通信發展史上的一次里程碑式的技術創新。
這項技術在華為叫做CloudAIR，這個名字很直觀的詮釋了動態頻譜共享的核心思想，即“頻譜云化”，按需使用。
但創新突破從來不容易，而隨著5G支持的頻譜帶寬越來越大，技術突破難度更大。那么，要在大帶寬下實現4G/5G動態頻譜共享到底有多難呢？又是怎樣克服的呢？
4 要想玩轉頻譜，還需要軟硬件的極致性能做保障
動態頻譜共享在多個制式共存的環境下工作，根據流量變化實時跨越兩個不同制式網絡進行資源調度，因此既要精準控制來自于不同制式和上下行間的干擾，又要達到毫秒級的資源調度響應速度。如果算法不到位，就會影響移動通信網絡的性能，比如擁塞和掉話。
另外在硬件方面，無線設備(主要是AAU)可支持的頻譜帶寬能力，也是一項關鍵技術指標。
比如，有些運營商在1GHz以下頻段實現動態頻譜共享，總共支持的帶寬可能不到20MHz；而中國移動要在2.6GHz頻段上實現動態頻譜共享，要求可支持帶寬達160MHz。有些國家由于頻譜碎片化嚴重，甚至要求可支持的帶寬跨度更大。
如果設備無法支持160MHz以上的大帶寬，結果會怎樣呢？
還是以中國移動的160MHz帶寬為例，如果設備僅支持100MHz帶寬，這就意味著運營商不得不部署2套設備，一套支持100MHz，一套支持60MHz，這不僅無法支持160MHz帶寬內的動態頻譜共享，還大幅增加了網絡成本。就好像雖然路寬了，設備能力跟不上，跑起來也不順暢。
其實載波聚合也同樣面臨頻譜跨度大的情況，所以，載波聚合+動態頻譜共享+大帶寬設備在5G時代是一計極具競爭力的組合拳。目前廠商硬件設備的在這些方面的能力各不相同，因為這涉及到包括芯片、材料、散熱、算法等大量的底層技術研究。
要說清楚這個問題，還是從基站的基本工作原理說起吧。
如上圖，AAU主要由數字信號處理部分、射頻、功放、濾波器和天線組成。其中數字信號處理又包含了基帶和數字中頻，中頻性能極其關鍵，決定了AAU的核心硬件指標。
以信號發射為例，基帶信號是需要被傳輸的原始數字信號，射頻就是以載波頻率(比如C波段)調制的高頻信號，經過放大和濾波后，由天線發射出去。
功放是非線性器件，頻譜越寬，其放大性能越難保證，就像音響的音量調到很大時候會產生破音。此外，由于5G在單位時間傳輸的數據量極大，對數字信號的處理能力也提出更高要求，這些限制了AAU的瞬時帶寬(IBW)。
而銜接基帶和射頻的正是數字中頻，將基帶信號進行上變頻和預處理，為射頻進行模數轉換和載波調制打好基礎。AAU要做到大帶寬，為射頻提供高速和可靠的數字信號預處理能力的數字中頻性能就是突破的關鍵。
華為在這方面已經形成了獨特的優勢：一方面華為的數字中頻集成先進的數字預失真(DPD算法)，提前補償功放帶來的失真，增加了功放的有效放大區域；另一方面，得益于自研的7nmASIC芯片替代FPGA，讓DPD算法和數字信號處理完全芯片化，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還有一個巨大的挑戰就是功耗，這也是5G運營中不容忽視的開銷。
功放是耗電大戶，它在能量轉換過程中會產生一部分無效的熱能，優化功放效率無疑是解決功耗問題的重點。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，與中頻的DPD算法相結合，實現了業界的功放效率。
另外，在整體上華為自研ASIC專用集成電路和射頻芯片化(RFSoC)技術讓AAU集成度更高，配合整機散熱技術，進一步降低設備的體積和功耗。同時，輕型材質陶瓷濾波器的使用，讓AAU的重量得到有效控制。
正是以上這些底層技術的突破以及端到端的優化，使華為5G AAU設備在性能、功耗、體積和重量方面走在了業界的前列。
也正是因為這些無線技術不斷往前突破前行，讓我們看到了無線產業矢志追求的夢想正在一步步接近。
那無線產業的夢想是什么？為了大化提升頻譜資源利用率，我們的夢想是，一改過去預先分配且不同制式、不同類型的無線網絡獨占頻譜資源的方式，在支持超帶寬的基礎上，通過頻譜云化、軟件定義化、人工智能和頻譜感測能力等，可根據不同的通信需求為不同制式、不同類型的無線網絡自動、靈活地動態分配頻譜資源。
載波聚合史無前例地將不同頻段上的非連續載波聚合為更大的帶寬，動態頻譜共享實現了不同制式網絡可靈活動態地分配相同的頻譜資源，這些創新突破意味著我們正一步一步走向無線產業的夢想。
創新不息，追夢不止。為了讓有限的頻譜資源迸發出更大的價值，相信未來還有更精彩的無線技術創新故事等著我們。
浙公網安備 33010602000006號
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