为何中国5G不会陷入美国的“频段危机”?靠的是华为、中兴几项绝招-焦点中国网

6月6日上午,工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照,比原计划提前1年,我国正式进入5G商用元年。

在此之前,美国、韩国已经在4月3日开启5G网络服务,成为全球头2个开通5G网络的国家。或许有人会问,在这方面,中国是不是已经落后了?

事实并非如此,在后期建设上,我国至少有2个优势。

首先,美国的网络有根本性的缺陷。在全球都已Sub 6 GHz、C波段为主要频段的情况下,美国过早把赌注押在了频谱资源丰富但天生覆盖率差的高频毫米波上,而由于存在和美国海军及民用卫星公司的利益纠葛,其国内已经出现“C波段危机”。其优质的C波段未来能否分配给运营商使用,尚不得而知。

中国5G无需面对这一问题。2018年,我国已明确5G频谱规划从Sub 6 GHz开始。在早前的试验中,中国电信和中国联通分别在3.5GHz附近的频段获得100MHz带宽的频谱资源,中国移动在2.6GHz附近获得160MHz带宽的频谱资源,以及在4.9GHz附近的频段上额外的100MHz频谱资源。

即便是如此,这部分频谱的频率相对当前LTE网络仍然较高,路径损耗较大,必须增加基站密度以满足移动通信网络连续覆盖的需要。早前有国内专家估算,C波段5G的基站数将是4G的4-5倍。中国都这样了,美国高频的毫米波网络更不用说。可以断定,虽然在开通时间上落后一步,但在接下来的5G网络铺设中,中国可以后来居上。

除了网络频谱分配更加科学以外,我国5G建设的第2个优势是,国内通信厂商在技术层面已经居于领先位置。尤其是在分配频谱资源的问题上,华为、中兴的几项技术独步天下:

上下行解耦

对于今年2月举行的MWC,大多数人的注意力都被接连出现的折叠手机吸引,忽视了一条重要新闻:华为的“5G上下行解耦”(5G Uplink and Downlink Decoupling)方案荣获大会最佳无线技术突破奖。

该奖项是GSMA 设立的为表彰技术革新带来用户体验明显提升的技术的重要奖项,是通信界公认的最高荣誉之一。

之所以能够夺得该奖项,无疑是因为这项技术展现的良好应用。华为公布的官方数据显示,在上海、杭州中国移动外场的测试中实施上下行解耦方案后,1.8GHz相比3.5GHz上行, 5G室内体验速率浅层区域提升2-3倍,深层区域提升5-6倍。

这里先问一个问题:如果2个人站的很远,靠吼叫对话,那么决定他们之间最远通讯距离的是谁?没错,是吼声小的那个。

同理,移动通信实际上就像是基站和手机终端“对吼”,决定信号有效覆盖范围的实际上是手机。

具体说来,下行链路上的宏基站与上行链路上手机终端的发射功率具有相当大的差异,宏基站可以以上百瓦的功率进行发射,而手机的发射功率通常仅在毫瓦级,双方处于手机听得见基站,基站听不见手机的状态。

如果再加上基站侧因大规模阵列天线增益、TDD模式下时隙配比差异带来的增强,这种上下行覆盖不平衡的现象将会越发严重。

怎么解决上下行不平衡的问题,一直是通信行业思考的问题之一。

以往,行业所有的技术创新都是按照单频段进行设计的,也就是手机与基站在上下行方向上绑定在一起,FDD频段上下行成对,TDD上下行共用一段频段,不可分割。这导致上下行覆盖不平衡的问题难以得到根本性解决。毕竟单靠加大手机发射功率,怎么也不可能达到基站的水平。

在这种情况下,华为另辟蹊径,想到了另一种方法:直接改变以往单频段通信的设计,让上下行链路处于不同的频段上,在基站享受高频频段大容量下行的同时,手机由覆盖率更佳的低频频段承载。这就是上下行解耦技术。

2017年6月,以华为为代表率先提出了这种技术,引发了巨大反响,3GPP很快将其引入5G R15标准之中。根据华为专家团体写就的《LTE/NR频谱共享——5G标准之上下行解耦》一书所述,该技术典型布置场景如下:

“在应用上下行解耦时,一个蜂窝小区中的下行载波可以是一个时分双工(Time Division Duplexing,TDD)”载波,在该TDD载波上还存在一个TDD的上行通道。因此,该蜂窝小区中存在一个下行载波和两个上行载波,其中一个为增补上行(Supplementary Uplink,SUL)载波,另一个为普通上行载波。”

这么做除了能提高基站和手机终端间的通信连续性,还有极佳的应用多业务适配能力。例如:

“网络可以将下载速率需求较高的多媒体业务和对时延敏感的IoT下行业务都承载在TDD载波上,这样既能保证下行的低时延,又能通过大带宽和低码率等技术保证其可靠性。而对于时延敏感的IoT上行业务和反馈,以及对于时延不敏感的IoT上行业务,网络都可以将其承载在全上行载波上,同时保证上行的低时延和覆盖性能……实现了不同需求的业务在同一蜂窝小区中的融合。”

超级微波

除了用创新思维开辟新道路以外,华为还在不断挖掘旧技术的潜力。

在今年1月,央视曾为华为创始人任正非办了一场专访。在被问到产品是否会被禁入欧美市场时,任正非信心十足地表示“不买他们傻”,因为世界上能把微波和5G同时做得好的,只有华为一家。

这里说的微波并非用于承载基站与终端之间的连接,而是说的基站与基站之间的信号接力,例如在2坐山间铺设电缆太麻烦,那就在2个山头上架设微波设备,进行空中的信号接力,因此微波通信也被称为“接力通信”。

微波通信在业内并不是什么新鲜东西,而是一项应用多年的传统通信技术,常用于不便铺设光纤和电缆的场所。只不过随着这些年光纤的普及,这个行业一度没落。

谁也没有想到,5G竟然给微波行业带来了起死回生的机会。前面说到,5G所需的基站密度较4G高出许多,而欧美许多地方相对来说地广人稀,且存在土地私有化导致光纤铺设困难等问题,要在基站间大规模实现光纤信号回传很困难,退而求其次,微波就成了许多地区唯一可行的替代方式。

在此之前,微波通信有一项巨大的缺点——传输速率慢,传统的微波速率是50Mbps,远远达不到5G信号传输的要求。由于行业投入减少,相关的技术瓶颈也迟迟未能突破。

华为却一直在研究高速微波技术,且取得了巨大技术突破。在2017年MWC上,华为第1次展示了面向5G承载的微波解决方案。当时他们宣称,通过采用双频微波、大容量E波段等技术,该方案的带宽接入可以达到惊人的10-20Gbps,未来结合D波段、W波段,还可以达到50-100Gbps,完全满足5G的要求。

就在当年,他们推出了全球首款传输容量为10Gbps的E波段微波产品RTN 380H,虽然面对的是运营商LTE/LTE-A业务部署,但他们承诺可以满足后续面向5G平滑演进的需求。

今年MWC上,华为拿出了真正面向5G的解决方案——5G微波“1+2”极简架构。该架构可以在不同承载场景下,通过“1”面双频天线 +“2”个任意频段(6-86GHz)射频单元组合,以极简的结构提供最大20Gbps的带宽,可节省50%以上的铁塔空间占用和安装交付花费。

今年4月,宁波移动在镇海区甬江口海域偏远的七里峙岛开通了全国首个移动5G+华为微波基站,实现了对宁波港金塘锚地、航线,及甬舟高速等周边偏远区域的5G覆盖。

空分复用

虽然光芒一直潜藏在华为之下,但作为全球数一数二的通信厂商之一,在5G上,中兴也有自己的领先技术,比如曾登上过央视纪录片《大国重器》的空分复用技术。

2013年,中兴开始研究空分复用技术,是最早从事空分复用技术研发的公司。该技术和3G时代的码分多址技术有些相似,都是在同一个频段的网络中分出多路信号。

不同点在于,码分多址技术并不能提升极限频谱效率。该技术采用正交码区分用户,多个正交码之间形成一个自干扰系统,为了满足正交条件,所有用户都必须降低传输速率,理论上如果N个用户同时通信,则每个用户最多用1/N的速率通信。

而空分复用在多个用户同时通信的情况下,各个用户不需要降低速率,这样就成倍提升了频谱效率。

形象地说,移动通信就像高速公路。升级技术最简单的方法就是花钱“扩建”,例如将2车道的高速公路扩建成8车道,或是将原来2车道的高速公路修建成上下2层的立体车道,效果非常直接,但成本也很高。

空分复用技术通过自适应天线阵列将空间分割,在不同的方向上形成不同的波束,每个波束可提供一个无其他用户干扰的唯一信道,进而让同一频段在不同的空间内得以重复利用。

这就像是在高速公路上看到其他的车,并且很多车在同一条车道上,但是对方就像空气一样,互不影响。也就是在不扩建高速公路,也不调整汽车的情况下提升流量,是效率最高的方法。

由这项技术衍生出的具体解决方案就是已经被纳入5G网络标准的Massive MIMO,也就是大规模多入多出。依靠其在空分复用方面的技术领先,中兴率先研发了TDD Massive MIMO和FDD Massive MIMO。

值得一提的是,以上3项技术仅仅是中国厂商技术领先的冰山一角。根据专利分析厂商 IPLytics 的最新统计资料,截至 2019 年 3 月,中国厂商已申请全球主要5G专利的34%,领跑全球,余下的韩国三星和LG占25%,美国和芬兰各占14%,瑞典占近8%,日本占5%。