5G时代频谱不够用了怎么办?靠共享啊!

iot101君
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2019-07-08 14:54:12 来源: 物联网智库

5G已进入商用通道,虽然给业界带来前所未有的体验,但5G是频谱资源的消耗大户,对频谱带宽的需求更高,5G商用中频谱的供需矛盾更加突出,因此频谱共享技术需要落地,同时频谱共享也被视为是5G技术系统中的一个关键能力。

无线电频谱在移动通信业中的关键性毋庸置疑,无线技术的发展和商用,对频谱需求急剧增长,频谱供求矛盾日益突出,频谱共享成为解决这一矛盾的重要方案。所谓频谱共享是指由两个或两个以上用户共同使用一个指定频段的电磁频谱,共享用户可分为主用户和次用户。主用户是指最初被授予频段且愿意与其他接入者共享资源的用户;次用户是指其余被允许按照共享规则使用频谱的用户。对频谱共享的概念、分类、技术研究的文献较多,本文就不赘述,而频谱共享在5G产业中如何商用值得关注。

5G已进入商用通道,虽然给业界带来前所未有的体验,但5G是频谱资源的消耗大户,对频谱带宽的需求更高,5G商用中频谱的供需矛盾更加突出,因此频谱共享需要落地,同时频谱共享也被视为是5G技术系统中的一个关键能力。

非技术因素加剧频谱供需矛盾,呼唤技术手段来提升效率

无线电频谱本身是一个不可再生资源,而且能够用于移动通信的频段有限,因此其稀缺性更加明显。有用且稀缺的物品就需要尽最大努力提升其效率,然而一些非技术因素使得其利用效率并不高,从而进一步加剧频谱供需矛盾。总结下来,笔者认为以下三个非技术因素加剧频谱供求矛盾。

(1)移动通信的代际升级缓慢加剧频谱供求矛盾

所谓的代际升级中商用因素,是指新一代移动通信技术商用时,上一代甚至上几代技术会共存,代际升级速度太慢,多代通信技术的并存意味着每一代都独占专门的无线电频谱资源。例如,目前5G商用牌照已经发放,今年5G网络会正式商用,然而在未来一段时间中各运营商仍然要运营者多个制式的网络,在很长一段时间中是2G/3G/4G/5G共存的局面。

正如中兴通讯专家申建华在其发表的《频谱共享趋势和进展》一文中指出:传统运营商多制式网络中每个制式都需要固定占用一定的频谱资源,每个制式所需的频谱资源与其最大话务容量相关,虽然不同制式业务负荷的潮汐特性不同,但由于每个制式都独占频谱,不同制式间的频谱不能错峰共享使用,导致了频谱资源的严重浪费。

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随着新的业务发展,虽然2G/3G退网重耕到4G/5G是大势所趋,但这一过程并非一蹴而就,过去几年中中国移动3G减频退网、中国联通2G减频退网的消息不断出现,但全部清退腾出频谱资源谈何容易?此时,频谱共享技术能够实现在同一频段按需、动态地分配频谱资源,成为运营商的必然选择,可以释放部分资源用于4G/5G。

(2)无线电频谱政策局限加剧频谱供求矛盾

由于无线电频谱归国家所有,各国制定无线电频谱政策,而政策的制定需要从长远角度考虑与整个经济发展相协调。对无线电频谱规划和政策制定中因为一些因素的影响,往往会造成频谱供求形成结构性的矛盾,频谱分配形成碎片化,真正需求得不到满足。

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最为典型的是当前美国5G频谱分配的态势。在全球大多数国家和地区规划将6GHz以下的低频段作为5G覆盖的频段时,美国运营商却无法获得这一频段,只能主要在28GHz和39GHz这些毫米波频段部署5G,这缘于此前美国的6GHz以下频段已经被政府和军方占用,虽然美国国防部已计划腾退中低频段,但这一工作什么时间完成仍然是个未知数。众所周知,毫米波频段虽然带宽资源充足,但覆盖距离非常低,造成运营商更高的投资。而即使是24GHz毫米波频段,也遭到了美国国家海洋和大气管理局的反对,因为该频段无线通信有可能干涉到气象预测的准确性。

可见,无线电频谱政策的局限性可能让有频谱需求的群体无法获得频谱授权,加剧供需矛盾。或许,频谱共享技术的使用,可以让频谱所有权主体共享给需求方。

(3)高昂的频谱获取成本加剧频谱供求矛盾

诺贝尔经济学奖获得者罗纳德·科斯曾在1959年发表了《联邦通讯委员会》一文,对全球无线电频谱管理产生了重大影响,建立了无线电频谱市场化管理的理论基础,此后全球多个国家基于此理论开启了频谱市场化拍卖的方式。然而,拍卖方式虽然解决了稀缺资源的分配问题,但也在一定程度上大大增加了运营商的成本,加剧了频谱供求矛盾。

根据德勤的统计,截至2017年第三季度,全美六大公开交易频谱的持有人为AT&T、Dish、Sprint、TDS/U.S. Cellular、T-Mobile US和Verizon,这六家的资产负债表上共持有逾2650亿美元的综合频谱资产,这一频谱资产几乎占企业总价值的三分之一,美国之外的一些国家运营商的频谱资产虽然占其企业价值没有那么高,但这一比例也持续上升。

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频谱资产占企业价值的比例(来源:德勤)

高昂的频谱获取成本给企业造成了很大负担,此前因为频谱拍卖中支付高额费用导致其网络运营亏损的运营商不在少数。因此,提升频谱使用效率是降低企业成本的一种重要方式。

通信网络代际升级缓慢、频谱政策局限以及高昂的频谱获取费用背景下,通过技术手段提升宝贵频谱资源的利用率就非常必要,面对5G的高额投资,频谱共享技术更有必要性。

产业链重要参与者都没有缺席

整个产业链早已意识到频谱资源稀缺性和非技术因素的影响,因此通过推出各类技术手段提升频谱利用率就成为各领军组织的重要任务,产业链各重要参与者均未缺席频谱共享技术,尤其是在5G的频谱共享方面。

2017年3月,当3GPP做出5G标准加速的决定同时,也引入了5G NR频谱共享研究,将频谱共享作为5G标准中的组成部分。我国的IMT-2020(5G)推进组也在进行频谱共享专题技术研究,指导未来国内5G商用。

早在2016年11月,高通就宣布推出其首个5G NR频谱共享原型系统和试验平台。该原型系统旨在表明,5G频谱共享技术将提高共享频谱的移动宽带性能至更高水平,从而提供“像光纤一样”的移动体验,同时将5G扩展至全新部署类型,如面向企业和工业物联网的专用5G网络。

华为在频谱共享技术方面也做了大量工作,其中CloudAIR解决方案就是对这一技术研究的体现。2017年世界移动大会期间,华为展示了CloudAIR解决方案,可以支持GSM&UMTS和GSM<E动态频谱共享;在2018年世界移动大会期间CloudAIR 2.0发布,该方案支持GSM & UMTS,GSM & LTE,UMTS & LTE和LTE & 5G NR等组合的部署;2018年11月,CloudAIR3.0 解决方案发布,该方案一个重要的价值就是LTE和5G新空口在相同频谱动态共享部署,加速5G全频段部署。

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来源:爱立信

爱立信在频谱共享方面也推出专门的方案。2019年世界移动通信期间,爱立信使用英特尔5G设备,首次展示频谱共享技术,展现了4G和5G可以在同一个载波频率上同时运行。爱立信的频谱共享软件通过智能调度算法,根据实际流量需求,在同一载波频率内实现4G和5G之间的频谱动态共享。每一毫秒,系统容量都会在4G和5G之间进行重新调整,确保网络中以任何比例混合的4G和5G设备都能达到最佳性能。这将最大限度地减少频谱浪费,并实现最佳的最终用户性能。

频谱共享在商用中已成为现实

频谱共享不仅仅为了各大通信厂商秀技术,而且已经在商用中得到落地,尤其是在5G网络商用中的落地。知名通信自媒体“网优雇佣军”曾对瑞士电信的共享频谱5G网络进行过详细解读。今年4月,瑞士电信宣布正式商用5G,这张网络与其他国家商用的5G网络最大的不同之处是4/5G频谱共享的5G网络。

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瑞士电信5G部署频谱

从瑞士电信发布的资料可以看出,其商用的5G网络不仅部署在专门为5G分配的3.5-3.8GHz频段上,还充分利用了现有2G、3G、4G网络的1.8GHz、2.1GHz和2.6GHz频段。瑞士电信所发布的两大品牌5G WIDE和5G FAST,其中共享原来2G/3G网络1.8GHz和2.1GHz频段以及共享原来4G网络2.6GHz频段的5G网络是5G WIDE品牌,因为更低的频段可以实现更广的覆盖,因此突出了广覆盖特点;使用新分配的3.5-3.8 GHz新频段的5G称为5G FAST,这是突出高频段带宽大、速率高的特点。

瑞士电信的做法可以看作是通过提供频谱效率手段,快速低成本建设5G。瑞士电信认为,若采用全新的5G频段建网,需新建大量天线,尤其在城区, 90%的基站天面已没有空间,困难重重,难以充分发挥5G潜力,而采取频谱共享方式可以快速实现5G覆盖。

瑞士电信的动态频谱共享采用了爱立信的动态频谱共享技术,基于智能调度算法,可在现有的4G载波中引入和添加5G,实现4G和5G用户轮流使用相同的频谱资源。

除了瑞士电信之外,本周宣布商用的沃达丰英国公司,也采用了爱立信的动态频谱共享技术。

此外,业内人士认为,美国AT&T和Verizon两大运营商只有毫米波频段,实际上可以采用动态频谱共享技术,以利用现有的4G低频段来快速实现全国性广覆盖。

当然,正如中国IMT-2020(5G)推进组所述,频谱共享技术需要频谱管理政策的支持,制定新型使用规则、安全策略和经济模型,对基带算法和器件性能有较高要求。在我国5G商用推进中,随着技术的逐步完善,政策和产业生态也需要及时跟进,使频谱共享这一5G重要组成部分发挥出其商用价值。

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