千兆级LTE时代的重要技术——免许可频谱与小型基站深入解析

在上一篇文章中，我们介绍了4G LTE移动互联网的升级——千兆级LTE技术，并以高通公司的骁龙X16 LTE调制解调器为例，深入探讨了千兆级LTE的几大关键技术细节。其中我们提到，有两种创新技术可以帮助运营商更快、更好地部署千兆级LTE网络，它们就是免许可频谱接入和小型基站。本文就将具体介绍这两种技术的细节内容。

何为免许可频谱接入？

与阳光、空气、水一样，电磁波频谱也是一种自然资源。不同频段的电磁波的传输距离、障碍物穿透能力各有区别，适合不同场景下的数据传输任务。例如，移动通信网络常用的频段在700MHZ到2GHZ左右，而WiFi网络常用的频段是2.4GHZ与5GHZ。

图1：各国使用的授权4G网络频谱

为了更好地管理频谱资源，各国都对频谱资源的使用做出了一些规范。例如，中国工信部规定，中国移动4G网络可以使用的频谱资源分别是1880-1890MHZ、2320-2370MHZ、2575-2635MHZ频段，中国联通和电信也各分配到了三个类似的频段用于4G网络通信。这种由国家规范使用的频谱资源一般称为授权频谱，通常只允许被授权单位、组织使用；其他未经规范、授权的频谱则可以自由使用，称为免许可频谱。WiFi就是典型的，使用免许可频谱工作的无线网络。

千兆级LTE网络为何要使用免许可频谱资源？

以往，运营商建设移动通信网络时只会使用授权频谱资源就能满足通信需求；但随着移动互联网产业快速发展，市场对通信网络的带宽、覆盖率、稳定性等指标要求越来越高，少量的免许可频谱也显得愈加捉襟见肘。例如，在人流密集的商场、影院、酒店等室内场所，仅使用授权频谱往往会面临性能不足的窘境。

这种矛盾在千兆级LTE网络建设中变得更加突出。千兆级LTE网络带宽高、延迟低，在室内等环境下对基站的压力更大。如果只依赖授权频谱提供高水准的网络覆盖，运营商就需要部署数量非常多的基站，网络建设和维护成本都会明显提升，显然这不利于千兆级LTE网络的发展和普及。

图2：高通公司引入了免许可频谱接入技术

为了解决这一难题，美国高通公司在制定千兆级LTE技术标准的过程中，创新地引入了免许可频谱通信技术。在这一技术的帮助下，运营商可以使用免许可频谱资源（如3.5g频段）在授权频谱效率不足的场景（如室内）扩展通信网络的容量、覆盖率和性能。网络使用的频谱资源更多，加上很多场景中免许可频谱有着更好的适应性和性能表现，运营商就可以用相同数量、密度的基站来处理更大规模的网络通信需求，降低千兆级LTE网络的建设成本和难度。

免许可频谱接入技术的关键与实现难点

要在移动通信网络中利用免许可频谱资源，关键之处在于终端使用的调制解调器。

调制解调器是无线终端接入无线网络的核心组件。调制解调器支持哪些频段，终端就只能使用这些频段与运营商基站通信。

但调制解调器支持的通信频段越多，技术难度就越大。一方面，支持更多的频段需要更多天线、更强的信号处理性能与更复杂的软件架构；另一方面，调制解调器需要更多功耗和面积来应对多出来的频段。频段越多，调制解调器也需要更好的措施来解决不同频段之间的干扰问题，还要保证不同频段之间的流畅切换。所有这些，都对调制解调器的设计和制造提出了非常苛刻的要求。

图3：高通骁龙X16 LTE调制解调器是第一款支持千兆级LTE网络的调制解调器，也支持免许可频谱接入

然而，这些困难并不能阻挡行业前进的脚步。2016年初，美国高通公司发布了全球第一款支持千兆级LTE网络的产品，骁龙X16 LTE调制解调器。骁龙X16 LTE调制解调器率先引入了对免许可频谱资源的支持，可以在授权LTE频段和免许可频段之间无缝切换，在不同场景中自动选择最合适的频段接入运营商的千兆级LTE网络。

骁龙X16 LTE调制解调器基于先进的14nm制造工艺，在保持较低功耗和芯片面积的前提下性能和集成度大幅提升。其集成的高通WTR5975 RF收发器，以单个收发器就能覆盖所有的LTE频段与免许可频段，避免了多个频段之间可能出现的干扰，也让频段之间的迁移更加迅速。随着2017年初，高通骁龙835移动平台集成骁龙X16 LTE调制解调器，数以千万计的移动终端从此具备了对免许可频谱资源的兼容和支持能力。

图4：利用ASA技术，运营商可以高效、有序地使用各种空余的免许可频谱资源

在利用免许可频谱资源的场景中，高通公司还提出了一种创新体制，名为ASA（授权共享接入技术）。基于ASA技术，配备骁龙835移动平台的移动终端可以从运营商4G基站得到授权，根据需要使用诸如3.5G、5G等免许可频谱，甚至在条件许可的情况下使用空余的其他现有系统（如政府机构或电视广播网络）的频谱资源。ASA还保证了终端在使用免许可频谱资源时一直保持在监管范围之内，避免了潜在的冲突和干扰。

图5：ASA等技术可以充分利用现有资源，降低网络部署成本、提升灵活性

此外，高通还发展了LAA（授权辅助接入技术）、LWA（LTE-WiFi链路聚合技术）、MultiFireTM（免许可频段独立接入）等创新技术，进一步提升了免许可频谱资源应用的灵活性。

更适合免许可频谱资源的场景往往是室内、地下等传统大型通信基站难以高效覆盖的区域。这又引出了一个新的概念，即小型基站。

何谓小型基站？

移动通信网络是由大量通信基站组建而成的。传统的基站体积巨大，往往高达数米，占地数十平米，服务半径也有几千米的范围。

图6：小型基站的体积往往只和普通的无线路由器相当

但在室内等场景中，大型基站的信号由于多种障碍物阻挡，覆盖范围往往不尽人意。在这种背景下，更适合此类场景的小型基站应运而生。

小型基站的体积往往只和普通的WiFi路由器相当，其工作方式也与WiFi热点类似。每个小型基站可以覆盖一定的室内空间，可以通过光纤网络或者LTE信号与大型基站直接相连。

小型基站的优势与应用场景

由于小型基站体积小巧、部署容易、维护简便，成本低廉，非常适合在室内或人流密集的场所大量部署，以充分覆盖室内场景，并提升特定区域的无线网络承载能力。因此，小型基站也是千兆级LTE网络建设中的关键一环。

图7：高通小型基站可以覆盖多种场景

高通公司意识到了运营商对小型基站的需求，创新地推出了多种技术以增强小型基站的能力。

1.     UltraSonTM是高通研发的一套自组织和自管理模式。在UltraSonTM的帮助下，运营商可以在住宅区、企业办公场所、体育馆等各种类型的场所中针对性地部署各种类型的小型基站，而这些小型基站能做到即插即用、自主设置并对网络进行自主优化，大大减轻了运营商在大规模部署时的工作压力，提升了小型基站网络的协同性能和稳定性。

图8：UltraSonTM技术使运营商可以更好地部署小型基站网络

2.     近邻小型基站（Neighborhood small cell，NSC）是高通研发的一种小型基站方案，这种小型基站不仅能以极低的成本提供即插即用的高效能室内连接能力，还具备一定的室外连接性能，非常适合诸如门店、酒店等场所的网络部署。

图9：ASA技术天生就适合小型基站使用

3.     前文提到的ASA、LAA、LWA等技术则使小型基站可以使用诸多免许可频谱进行通信。在室内等场所，3.5g、5g甚至60g的免许可频段更加适合小范围的数据传输。利用这些免许可频谱资源，小型基站可以在更低的成本、能耗条件下实现更好的特殊场景覆盖率，提供更高的网络接入性能。

图10：纳斯卡汽车赛事中的高通小型基站

2014年，高通公司在美国纳斯卡汽车赛事中演示了大规模小型基站网络的部署，展示了相当于每平方公里1000个小型基站的网络部署实践。之后，全球诸多运营商都开始与高通公司合作，准备在千兆级LTE网络中应用高通的小型基站创新技术与部署方案。

免许可频谱与小型基站：让千兆级LTE网络更加出色

免许可频谱接入与小型基站技术都是千兆级LTE网络部署中的重要技术和环节。在它们的帮助下，运营商得以在复杂的室内、地下与特殊环境中全面部署千兆级LTE网络，充分发挥各种频谱资源的优势，并有效降低网络的建设和运营成本。

高通公司的诸多创新技术使运营商能够更容易地应用免许可频谱接入与小型基站，并在终端层面为免许可频谱的广泛应用提供了基础条件。它们是高通公司对千兆级LTE网络普及的重大贡献，也使全球运营商与高通公司的合作更加紧密。

高通公司还在进一步发展免许可频谱接入与小型基站技术，使其能够在未来的5G网络时代发挥更大的作用。可以预计，随着千兆级LTE网络的普及和5G网络的商用，高通公司还将在这一领域推出更多创新，为运营商和消费者创造更多价值，推动移动互联社会走上新的高度。

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