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频谱共享成5G时代蜂窝与Wi-Fi网络发展的关键

频谱共享成5G时代蜂窝与Wi-Fi网络发展的关键

随着5G网络在全球范围内的逐步推出,消费者们也开始接触到以往闻所未闻的一个词汇——频谱。这一概念对于下一代无线设备而言至关重要。无线频谱虽然肉眼不可见,但大家可以将其视为一条包含多条狭窄车道的高速公路,能够确保车辆在各个目的地之间安全地并行行驶。从19世纪末到20世纪初,最早的无线电信号能够由用户随意操作和设定;但对于随后出现的无线设备,包括电视、雷达、卫星以及手机等,政府要求将无线频率(即频谱)根据目的进行划分,从而建立起这条包含多条数据“车道”的隐形数据高速公路。

换一个比喻。我们还可以将无线频谱想象成一片湖泊,其中的船只则代表着不同的数据类型。如果湖上只有几艘小小的帆船漂浮,那么即使不制定任何航行规则,这些船只之间也不太可能发生碰撞。然而,一旦摩托艇、汽船以及游艇不断涌现,我们就必须得制定规则以防止碰撞事故的发生。最终,湖泊当中可能挤满船只,因此需要建立明确的通道以保证各条船只的顺利行进。

无线通信世界当中的情况也正是如此。大家可以想象一下,摩托艇需要强制运行在三条笔直但又狭窄的“仅限汽船”通道上;在它旁边,则是以物理方式划分的“仅限摩托艇”与“仅限游艇”通道,各条通道之间无法彼此穿越。换言之,即使您的汽船拥有极为强大的引擎,它也需要及时减速以避免与其它船只或者通道边缘发生碰撞,同时也得考虑不可产生影响相邻船只的尾流(干扰)。

随着我们快速迎来5G时代,工程师们也开始为5G设备寻找新的可用通道,并通过共享方式改善已经建立的无线通道。如果部分或者全部船只都能够相互流通,那么原本“仅限汽船”的通道能够变得更宽,从而在同一共享空间之内容纳两到三种不同类型的船只。通过这种方式,每一种船只都不再受限于自己的通道、不受所谓碰撞边缘的影响,且整体运行速度也远超明确划分的原有形式。大家甚至能够凭借着更为宽阔的通道让我们的湖泊运行起体积更庞大的新型船舶。

这实际上正是频谱共享机制背后的核心概念。如果把4G看成是一艘汽船,那么5G则像一种气垫船,它能够从更宽的通道当中受益。然而,气垫船不能单纯只是在湖面上挤来挤去,它还需要找到共享水面空间的方法。

对此,移动通信运营商与监管机构投入了大约两年时间划拨出5G专用频谱——相当于权限气垫船通行的通道。为了实现这一目标,他们着手利用以往蜂窝设备从未用过的“毫米波”频谱,使得运营商能够获取仅适用于5G的超宽通道。遗憾的是,这类通道构建成本高昂——甚至可以说是过于高昂,并带来了其它一系列难以快速克服的挑战。工程师们预测到了这些问题,并逐步开发出让5G信号共享旧有非5G频谱的方法。

其中一种解决方案被称为动态频谱共享(简称DSS),其允许5G信号共享4G通道。DSS使得运营商能够有效根据未来的气垫船规划现有通道而无需淘汰汽船,或者说将现有的4G通道转变为两条更狭窄的独立4G与5G专用通道。这种通道能够同时接纳4G与5G流量,并且随着4G用量的逐渐降低,其能够以很高甚至完全动态化的方式转化为5G通道。

一部分运营商及设备将支持这种5G技术,也就是所谓双连接,简称EN-DC。今年3月,SK电讯利用三星公司的Galaxy S10 5G建立起一条巨大的4G与5G共用数据通道,这意味着速率为1.5 Gbps的5G通道带宽将与1.15 Gbps的4G通道合并,提供2.65 Gbps的总传输速率。大家可以将其想象成一条让气垫船与汽船同时航行的双通道设计,它也成功让S10 5G的最高性能实现了倍增。

此外,5G还拥有另一种重要的共享可能性:Wi-Fi路由器使用的无线通道。以往,政府已经专门为Wi-Fi通信预留了频谱资源,而5G设备则能够在上线之后共享这部分资源。在这套方案当中,最关键的挑战在于如何安排Wi-Fi与5G设备对频谱资源的利用方式,从而确保不仅船只之间不致于发生碰撞,同时使其各自以最理想的速度水平保持运行。

蜂窝设备制造商与运营商显然希望5G产品能够更好地利用现有Wi-Fi频谱,以及政府正在为其它“未许可”(面向多用户开放)目的所发布的未来相邻频谱。这一过程相当缓慢且需要持续推进,但确实在技术与监管方面都取得了一定进展。考虑到5G可能很快就将分担一部分原本需要由Wi-Fi及有线网络承载的互联网流量,这也使得蜂窝连接的重要意义达到史无前例的新高度。

在最近的博客文章当中,高能公司指出其5G NR-U(一种能够让5G信号在未许可频谱上工作的技术)目前可以通过手动方式搜寻其它“船只”,并仅在通道空闲时传输以共享Wi-Fi频谱资源。这套系统相当于“在说话之前,先探听一番”。虽然这比完全不共享频谱资源要好一些,但整个过程会减慢5G的速度并迫使其让步于Wi-Fi传输请求。我们的目标在于发展出下一代5G与Wi-Fi标准,以确保其信号能够彼此同步并更好地协同工作。即使我们在Wi-Fi 6路由器与设备中无法实现这一点,其仍有可能被纳入Wi-Fi标准的议程当中。

无线通信部门将在未来的十年当中发生巨大的变化,因为接下来以无线形式传输的数据量必将持续增加——正如之前几代通信标准陆续实现的无线电、电视、卫星、蜂窝以及Wi-Fi信号一样。即使我们无法直接观察到无线信号,但仍可以确定随着时间的推移,5G设备将与4G以及Wi-Fi设备共享频谱,并以直观的方式彻底改变我们工作、娱乐以及出行的方式。随着共享的能力的改善,这种种活动的速度都将得到显著提升,并为每一个人带来实实在在的体验改善。

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