5G的频谱效率和能量效率介绍

　　5G部署主要受两大关键因素驱动，而这两大因素往往又彼此矛盾：一个是系统容量（频谱效率），另一个是系统成本（能量效率）。频谱效率描述了能够提供多少容量，通常以bps/Hz为单位，而能量效率则描述了在给定容量下运营网络所需的成本。
　　对于过去的移动技术而言，成本几乎随着容量的上升等比例增长，因为提供更高的容量意味着搭建更多基站或增加网络内的频谱带宽。虽然这种方法在过去得以维持，但如果对4G网络容量的需求递增10倍到100倍，则这种方法将难以沿用，原因在于消费者不太可能愿意支付随之增长的费用。如图1所示，为了推进移动网络的发展，业界需要解决如何在提升整个网络容量的同时降低网络运行成本的难题。
　　
　　图1：5G商业案例

　　蜂窝网络需要多少运行成本？
　　尽管基站能量效率在2G向4G转换期间得到明显提升，但由于网络密集化，随之增加的容量也导致成本大幅上升（图2）。在蜂窝网络的搭建和运行中，绝大部分支出在于为基站提供空调远程控制及租赁场地（参考文献1和2）。从初期的资本性支出（CAPEX）来看，空调成本占比超过50%，剩下的则主要为基站设备成本。类似地，从经常性运营支出（OPEX）来看，电力几乎也占到了支出的50%。大部分电力用于远程分布式空调网络的运行，目的在于冷却基带处理器（无线电单元通常采用风冷，无需额外的空调系统），然而实际传输的能量仅占OPEX的7%。若要部署更多基站，则原本占比30%的场地租赁支出也将随之增加，如此一来，部署更多基站这种简易方案就非理想之选（对于5G FR2来说这是一个大问题，因为相较于5G FR1，前者的小区范围会大幅缩小）。
　　
　　图2：蜂窝网络的功耗
　　从功耗分析可以明显看出，大部分支出来自于基站中基带处理部分的分布式部署和空调的远程部署。中国移动提议按照互联网数据存储设施的类似方式集中部署基带处理。图3展示了基带系统云架构，即基站中的每个基带都会成为云端的一台虚拟机（C-RAN），甚至传统式的独立网络设备（如网关）也可以作为虚拟机集成到云端。通过集中部署基带处理，能够实现远程空调控制集中化，从而大幅降低OPEX和CAPEX。此外，当分散的基站通过集中化控制对移动电话进行传输时（网络MIMO），就更易于实现CoMP，同时也能提高频谱效率。这种系统架构独立于无线电接入网（RAN），并且可用于控制混合蜂窝网络。
　　
　　图3：集中式基带处理
　　网络传输的信息类型也会对能量效率产生影响。如图2所示，不同类型的数据具有不同的数据包与信令包比率（DSR）。DSR低代表数据传输信道利用率较低，例如占全部网络流量60%的文本消息，其DSR介于1至3之间，而此种情况下照片和视频需要的信令包较少，因此能量效率更高。5G FR1通过调整子载波间隔，使得不同类型的数据能够更加高效地使用可用信道容量，从而解决了这个难题。

　　网络容量的决定因素和扩容方式
　　20世纪初，两位研究人员分别推导出了一个相对简单的公式，堪称通讯行业中的摩尔定律，即香农-哈特利定理。该定理给出了无线信道上能够传输的信息量上限，其中单个信道容量仅仅取决于两个参数：信道带宽（BW）和信噪比（SNR）。尽管容量与信道带宽成线性关系，但与信噪比之间仅是log2的比例关系：
　　
　　根据香农-哈特利定理，增加网络容量有三种基本方法（图4）：
　　1. 增加信道带宽：4G中使用了载波聚合来增加可用的信号带宽，而5G FR2则使用毫米波频率来获得更大的容量。
　　2. 增加信道数量：MIMO利用网络内部的多径发射，同时在多个信道上进行传输。与信道带宽类似，网络容量也与这一效应成线性关系，但上限却受限于网络内的多径相关性（或相似性）。5G FR1借助MIMO的优化提高数据速率。
　　3. 增加网络输出功率：由于SNR中存在噪声、SNR的对数刻度接近、以及涉及高电磁能量的健康/安全问题，这种方式有其局限性。在覆盖率较低的区域使用家庭基站（Femtocell）是提升整个网络SNR较为安全的方式之一。但如果在同一区域中部署了过多全向天线家庭基站，则家庭基站间就会存在干扰，这无疑为网络容量增益带来了上限。然而，如果能够定向传输能量，就可以提高网络的能量效率，这种方式又称为“波束赋形”（5G FR1和FR2基站的一种关键技术）。
　　
　　图4：频谱效率
　　利用波束赋形提高能量效率
　　在传统蜂窝网络中，与小区相关联的基站会向着相当广泛的区域传输能量（通常是基站前方120度角的弧形区域）。其中一部分能量会被基站小区内的用户接收，但绝大多数能量则被环境所吸收（建筑、行人、树木、汽车等）。这些耗损就意味着能量效率的降低和网络OPEX的提高（图5）。如果将单根基站天线替换为由120根天线向各个用户定向传输能量，那么基站所需的功耗将降低至原输出功率的0.1%（参考文献3）。然而这个下降幅度仅仅是理论值，从实际角度而言，由于基站内部射频元件的效能和损耗，相同容量下的输出功率只能降低到原功率的30%。