深入了解5G基礎(chǔ)設(shè)施

圖源：NicoElNino/Shutterstock.com

5G NR是增強(qiáng)5G空中接口的全球標(biāo)準(zhǔn)，可在低頻段(低于1GHz)、中頻段(1GHz至6GHz)和高頻段(高于24GHz的毫米波)提供更快的移動(dòng)通信體驗(yàn)。本文中，我們將探討高頻段毫米波頻譜以上的頻率，展示接入回傳一體化 (IAB) 如何為更靈活的密集化策略打開大門，使運(yùn)營商能夠使用無線回傳快速增加新基站。

擴(kuò)展5G NR毫米波網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍會(huì)面臨哪些挑戰(zhàn)?

要顯著擴(kuò)展5G NR毫米波網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)是額外部署毫米波基站的成本。下面列出的是移動(dòng)5G毫米波面臨的其他一些主要問題以及克服這些問題的方法：

? 此類部署的一個(gè)重要方面是需要使用新型無線回傳基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行可靠的回傳安裝，使毫米波密集化更具成本效益。

? 路徑損失會(huì)導(dǎo)致覆蓋范圍受限，因而需要部署很多小型蜂窩;不過模擬波束成形技術(shù)有助于克服這種路徑損失。

? 毫米波需要視距 (LOS) 傳輸，因此信號傳播會(huì)受到限制;不過先進(jìn)的波束成形和波束跟蹤技術(shù)通過利用路徑分集和反射，有助于克服這一問題。

? 毫米波只適用于固定用途;對此的解決方案是通過自適應(yīng)波束控制和切換的方式來進(jìn)行傳遞，從而克服阻塞。

? 毫米波設(shè)備尺寸較大，因?yàn)樗碾娏看?，小尺寸存在散熱問題;對此的解決方案是借助手機(jī)的商業(yè)化來促進(jìn)研發(fā)滿足尺寸和散熱要求的調(diào)制解調(diào)器、射頻和天線解決方案。

何為5G IAB?

最近，3GPP提出了一種對多跳IAB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的流程。本文將概述3GPP第16版標(biāo)準(zhǔn)提出的多跳IAB的主要特征，以及這些設(shè)計(jì)選擇背后的原因。

3GPP 5G第16版引入了IAB，使基站既能為設(shè)備提供無線接入，又能提供無線回傳連接，因而無需再安裝成本更高的有線回傳。所謂IAB，就是將接入頻譜的一部分用于回傳連接。

為何要部署無線IAB而非光纖IAB?

5G所承諾的高帶寬能力來自于毫米波段中的高頻通信，但這里存在一個(gè)問題——高頻信號的覆蓋范圍有限，需要更加密集地布設(shè)基站，從而使推廣這項(xiàng)技術(shù)的成本大幅增加，其中一大主要因素來自于光纖的部署，因?yàn)楣饫w需要布設(shè)在地下。

而IAB的思路則是從無線頻譜中分出一部分，取代光纖用于建立回傳連接。這對于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上可行的密集部署而言是非常具有吸引力的。

IAB的一大優(yōu)勢在于它可以靈活、高密度地部署NR蜂窩，而無需按比例增加傳輸網(wǎng)絡(luò)的密度。我們可以設(shè)想廣泛的部署場景，包括支持室外小基站部署、覆蓋范圍擴(kuò)展、室內(nèi)部署和固定無線接入 (FWA)，如圖1所示。

圖1：IAB的用例(圖源：Integrated Access Backhauled Networks)

3GPP第16版標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)版本中包含：

1. 多跳回傳，可實(shí)現(xiàn)靈活的范圍擴(kuò)展。

2. 服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 的區(qū)分和執(zhí)行，以便滿足5G QoS，尤其是在多跳的情況下。

3. 支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m應(yīng)和冗余連接，可實(shí)現(xiàn)出色的回傳性能，并且能夠快速適應(yīng)回傳無線電鏈路過載和故障。

4. 通過對IAB節(jié)點(diǎn)的接入鏈接(如UE鏈接)和回傳鏈接(鏈接到其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))分別使用相同或不同的載波頻率來進(jìn)行帶內(nèi)和帶外中繼。

5. 支持需要IAB節(jié)點(diǎn)部署對用戶設(shè)備 (UE) 透明的傳統(tǒng)終端，因此不需要新的UE功能或標(biāo)準(zhǔn)化。

Verizon的計(jì)劃很好地解釋了為何部署無線IAB而非光纖IAB

Verizon已經(jīng)決定部署IAB技術(shù)。這是一項(xiàng)重要決策，因?yàn)榈侥壳盀橹?，該運(yùn)營商正在使用大量光纖連接來回傳其5G傳輸站點(diǎn)的流量。

光纖回傳不僅成本高昂，還可能存在諸多限制，因?yàn)閂erizon只能將5G天線安裝到能夠接入光纖和電力連接的地方。

而部署無線IAB后，Verizon便可將5G發(fā)射器安裝到只有電力而沒有光纖的地方，因?yàn)闊o線天線可以通過無線鏈路將其流量回傳到附近的接收器，而該接收器很可能可以連接到光纖網(wǎng)絡(luò)。

借助IAB部署，Verizon可以將5G天線安裝到光纜鋪設(shè)難度過大或成本過高的地方，例如在一組火車軌道上埋設(shè)光纜就是一件很困難的事情。

相較于目前采用的無線回傳技術(shù)，諸如使用60-90GHz E波段的技術(shù)，IAB具有顯著優(yōu)勢，因?yàn)樗恍枰獮榛貍麈溌凡捎脝为?dú)的天線。正如“接入回傳一體化”中的“一體化”一詞，IAB既可以支持普通5G用戶的無線連接，也可以通過同一天線支持回傳鏈路。

在智慧城市中部署無線IAB基礎(chǔ)設(shè)施

隨著人們不斷離開農(nóng)村地區(qū)，城市化進(jìn)程正在迅速推進(jìn)，這給城市地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施帶來了很大的負(fù)擔(dān)。部署智慧城市有望減輕這些負(fù)擔(dān)，從而解決城市發(fā)展中遇到的諸多問題。

根據(jù)預(yù)測，5G技術(shù)有望成為推動(dòng)智慧城市技術(shù)成為主流，同時(shí)加速新部署的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。3GPP NR第16版指定了無線IAB，這是新部署的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。

智慧城市是一個(gè)主要由信息和通信技術(shù) (ICT) 組成的架構(gòu)，它使可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐能夠應(yīng)對日益增長的城市化挑戰(zhàn)。

這一ICT架構(gòu)是由可使用無線技術(shù)和云計(jì)算傳輸數(shù)據(jù)的互聯(lián)對象和機(jī)器的智能網(wǎng)絡(luò)所組成的。智慧城市的居民可以通過智能手機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、網(wǎng)聯(lián)汽車和智能家居等多種方式參與到智慧城市生態(tài)系統(tǒng)中。

在智慧城市中廣泛部署物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備，便可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境條件和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測和管理。但這樣做的成本可能非常高昂。智慧城市能否生存下去，將取決于能否降低成本。

智能城市需要物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，以訪問來自這些設(shè)備的數(shù)據(jù)。在這種情況下，部署無線IAB可以使基站既能為設(shè)備提供無線接入，又能提供無線回傳連接，因而無需再采用成本高昂的有線回傳。無線IAB還能加快各種規(guī)?；镜牟渴鹚俣?，及時(shí)為社區(qū)提供全面的信號覆蓋。在3GPP第16版標(biāo)準(zhǔn)中，多跳IAB網(wǎng)絡(luò)也得到了標(biāo)準(zhǔn)化。

智慧城市還可以通過真正的無線通信部署，為優(yōu)化能源分配、改善垃圾集運(yùn)、減少車輛交通擁堵以及改善空氣質(zhì)量提供基礎(chǔ)設(shè)施。

聯(lián)網(wǎng)的交通信號燈可以通過調(diào)整燈光節(jié)奏的時(shí)間來接收傳感器和汽車的數(shù)據(jù)，在減少交通擁堵的同時(shí)對實(shí)時(shí)交通做出快速反應(yīng)。

網(wǎng)聯(lián)汽車可以通過無線方式與停車計(jì)時(shí)器和電動(dòng)汽車 (EV) 充電站連接，引導(dǎo)駕駛員前往最近的可以使用的充電停車區(qū)。

智能垃圾桶將以無線方式向廢棄物管理點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化集運(yùn)時(shí)間。

居民的智能手機(jī)將成為帶有數(shù)字憑證的移動(dòng)駕照和身份證件，可以更快地訪問城市和地方政府服務(wù)。

因此，通過使用毫米波頻率的部分可用大頻譜進(jìn)行無線回傳，IAB將大大降低5G網(wǎng)絡(luò)的部署成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與光纖部署相當(dāng)?shù)男阅堋?

展望5G第17版

圖2：3GPP第17版5G標(biāo)準(zhǔn)概覽(圖源：3GPP)

由于新冠疫情影響，許多面對面會(huì)議不得不取消或改為線上會(huì)議，致使3GPP第17版5G標(biāo)準(zhǔn)(圖2)的制定進(jìn)度出現(xiàn)了延遲。3GPP希望能夠在2021年下半年恢復(fù)面對面會(huì)議。好消息是，第17版目前依然維持著2019年12月的會(huì)議敲定的內(nèi)容。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱3GPP網(wǎng)站上商定的第17版時(shí)間表。

結(jié)語

在本文中，我們探討了擴(kuò)展5G NR毫米波網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍這一艱巨任務(wù)所面臨的諸多挑戰(zhàn)。

光纖是5G回傳最初的選擇，但成本高昂，直至3GPP第16版5G標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，使集成的接入和回傳成為了可行性高、成本更低的選擇。我們已經(jīng)證明，與光纖或任何其他技術(shù)相比，無線IAB在成本和性能方面都是更好的解決方案。Verizon的解決方案就提供了一個(gè)很好的例子。

智慧城市是5G通信部署的一個(gè)主要并且相對較新的領(lǐng)域。本文闡述了無線IAB為何能成為5G毫米波頻率下一個(gè)非常適合密集部署并且性能出色，同時(shí)又無需與每個(gè)基站建立更昂貴的光纖連接的方案。

作者簡介

Steve Taranovich是紀(jì)實(shí)著作《真理守護(hù)者》(Guardians of the Right Stuff) 的作者，這是由NASA和Grumman公司的多位工程師、一位航天員以及多位技術(shù)人員講述的有關(guān)阿波羅計(jì)劃的真實(shí)故事。Steve曾在2012年至2019年期間擔(dān)任EETimes/Planet Analog的資深主編以及EDN的高級技術(shù)編輯，并負(fù)責(zé)模擬和電源管理設(shè)計(jì)中心的運(yùn)作。他在電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域擁有40年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并且在工業(yè)領(lǐng)域擁有9年的技術(shù)寫作和編輯經(jīng)驗(yàn)。他的專長涵蓋模擬電子、空間相關(guān)電子、音頻、射頻與通信、電源管理、電氣工程和集成電路 (IC)。Steve Taranovich是一位實(shí)力雄厚的媒體和通信專家，1972年獲得紐約大學(xué)工程系電子電氣工程學(xué)士學(xué)位，1989年獲得紐約理工大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。他曾于1972年到1988年間擔(dān)任過8年的音頻電路設(shè)計(jì)工程師和8年的微波電路設(shè)計(jì)工程師。