毫米波是如何增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界的 5G 網(wǎng)絡(luò)

人們對 5G 寄予厚望。然而，5G 部署面臨的一個主要挑戰(zhàn)是，可用的 6 GHz 以下頻譜無法支持提供高級應(yīng)用程序和同時使用用戶所需的最佳性能所需的延遲和吞吐量。雖然目前的 6 GHz 以下 5G 網(wǎng)絡(luò)比現(xiàn)有的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)略有改進(jìn)，但它們未能在密集的城市環(huán)境和擁擠的活動場所兌現(xiàn) 5G 覆蓋范圍、性能和延遲的承諾。毫米波技術(shù)可以幫助解決這個問題，但也存在挑戰(zhàn)。本文探討了解決這些 5G 部署挑戰(zhàn)時需要考慮的關(guān)鍵因素。

蜂窩技術(shù)一直在不斷發(fā)展，以滿足現(xiàn)代日益增長的數(shù)據(jù)需求。GSM 催生了 2G，它允許發(fā)送短信和進(jìn)行基本數(shù)據(jù)傳輸。3G 允許有效的移動互聯(lián)網(wǎng)瀏覽，4G 允許用戶更可靠地流式傳輸視頻并享受穩(wěn)定的 VoIP 通話。5G 承諾的遠(yuǎn)不止這些，它比上一代快 100 倍，帶寬更高、延遲更低、覆蓋范圍更可靠、可用性更高。

我們對 5G 的期望更高，尤其是在實(shí)時處理至關(guān)重要的數(shù)據(jù)密集型場景中。即將推出的 5G 將帶來自動駕駛等創(chuàng)新，其他新興用例包括車對車 (V2V) 通信、智能建筑、城市、遠(yuǎn)程醫(yī)療、醫(yī)療機(jī)器人(例如用于外科咨詢和培訓(xùn))以及虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (VR/AR) 解決方案。

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的連接設(shè)備數(shù)量也將增加，尤其是在供應(yīng)鏈監(jiān)控和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 等領(lǐng)域，關(guān)鍵系統(tǒng)的監(jiān)控是重中之重。

然而，考慮到5G的技術(shù)要求(和原生限制)，真正的5G的早期采用者將包括智能工廠、倉庫和體育館。

5G 網(wǎng)絡(luò)有多種類型

將整個蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)換為支持 5G 是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，許多運(yùn)營商正在使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施來提供所謂的“5G”，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際 5G 承諾的下載速度。

本質(zhì)上，5G網(wǎng)絡(luò)有兩種類型：

· 第一種是中頻(3.4 至 6 GHz)和低頻(低于 1GHz)頻段。它通常依賴于 4G 基礎(chǔ)設(shè)施。4G 提供的下載速度為 35 至 50+ Mbps。雖然這些運(yùn)營商提供的“5G”解決方案超過了 4G 的下載速度，但它們與 5G 承諾的優(yōu)勢相差甚遠(yuǎn)。因此，此類解決方案不太可能說服消費(fèi)者升級。

· 超高速毫米波 (mmWave) 提供了我們想要的 5G，可在 24 至 40GHz 的高頻頻段上運(yùn)行。速度高達(dá) 5Gbps，可以在幾秒鐘內(nèi)下載整部高清電影。

了解每個 5G 網(wǎng)絡(luò)之間的差異和協(xié)同作用對于解決部署挑戰(zhàn)至關(guān)重要。就用戶體驗(yàn)而言，mmWave 具有最大的潛在優(yōu)勢，但設(shè)置起來并非沒有復(fù)雜性。

毫米波的利弊和 5G 部署挑戰(zhàn)

實(shí)際的毫米波網(wǎng)絡(luò)速度會因范圍、信號阻斷器以及與最近的 5G 塔或小型基站的距離而有很大差異。雖然毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)速度超快，但其范圍也很短。要接收毫米波信號，用戶必須在 5G 塔的一個或兩個街區(qū)內(nèi)，且沒有視距 (LOS) 障礙物。

高頻毫米波信號很容易被建筑物、墻壁、窗戶和樹葉阻擋，從而進(jìn)一步縮小可用的 5G 范圍。為了優(yōu)化覆蓋范圍，運(yùn)營商必須高密度安裝大量小型基站，這推高了大規(guī)模部署毫米波網(wǎng)絡(luò)的成本。

由于覆蓋范圍和視線限制，毫米波技術(shù)更適合密集的城市環(huán)境。由于范圍限制，毫米波對于郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)來說并不實(shí)用，這些地區(qū)最適合部署更簡單、更實(shí)惠的 4G LTE 和 6 GHz 以下 5G 網(wǎng)絡(luò)。毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署需要大量地下光纜安裝。在此之前，運(yùn)營商將繼續(xù)依賴現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，而市場將轉(zhuǎn)向 5G。

雖然范圍、信號傳播和 LOS 限制是毫米波的缺點(diǎn)，但 Movandi 等公司開發(fā)的大規(guī)模 MIMO(多輸入多輸出)、小型化天線陣列、自適應(yīng)波束成形和智能有源中繼器等先進(jìn)技術(shù)可以有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)

智能有源中繼器通過放大毫米波信號并擴(kuò)大室外環(huán)境和建筑物內(nèi)毫米波網(wǎng)絡(luò)的范圍和覆蓋范圍來解決 5G 信號傳播難題。有源中繼器的工作原理是增強(qiáng)毫米波信號，使其能夠穿透墻壁和其他阻擋物并繞過建筑物以克服 LOS 問題，而無需笨重的天線設(shè)計或昂貴的光纖回程。當(dāng)部署在建筑物內(nèi)時，智能中繼器會放大弱波束信號并照亮整個房間，從而改善最終用戶和應(yīng)用程序的連接體驗(yàn)。

有源中繼器在 5G 網(wǎng)絡(luò)中的廣泛使用使服務(wù)提供商能夠以降低 50% 的成本推出室內(nèi)、室外和移動增強(qiáng)型 5G mmWave 服務(wù)。

目前，所有全球主要運(yùn)營商都在測試毫米波網(wǎng)絡(luò)，并在選定的主要城市和社區(qū)提供服務(wù)。目前，Sub-6 GHz 5G 比毫米波更為普及，主要運(yùn)營商正在向城市地區(qū)的許多客戶推出較低頻率的 5G 網(wǎng)絡(luò)。

由于客戶需求預(yù)計到 2023 年將超過 6 GHz 以下容量，因此一級運(yùn)營商正在遷移到毫米波技術(shù)以滿足網(wǎng)絡(luò)容量需求，目前多家運(yùn)營商已經(jīng)部署了基于毫米波的 5G 網(wǎng)絡(luò)。

雖然毫米波的批評者認(rèn)為 6 GHz 以下網(wǎng)絡(luò)比毫米波覆蓋范圍更廣，需要的基站(下一代無線節(jié)點(diǎn) - gNB)更少，但有限的 6 GHz 以下頻譜最終將需要部署更多的 gNB。高帶寬毫米波可以幫助緩解擁擠的城市地區(qū)、體育場館、音樂會場館和機(jī)場日益嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁堵。這種部署意味著您將在幾乎或完全沒有連接的地方獲得穩(wěn)定的高速連接。

雖然向 5G 網(wǎng)絡(luò)的過渡正在進(jìn)行中，但距離 5G 取代 4G LTE 還有很長的路要走。目前，大多數(shù)用戶仍在使用 4G 和有限的 6 GHz 以下 5G 服務(wù)，超快的毫米波速度和低延遲即將到來。

釋放5G潛力的三大技術(shù)挑戰(zhàn)

為了實(shí)現(xiàn) 5G 低延遲、高帶寬、更快速度和廣泛覆蓋的雄心勃勃的目標(biāo)，主要運(yùn)營商和毫米波解決方案提供商正在努力克服以下根本挑戰(zhàn)：

· 傳統(tǒng)的高頻射頻設(shè)計方法以及昂貴、笨重且效率低下的天線對實(shí)現(xiàn)毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)的性能目標(biāo)構(gòu)成了障礙。

· 大規(guī)模部署小型基站和中繼器以支持毫米波網(wǎng)絡(luò)可能會推高 5G 基礎(chǔ)設(shè)施成本。

· 毫米波頻率可能會因距離、信號阻塞和非視距條件而造成更大的傳輸損耗。

· 需要波束成形天線和先進(jìn)的波束管理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)毫米波網(wǎng)絡(luò)的更長范圍，這增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。

為了加速大規(guī)模部署毫米波網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商和 5G 設(shè)備制造商必須解決以下三個技術(shù)挑戰(zhàn)：

· 單天線在高頻下的傳播損耗較大：這是一個眾所周知的技術(shù)挑戰(zhàn)，具有經(jīng)過徹底分析和明確定義的解決方案。使用可控相控陣可以通過將許多小天線元件同相構(gòu)建大天線孔徑來克服這一挑戰(zhàn)。

· 需要可跟蹤的 LOS 路徑或發(fā)射器與接收器之間的強(qiáng)反射路徑：高射頻中缺乏折射/衍射，限制了 LOS 路徑或強(qiáng)鏡面反射路徑的鏈路可用性。這是提供必須隨時隨地可用的 mmWave 連接的主要制約因素。

· 高射頻下材料傳輸損耗高：與 6 GHz 以下無線電信號相比，毫米波信號在通過玻璃、有色玻璃窗、磚塊、木材和石膏板等材料傳播時，傳輸損耗非常高。即使是傳統(tǒng)的玻璃窗也會使毫米波信號衰減 6 dB，而多層 Low-E 玻璃會導(dǎo)致近 40 dB 的損耗。信號阻塞是限制毫米波隨時隨地可用性的主要制約因素。

第一個挑戰(zhàn)(單天線的傳播損耗)已得到充分理解，并通過部署大型相控陣天線成功緩解。然而，直到最近，視線和傳輸損耗問題還沒有得到廣泛認(rèn)可或標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。

有源中繼器解決方案的工作原理

智能主動中繼器可以在三種部署場景中緩解 LOS 鏈路可用性挑戰(zhàn)：

缺乏視距或強(qiáng)反射路徑：這種部署挑戰(zhàn)包括 gNB(下一代基站)和最終用戶設(shè)備 (UE) 之間沒有視距或強(qiáng)反射路徑的情況。鑒于高頻下的反射傳播特性，自然/無源反射器需要在源和目的地之間創(chuàng)建鏡像路徑。這種鏡像路徑要求進(jìn)一步限制了依賴環(huán)境中的自然反射器來關(guān)閉 mmWave 鏈路的部署場景。

傳輸損耗極高：此部署場景涉及極高的傳輸損耗，這是由于 gNB 和 UE 之間的信號阻擋物體造成的。例如，通過有色玻璃窗的傳輸損耗可能高達(dá) ~40 dB，這在單跳中很難補(bǔ)償。

無法跟蹤不斷變化的環(huán)境和/或反射器：理想情況下，波束跟蹤算法應(yīng)跟蹤并適應(yīng)環(huán)境、反射器和 UE 的移動和變化。環(huán)境中的典型變化(例如 LOS 阻塞或 UE 方向變化)可能很難在不丟失連接的情況下進(jìn)行跟蹤。但是，需要額外的緩解方法和架構(gòu)改進(jìn)，才能為移動和變化的環(huán)境提供更強(qiáng)大、更可靠的連接。

有源中繼器無需通過調(diào)整指向 gNB 和 UE 的窄波束來跟蹤環(huán)境或反射器的快速變化，而是可以在移動設(shè)備附近生成寬波束。一旦創(chuàng)建了這些準(zhǔn)靜態(tài)寬波束，就無需立即跟蹤移動設(shè)備位置或方向的快速變化。

有源中繼器可以設(shè)計用于緩解毫米波鏈路可用性并解決 LOS 挑戰(zhàn)。為了最大限度地降低延遲、成本和復(fù)雜性，基于“無解調(diào)器”架構(gòu)的中繼器可以最大限度地降低可用信號強(qiáng)度，并且無需使用傳統(tǒng)的解調(diào)和重新調(diào)制技術(shù)。

通過時隙、頻率和物理空間或范圍啟用多種接入選項(xiàng)，單個有源中繼器可以在以下場景下支持多種類型的最終用戶設(shè)備：

靜態(tài)單波束：中繼器接收覆蓋全頻道的單一流，并通過可覆蓋所有終端用戶設(shè)備的單一窄波束重新傳輸該流。

切換多波束：中繼器波束設(shè)置按時隙切換。中繼器接收單個流并通過切換波束重新傳輸該流。每個時隙的波束分布與分配給該時隙的最終用戶設(shè)備相關(guān)聯(lián)。

并發(fā)多波束：中繼器可配置為通過多個波束同時重新傳輸全帶寬毫米波信號，覆蓋所有最終用戶設(shè)備。

通過重新配置中繼器設(shè)備內(nèi)的波束成形引擎資源，可以設(shè)計有源中繼器來動態(tài)支持所有三種類型的波束。波束重新配置可以在安裝時或操作過程中應(yīng)用。鑒于這種多址架構(gòu)的可重新配置和動態(tài)特性，單個中繼器可以支持多種類型的最終用戶設(shè)備。

考慮一個有源中繼器場景，其中 gNB 和鏈中的最后一個中繼器之間配置了四個跳數(shù)。這些跳數(shù)將 gNB 和最后一個中繼器之間的范圍擴(kuò)展到 2 公里以上。由于每個無解調(diào)器節(jié)點(diǎn)不需要執(zhí)行解調(diào)/重新調(diào)制，因此在跳數(shù)上幾乎可以實(shí)現(xiàn)零延遲。當(dāng)毫米波信號通過中繼器傳播時，誤差矢量幅度 (EVM) 逐漸下降的分析表明，在最后一個中繼器節(jié)點(diǎn)處仍保持約 23 dB 的目標(biāo)信噪比 (SNR)。

由于 gNB 和中繼器之間鏈路的波束配置是靜態(tài)的，因此中繼器處的波束搜索和細(xì)化復(fù)雜性是可控的。一旦 gNB 和中繼器之間的波束經(jīng)過優(yōu)化和微調(diào)(在通電時或以慢速定期進(jìn)行)，就只有兩個波束需要動態(tài)優(yōu)化，例如中繼器和 UE 之間的波束。這可實(shí)現(xiàn)與 gNB 和 UE 之間的直接鏈路相當(dāng)?shù)母咝Рㄊ阉鲗?shí)現(xiàn)。

結(jié)論

值得注意的是，采用 5G 還需要滿足額外的商業(yè)和最終用戶要求。其中包括僅使用光纖的數(shù)據(jù)中心升級，以處理增加的流量、數(shù)據(jù)傳輸和存儲要求，以補(bǔ)充 5G 所需的高速。5G 兼容設(shè)備是另一個考慮因素，無論是移動還是固定 LAN，特別是如果您計劃使用 5G 來確保固定寬帶中斷時的業(yè)務(wù)連續(xù)性。

5G 部署面臨的一個主要挑戰(zhàn)是，可用的 6 GHz 以下頻譜無法提供滿足高級應(yīng)用和同時使用用戶所需最佳性能所需的延遲和吞吐量。雖然目前的 6 GHz 以下 5G 網(wǎng)絡(luò)比現(xiàn)有的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)略有改進(jìn)，但它們無法在密集的城市環(huán)境和擁擠的活動場所實(shí)現(xiàn) 5G 覆蓋范圍、性能和延遲的承諾。

基于 24 GHz 至 40 GHz 范圍內(nèi)的毫米波頻率的 5G 網(wǎng)絡(luò)最有望實(shí)現(xiàn)高帶寬、低延遲的 5G 連接。然而，毫米波技術(shù)也帶來了信號傳播、阻塞和路徑損耗的挑戰(zhàn)。我們之前在衛(wèi)星電視和 Wi-Fi 領(lǐng)域也遇到過類似的技術(shù)挑戰(zhàn);我們已經(jīng)使用附加接入點(diǎn)、增強(qiáng)器、中繼器和衛(wèi)星對準(zhǔn)等解決方案解決了這些問題。

同樣，通過將 5G 無線電和波束成形天線整體定制為一個完整系統(tǒng)，毫米波解決方案的性能問題可以得到前所未有的解決。移動技術(shù)提供商正在應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，提供首批毫米波射頻前端解決方案、大型相控陣天線設(shè)計和智能有源中繼器，以實(shí)現(xiàn)最終用戶對 5G 網(wǎng)絡(luò)所期望的高性能、廣泛覆蓋和高可用性。因此，服務(wù)提供商和行業(yè)合作伙伴能夠以降低 50% 的成本推出室內(nèi)、室外和移動增強(qiáng)型 5G 毫米波服務(wù)。