毫米波如何支持現(xiàn)實(shí)世界的 5G 網(wǎng)絡(luò)

    對 5G 的期望是巨大的。然而，5G 部署面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是可用的 6 GHz 以下頻譜不支持提供應(yīng)用程序和同時(shí)用戶所需的性能所需的延遲和吞吐量。雖然當(dāng)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、性能和延遲的承諾。毫米波技術(shù)可以幫助解決這個(gè)問題，但也存在挑戰(zhàn)。本文著眼于解決這些 5G 部署挑戰(zhàn)時(shí)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)代不斷增長的數(shù)據(jù)需求。GSM 導(dǎo)致了 2G，允許短信和基本數(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 承諾更多，比其前身快 100 倍，具有更高的帶寬、更低的延遲、更可靠的覆蓋范圍和更高的可用性。
    我們對 5G 的期望更高，尤其是在實(shí)時(shí)處理必不可少的數(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（例如用于手術(shù)咨詢和培訓(xùn)）以及虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (VR/AR) 解決方案。
    用于物聯(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，在這些領(lǐng)域中，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（和本地限制），真正 5G 的早期采用者將包括智能工廠、倉庫和體育場館。
    有不同類型的5G網(wǎng)絡(luò)
    將整個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)換為處理 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)施來提供他們所謂的“5G”，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際 5G 承諾的速度。
    本質(zhì)上，有兩種類型的 5G 網(wǎng)絡(luò)：
    個(gè)在中頻段（3.4 至 6 GHz）和低頻段（低于 1GHz）運(yùn)行。它通常依賴于 4G 基礎(chǔ)設(shè)施。4G 提供 35 到 50+ Mbps 的速度。雖然這些運(yùn)營商提供的“5G”解決方案超過了 4G 速度，但它們大大低于 5G 承諾的優(yōu)勢。因此，此類解決方案不太可能說服消費(fèi)者升級。
    超快毫米波 (mmWave) 提供我們都想要的 5G，并在 24 至 40GHz 的高頻段上運(yùn)行。憑借高達(dá) 5Gbps 的速度，可以在幾秒鐘內(nèi)整部高清電影。
    了解每個(gè) 5G 網(wǎng)絡(luò)之間的差異和協(xié)同作用對于應(yīng)對部署挑戰(zhàn)至關(guān)重要。就用戶體驗(yàn)而言，毫米波具有的潛在優(yōu)勢，但設(shè)置它并非沒有困難。
    毫米波和 5G 部署挑戰(zhàn)的優(yōu)缺點(diǎn)
    真實(shí)世界的毫米波網(wǎng)絡(luò)速度因范圍、信號阻塞以及與近的 5G 塔或小型基站的接近程度而有很大差異。雖然毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)速度超快，但它們的傳輸距離也很短。要接收毫米波信號，用戶必須在 5G 塔的一兩個(gè)街區(qū)內(nèi)，并且沒有視線 (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，進(jìn)一步縮小可用的 5G 范圍。為了優(yōu)化覆蓋范圍，運(yùn)營商面臨著以高密度安裝大量小型基站的問題，從而推高了大規(guī)模部署毫米波網(wǎng)絡(luò)的成本。
    由于其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。由于其范圍限制，毫米波不是郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的實(shí)際選擇，這些地區(qū)由更易于部署、更實(shí)惠的 4G LTE 和低于 6 GHz 的 5G 網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署將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，同時(shí)市場向 5G 過渡。
    盡管距離、信號傳播和 LOS 限制是毫米波的缺點(diǎn)，但像 Movandi 這樣的公司開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)，例如大規(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，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)展基于毫米波的網(wǎng)絡(luò)在室外環(huán)境和建筑物內(nèi)部的范圍和覆蓋范圍，解決了 5G 信號傳播挑戰(zhàn)。有源中繼器通過增強(qiáng)毫米波信號來工作，使它們能夠穿透墻壁和其他阻擋物并在建筑物周圍彎曲以克服 LOS 問題，而無需笨重的天線設(shè)計(jì)或昂貴的光纖回程。當(dāng)部署在建筑物內(nèi)時(shí)，智能中繼器可放大微弱的光束信號并照亮整個(gè)房間，從而改善終用戶和應(yīng)用連接體驗(yàn)（圖 1）。
       圖 1：智能有源中繼器解決了 5G 信號傳播挑戰(zhàn)，擴(kuò)展了基于毫米波的網(wǎng)絡(luò)在室外環(huán)境和建筑物內(nèi)部的范圍和覆蓋范圍。
    在整個(gè) 5G 網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用有源中繼器，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 毫米波服務(wù)。
    美國所有主要運(yùn)營商現(xiàn)在都在測試毫米波網(wǎng)絡(luò)，在選定的主要城市和社區(qū)提供可用性。低于 6 GHz 的 5G 目前比毫米波更廣泛可用，主要運(yùn)營商向城市地區(qū)的許多客戶推出較低頻率的 5G 網(wǎng)絡(luò)。
    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，因?yàn)轭A(yù)計(jì)到 2023 年客戶需求將超過 6 GHz 以下的容量，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)提供比毫米波更好的覆蓋范圍并且需要更少的基站（下一代無線電節(jié)點(diǎn) - gNB），但有限的 6 GHz 以下頻譜終將需要部署更多的 gNB。高帶寬毫米波有助于緩解擁擠的城市地區(qū)、體育場館、音樂會場地和機(jī)場日益嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞。這種部署意味著您將在您期望很少或沒有連接的地方擁有穩(wěn)定的高速連接。
    雖然正在向 5G 網(wǎng)絡(luò)過渡，但在 5G 取代 4G LTE 之前還有很長的路要走。目前，大多數(shù)用戶都在使用 4G 和有限的低于 6 GHz 的 5G 服務(wù)，超快的毫米波速度和低延遲的承諾就在眼前。
    釋放5G潛力的三大技術(shù)挑戰(zhàn)
    實(shí)現(xiàn)5G低時(shí)延、高帶寬、更快速度、更廣覆蓋的宏偉目標(biāo)；主要運(yùn)營商和毫米波解決方案提供商正在努力克服這些基本挑戰(zhàn)：
    傳統(tǒng)的高頻射頻設(shè)計(jì)方法和昂貴、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以大規(guī)模支持毫米波網(wǎng)絡(luò)可能會推高 5G 基礎(chǔ)設(shè)施成本。
    毫米波頻率會因距離、信號阻塞和非現(xiàn)場條件而導(dǎo)致更大的傳輸損耗。
    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)更長的毫米波網(wǎng)絡(luò)范圍，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
    為了加速毫米波網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，運(yùn)營商和 5G 設(shè)備制造商必須解決以下三個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)：
    單根天線在高頻下的傳播損耗更高：這是一個(gè)眾所周知的技術(shù)挑戰(zhàn)，具有經(jīng)過全面分析和明確定義的解決方案。使用可控相控陣可以通過許多小天線元件的同相來構(gòu)建大天線孔徑，從而克服這一挑戰(zhàn)。
    需要可跟蹤的 LOS 路徑或發(fā)射器和接收器之間的強(qiáng)反射路徑：高無線電頻率中缺乏折射/衍射限制了到 LOS 路徑或強(qiáng)鏡面反射路徑的鏈路的可用性。這是提供必須隨時(shí)隨地可用的毫米波連接的主要限制。
    在高無線電頻率下通過材料的高透射率損耗：與 6 GHz 以下無線電信號相比，毫米波信號在通過玻璃、有色窗戶、磚、木材和石膏板等材料傳播時(shí)表現(xiàn)出非常高的透射率損耗。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(shí)隨地可用的主要制約因素。
    個(gè)挑戰(zhàn)（單個(gè)天線的傳播損耗）很好理解，并通過部署大型相控陣天線成功緩解。然而，直到近，還沒有針對視線和透射率損失問題達(dá)成廣泛共識或標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。
    有源中繼器解決方案的工作原理
    智能有源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 LOS 或強(qiáng)反射路徑：此部署挑戰(zhàn)包括 gNB（想想下一代基站）和終用戶設(shè)備 (UE) 之間沒有視線或強(qiáng)反射路徑的情況。考慮到高頻的反射傳播特性，自然/無源反射器需要在源和目的地之間創(chuàng)建一條類似鏡子的路徑。這種鏡像式路徑要求進(jìn)一步限制了依賴環(huán)境中自然反射器關(guān)閉毫米波鏈路的部署場景。
    非常高的傳輸損耗：由于 gNB 和 UE 之間的信號阻塞物體，此部署場景涉及非常高的傳輸損耗。例如，通過有色玻璃窗的傳輸損耗可能高達(dá) ~40 dB，這很難在單跳中進(jìn)行補(bǔ)償。
    不可跟蹤的變化環(huán)境和/或反射器：理想情況下，波束跟蹤算法應(yīng)該跟蹤和適應(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 的阻塞或 UE 方向的變化，可能很難在不丟失連接的情況下進(jìn)行跟蹤。然而，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。
    有源中繼器可以在移動設(shè)備附近生成寬波束，而不是通過調(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。一旦創(chuàng)建了這些準(zhǔn)靜止寬波束，就無需立即跟蹤移動設(shè)備位置或方向的快速變化。
    可以設(shè)計(jì)有源中繼器來降低毫米波鏈路可用性并應(yīng)對 LOS 挑戰(zhàn)。為了限度地減少延遲、成本和復(fù)雜性，基于“無解調(diào)器”架構(gòu)的中繼器可限度地提高可用信號強(qiáng)度，并消除對傳統(tǒng)解調(diào)和再調(diào)制技術(shù)的需求。
    通過通過時(shí)隙、頻率和物理空間或范圍啟用多個(gè)訪問選項(xiàng)，單個(gè)有源中繼器可以在以下情況下支持多種類型的終用戶設(shè)備：

    靜態(tài)單波束：中繼器接收覆蓋整個(gè)頻道的單個(gè)流，并通過可覆蓋所有終用戶設(shè)備的單個(gè)窄波束重新傳輸流（圖 2）。

    圖 2：靜態(tài)單波束部署示例。

    切換多波束：中繼器波束設(shè)置在時(shí)隙基礎(chǔ)上切換。中繼器接收單個(gè)流并通過切換波束重新傳輸流。每個(gè)時(shí)隙期間的波束輪廓與分配給該時(shí)隙的終用戶設(shè)備相關(guān)聯(lián)（圖 3）。

    圖 3：切換多波束部署示例。
    并發(fā)多波束：中繼器可以配置為通過覆蓋所有終端用戶設(shè)備的多個(gè)波束同時(shí)重新傳輸全帶寬毫米波信號。
    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(jì)有源中繼器來動態(tài)支持所有三種類型的波束。光束重新配置可以在安裝或操作期間應(yīng)用。鑒于這種多路訪問架構(gòu)的可重新配置和動態(tài)特性，單個(gè)中繼器可以支持多種類型的終端用戶設(shè)備。
    考慮一個(gè)主動中繼器場景，其中在 gNB 和鏈中的一個(gè)中繼器之間配置了四個(gè)躍點(diǎn)。這些躍點(diǎn)將 gNB 和一個(gè)中繼器之間的范圍擴(kuò)展到 2 公里以上。由于每個(gè)無解調(diào)器的節(jié)點(diǎn)不需要執(zhí)行解調(diào)/重新調(diào)制，因此通過幾乎零的跳躍延遲實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。對誤差矢量幅度 (EVM) 在毫米波信號通過中繼器傳播時(shí)逐漸降低的分析表明，在一個(gè)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，因此中繼器的波束搜索和優(yōu)化的復(fù)雜性是可控的。一旦 gNB 和中繼器之間的波束被優(yōu)化和微調(diào)（在加電時(shí)或周期性地以低速率），只有兩個(gè)波束需要?jiǎng)討B(tài)優(yōu)化，例如，中繼器和 UE 之間的波束。這導(dǎo)致與 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，5G 的采用還有額外的商業(yè)和終用戶要求。其中包括純光纖數(shù)據(jù)中心升級，以處理增加的流量、數(shù)據(jù)傳輸和存儲需求，以補(bǔ)充 5G 所要求的高速。兼容 5G 的設(shè)備是另一個(gè)考慮因素，無論是移動設(shè)備還是固定 LAN，特別是如果您計(jì)劃在固定寬帶出現(xiàn)故障時(shí)使用 5G 來確保業(yè)務(wù)連續(xù)性。
    5G 部署面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是可用的 6 GHz 以下頻譜不支持提供應(yīng)用程序和同時(shí)用戶所需的性能所需的延遲和吞吐量。雖然當(dāng)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、性能和延遲方面的承諾。
    基于 24 GHz 至 40 GHz 范圍內(nèi)的毫米波頻率的 5G 網(wǎng)絡(luò)有希望實(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、阻塞和路徑損耗方面的挑戰(zhàn)。我們之前在衛(wèi)星電視和 Wi-Fi 領(lǐng)域看到過類似的技術(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作為一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行整體定制，可以比以往更大程度地解決毫米波解決方案的性能問題。移動技術(shù)提供商通過提供首批毫米波 RF 前端解決方案、大型相控陣天線設(shè)計(jì)和智能有源中繼器來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)終用戶對 5G 網(wǎng)絡(luò)的高性能、廣泛覆蓋和高可用性的期望。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)。Movandi 等公司開發(fā)的解決方案有助于提高 5G 運(yùn)營商的性能和經(jīng)濟(jì)性，從而將部署成本削減一半。