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利用毫米波解决5G部署面临的挑战

时间:2022-05-13 09:01:45 作者:Reza Rofougaran 阅读:
目前,5G部署面临的主要挑战是,当在密集的城市环境和拥挤的活动场所为用户提供所需的最佳性能时,Sub-6GHz频段无法兑现5G承诺,而毫米波频段则可以满足Sub-6GHz频段无法保证的5G性能所需的延迟和吞吐量,但却面临一些其他方面的挑战。本文将讨论如何克服5G部署面临的这些挑战,以及需要考虑的各种关键因素。
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用户对5G的期望是巨大的。然而,5G部署却面临一个主要挑战:当为众多高级应用和并发用户提供所需的最佳性能时,可用的Sub-6GHz频谱无法保证所需的延迟和吞吐量。虽然当前的Sub-6GHz 5G网络与现有的4G LTE网络相比已有改进,但它们无法在密集的城市环境和拥挤的活动场所实现所承诺的5G覆盖、性能和延迟性能。所幸,毫米波技术可以解决这个问题,但也一样存在挑战。

蜂窝技术总是在不断发展,以满足现代不断增长的数据需求。GSM催生出了2G,实现了短信和基本数据传输。3G实现了有效的移动互联网浏览,4G则实现了用户更可靠的视频流传输,并让用户享受稳定的VoIP通话。而如今,5G的承诺要多得多,速度是4G的100倍,具有更高的带宽、更低的延迟、更可靠的覆盖范围和更高的可用性。

而人们对5G的期望则更高,尤其是对于实时处理至关重要的数据密集型应用场景。即将推出的5G将带来自主驾驶等创新,其他新兴应用案例包括车对车(V2V)通信、智能建筑、城市、远程医疗、医疗机器人(例如,用于手术咨询和培训)以及虚拟和增强现实(VR/AR)解决方案。

物联网(IoT)的连接设备数量也将增加,尤其是在供应链监控和工业物联网(IIoT)等领域,其中关键系统的监控是重中之重。

然而,考虑到5G的技术要求(和原生限制),真正5G的早期应用还将包括智慧工厂、仓库和体育场馆。

不同类型5G网络

将整个蜂窝网络基础设施转换为5G网络是一项艰巨的任务。目前,许多运营商正在使用现有的基础设施来提供他们所谓的“5G”,但下载速度远远低于实际5G所承诺的速度。

实质上,有两种类型的5G网络:

第一类工作频段为中频段(3.4至6GHz)和低频段(小于1GHz)。它通常依赖于4G基础设施。4G提供35到50+Mbps的下载速度。虽然这些运营商提供的“5G”解决方案超过了4G的下载速度,但它们与5G所承诺的优点相去甚远。因此,此类解决方案不太可能说服消费者进行升级。

超快的毫米波能提供人们所期望的5G,工作频段为24至40GHz的高频段。传输速率高达5Gbps,可以在几秒钟内下载一整部高清电影。

了解每种5G网络之间的差异和协同作用,对于解决部署挑战来说至关重要。就用户体验而言,毫米波具有最大的潜在优势,但设置起来确有一些复杂性。

毫米波频段的优缺点5G部署挑战

现实世界中的毫米波网络速度因距离、信号阻断以及与最近的5G信号塔或小蜂窝的距离而变化很大。虽然毫米波 5G网络速度极快,但它们的覆盖距离也非常短。要接收毫米波信号,用户必须在5G信号塔的一两个街区内,且没有视线(LOS)遮挡。

高频毫米波信号很容易被建筑物、墙壁、窗户和树叶阻挡,可用的5G覆盖范围进一步减小。为了优化覆盖范围,运营商需要安装大量高密度的小蜂窝,从而推高了大规模部署毫米波网络的成本。

由于其覆盖范围和视线遮挡限制,毫米波技术更适合密集的城市环境。由于其覆盖范围有限,对于郊区和农村地区来说,毫米波不是一个实用的选择,因为这些地区更适合比较容易部署、价格更实惠的4G LTE和Sub-6GHz的5G网络。要实现毫米波 5G网络的广泛部署,将需要安装大量的地下光缆。在这之前,市场向5G过渡时,运营商仍将继续依赖现有的网络基础设施。

虽然传输距离、信号传播和视线遮挡限制都是毫米波的缺点,但Movandi等公司开发的先进技术,如大规模MIMO(多输入多输出)、微型天线阵列、自适应波束成形和智能有源中继器,可以有效地解决这些问题。

智能有源中继器通过放大毫米波信号,并在室外和建筑物内扩展毫米波网络的传输距离和覆盖范围,解决了5G信号传播方面的挑战。有源中继器的工作原理是增强毫米波信号,使其能够穿透墙壁和其他障碍物,并围绕建筑物进行曲线传播,以克服视线遮挡问题,而无需笨重的天线设计或昂贵的光纤回传。当部署在建筑物内时,智能中继器可以放大微弱的波束信号,以覆盖整个房间,改善终端用户和应用连接体验(图1)。

图1:智能有源中继器解决了5G信号传播方面的挑战,扩展了毫米波网络在室外环境和建筑物内的传输距离和覆盖范围。

有源中继器在5G网络中的广泛使用,使服务提供商能够以降低50%的成本推出室内、室外和移动增强型5G毫米波业务。

美国所有主要运营商现在都在测试毫米波网络,在选定的主要城市和社区提供可用性。目前,可用的Sub-6GHz的5G网络比毫米波更广泛,主要运营商向城市地区的许多客户推出了低频段5G网络。

不过,一级运营商正在向毫米波技术迁移,以满足网络容量要求。随着多家运营商已经部署了毫米波5G网络,预计到2023年,毫米波频段网络的客户容量需求将超过Sub-6GHz频段的容量。

虽然毫米波的批评者认为Sub-6GHz的网络可提供比毫米波更好的覆盖范围,并且需要更少的基站(下一代无线电节点——gNB),但Sub-6GHz的频谱有限,最终将需要部署更多的gNB。高带宽的毫米波可以帮助缓解拥挤的城市地区、体育场馆、音乐会场馆和机场日益严重的网络拥堵。这意味着将在本以为信号可能很差或者根本就没有信号的地方,却拥有稳定的高速连接。

虽然向5G网络的过渡正在进行中,但在5G取代4G LTE之前,还有很长的路要走。目前,超高速率和低延迟的毫米波网络刚刚跨出地平线,而大多数用户还只能使用4G和有限的Sub-6GHz频段的5G服务。

释放5G潜力的三大技术挑战

瞄准实现5G低延迟、高带宽、快速度和广覆盖的宏伟目标,主要运营商和毫米波解决方案提供商正在努力克服下面所列举的这些基本挑战:

射频设计:高频段射频设计的传统方法以及昂贵、笨重和低效的天线对毫米波5G网络性能目标的实现构成障碍。

部署成本:大量部署小型蜂窝和中继以支持毫米波网络的规模部署可能会推高5G基础设施成本。

传输损耗:毫米波频率会因距离、信号阻挡和非直线传输环境而导致更大的传输损耗。

复杂性:需要波束成形天线和先进的波束管理技术,来实现更大的毫米波网络覆盖范围,从而增加系统复杂性。

如想加速毫米波网络的规模部署,运营商和5G设备制造商还必须解决如下的三个技术挑战:

用单天线时高频传播损耗较高:这是一个众所周知的技术挑战,需要经过彻底分析和明确定义的解决方案。采用可控相控阵,通过将众多小天线单元同相来构建大天线孔径,可以克服这一挑战。

发射和接收之间需要一条可跟踪的视线链路或一条强反射链路:高频段折射/衍射性能较差,限制了视线链路或强反射镜面链路的可用性。这是实现必须是随时随地可用的毫米波连接的主要限制。

高频段穿透物体时的高透射损耗:与Sub-6GHz的无线电信号相比,毫米波信号在穿过玻璃、黑色窗户、砖、木材和石膏板等材料传播时,出现非常高的透射损耗。即使是传统的玻璃窗也可以将毫米波信号衰减6dB,而多窗格低辐射(Low-E)玻璃会导致近40dB的损耗。信号阻隔是随时随地限制毫米波可用性的一个主要限制因素。

通过部署大型相控阵天线,第一个挑战(单天线的传播损耗)得到了很好的理解并成功克服。然而,直到最近,对于视线链路和透射损耗问题,仍然没有广泛认同或标准的解决方案。

有源中继器解决方案的工作原理

利用智能有源中继器可以克服LOS链路可用性挑战的应用场景包括以下三种:

缺乏LOS或强反射链路

此应用场景的5G部署面临的挑战包括新一代基站 (gNB)与终端用户设备(UE)之间没有视线或强反射链路的情况。考虑到高频的反射传播特性,自然/无源反射器需要在发射源和接收端之间创建一条镜像链路。这种镜像类型的链路要求进一步约束了依赖临近毫米波链路环境中的自然反射器这类的部署场景。

非常高的穿透损失:

这种部署场景涉及由于gNB和UE之间的信号阻隔物体导致的非常高的穿透损耗。例如,通过有色玻璃窗的传输损耗可能高达约40dB,这很难在一个单跳中进行充分补偿。

环境和/或反射器变化无法跟踪

理想情况下,光束跟踪算法有望跟踪并适应环境、反射器和UE的运动和变化。环境中的典型变化,例如LOS的阻隔或UE方向的变化,可能很难在不丢失连接的情况下进行跟踪。但是,为了为移动和变化的环境提供更稳定、可靠的连接,需要额外的补偿方法和架构改进。

有源中继器不通过调整指向gNB和UE的窄波束来跟踪环境或反射器的快速变化,而是在移动设备附近生成宽波束。一旦创建了这些准静止的宽波束,就无需再立即跟踪移动设备的位置或方向上的快速变化。

可以设计有源中继器,来提升毫米波链路的可用性并解决LOS挑战。为了最大限度地减少延迟、成本和复杂性,采用“无解调器”架构的中继器,最大限度地增强了可用信号强度,并省去了对传统解调和再调制技术的需求。

通过在不同时隙、频率和物理空间或距离上实现多路接入,单个有源中继器可以在以下场景支持多种类型的终端用户设备:

静态单波束:中继器接收覆盖全频信道的单个业务流,并在能够覆盖所有终端用户设备的单个窄波束上对该业务流进行转发(图2)。

图2:静态单波束部署示例。

切换多波束:中继器波束设置按时隙切换。中继器接收单个业务流,并切换到另一个波束上对该业务流进行转发。每个时隙上的波束形状与分配给该时隙的终端用户设备相关(图3)。

图3:可切换多波束部署示例。

并发多波束:中继器可以被配置成在覆盖所有终端用户设备的多个波束上同时转发全带宽毫米波信号。

通过重新配置中继器设备内的波束成形引擎资源,可以将有源中继器设计成动态支持上述所有三种类型的波束。波束重构在安装或运营期间皆可使用。鉴于这种多址架构的可重构性和动态性,单个中继器可以支持多种类型的终端用户设备。

考虑一个在gNB与链路上最后一个中继器之间配置四跳的有源中继器场景。这些节点将gNB和最后一个中继器之间的距离延长到2公里以上。由于每个无解调器的节点不需要进行解调/再调制,因此在节点上的延迟几乎为零。通过对毫米波信号在中继器中传播时误差矢量幅度(EVM)逐渐下降的分析表明,在最后一个中继器节点上,目标信噪比(SNR)仍能保持在大约23dB。

由于gNB和中继器之间的链路波束配置是静态的,故中继器波束搜索和优化的复杂性是可控的。一旦gNB和中继器之间的波束被优化和微调(在加电时或以低速周期性地),就只有两个波束需要动态优化,例如中继器和UE之间的波束。相对于gNB和UE之间的直接链路来说,这将实现效率相当高的波束搜索。

结论

值得注意的是,对于5G的应用,还有其他的商用和终端用户方面的要求。其中包括纯光纤数据中心升级,以应对日益增长的流量、数据传输和存储需求,与5G所需的高速率互应。5G兼容设备是另一个考虑因素,无论是移动设备还是固定局域网上的设备,尤其是在固定宽带中断时打算使用5G来确保业务连续性的时候。

基于24GHz至40GHz频段的毫米波5G网络最有希望实现高带宽、低延迟的5G连接性。然而,毫米波技术也带来了信号传播、阻隔和链路损耗方面的挑战。之前在卫星电视和Wi-Fi领域也遇到过类似的技术挑战。目前已经可用附加接入点、放大器、中继器和卫星校准等解决方案,有效解决这些问题。

同样,通过将5G射频和波束成形天线整体定制成一个完整的系统,毫米波解决方案存在的性能问题,可以比以往任何时候都得到更大程度的解决。移动技术提供商正在通过提供首个毫米波射频前端解决方案、大型相控阵天线设计和智能有源中继器来应对这一挑战,从而能够为终端用户提供5G网络的高性能、广覆盖和高可用性。因此,服务提供商和行业合作伙伴能够以降低50%的成本推出室内、室外和移动增强型5G毫米波服务。Movandi等公司开发的解决方案,有助于提高全球5G运营商的性能和经济性,从而将部署成本降低一半。

一旦运营商解决好必要的升级,并提供了合理的数据上限(狂热的游戏和流媒体玩家可以在几天内用完每月的津贴),用户就都可以享受5G应有的性能了。

(参考原文:The Role Of mmWave In Eliminating Challenges of Real-World 5G

本文为《电子工程专辑》2022年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订

 

责编:Jimmy.zhang
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