毫米波是如何增强现实世界的 5G 网络

人们对 5G 寄予厚望。然而，5G 部署面临的一个主要挑战是，可用的 6 GHz 以下频谱无法支持提供高级应用程序和同时使用用户所需的最佳性能所需的延迟和吞吐量。虽然目前的 6 GHz 以下 5G 网络比现有的 4G LTE 网络略有改进，但它们未能在密集的城市环境和拥挤的活动场所兑现 5G 覆盖范围、性能和延迟的承诺。毫米波技术可以帮助解决这个问题，但也存在挑战。本文探讨了解决这些 5G 部署挑战时需要考虑的关键因素。

蜂窝技术一直在不断发展，以满足现代日益增长的数据需求。GSM 催生了 2G，它允许发送短信和进行基本数据传输。3G 允许有效的移动互联网浏览，4G 允许用户更可靠地流式传输视频并享受稳定的 VoIP 通话。5G 承诺的远不止这些，它比上一代快 100 倍，带宽更高、延迟更低、覆盖范围更可靠、可用性更高。

我们对 5G 的期望更高，尤其是在实时处理至关重要的数据密集型场景中。即将推出的 5G 将带来自动驾驶等创新，其他新兴用例包括车对车 (V2V) 通信、智能建筑、城市、远程医疗、医疗机器人(例如用于外科咨询和培训)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，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)，真正的5G的早期采用者将包括智能工厂、仓库和体育馆。

5G 网络有多种类型

将整个蜂窝网络基础设施转换为支持 5G 是一项艰巨的任务，许多运营商正在使用现有基础设施来提供所谓的“5G”，但远远达不到实际 5G 承诺的下载速度。

本质上，5G网络有两种类型：

· 第一种是中频(3.4 至 6 GHz)和低频(低于 1GHz)频段。它通常依赖于 4G 基础设施。4G 提供的下载速度为 35 至 50+ Mbps。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 承诺的优势相差甚远。因此，此类解决方案不太可能说服消费者升级。

· 超高速毫米波 (mmWave) 提供了我们想要的 5G，可在 24 至 40GHz 的高频频段上运行。速度高达 5Gbps，可以在几秒钟内下载整部高清电影。

了解每个 5G 网络之间的差异和协同作用对于解决部署挑战至关重要。就用户体验而言，mmWave 具有最大的潜在优势，但设置起来并非没有复杂性。

毫米波的利弊和 5G 部署挑战

实际的毫米波网络速度会因范围、信号阻断器以及与最近的 5G 塔或小型基站的距离而有很大差异。虽然毫米波 5G 网络速度超快，但其范围也很短。要接收毫米波信号，用户必须在 5G 塔的一个或两个街区内，且没有视距 (LOS) 障碍物。

高频毫米波信号很容易被建筑物、墙壁、窗户和树叶阻挡，从而进一步缩小可用的 5G 范围。为了优化覆盖范围，运营商必须高密度安装大量小型基站，这推高了大规模部署毫米波网络的成本。

由于覆盖范围和视线限制，毫米波技术更适合密集的城市环境。由于范围限制，毫米波对于郊区和农村地区来说并不实用，这些地区最适合部署更简单、更实惠的 4G LTE 和 6 GHz 以下 5G 网络。毫米波 5G 网络的广泛部署需要大量地下光缆安装。在此之前，运营商将继续依赖现有的网络基础设施，而市场将转向 5G。

虽然范围、信号传播和 LOS 限制是毫米波的缺点，但 Movandi 等公司开发的大规模 MIMO(多输入多输出)、小型化天线阵列、自适应波束成形和智能有源中继器等先进技术可以有效应对这些挑战

智能有源中继器通过放大毫米波信号并扩大室外环境和建筑物内毫米波网络的范围和覆盖范围来解决 5G 信号传播难题。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阻挡物并绕过建筑物以克服 LOS 问题，而无需笨重的天线设计或昂贵的光纤回程。当部署在建筑物内时，智能中继器会放大弱波束信号并照亮整个房间，从而改善最终用户和应用程序的连接体验。

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 mmWave 服务。

目前，所有全球主要运营商都在测试毫米波网络，并在选定的主要城市和社区提供服务。目前，Sub-6 GHz 5G 比毫米波更为普及，主要运营商正在向城市地区的许多客户推出较低频率的 5G 网络。

由于客户需求预计到 2023 年将超过 6 GHz 以下容量，因此一级运营商正在迁移到毫米波技术以满足网络容量需求，目前多家运营商已经部署了基于毫米波的 5G 网络。

虽然毫米波的批评者认为 6 GHz 以下网络比毫米波覆盖范围更广，需要的基站(下一代无线节点 - gNB)更少，但有限的 6 GHz 以下频谱最终将需要部署更多的 gNB。高带宽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。这种部署意味着您将在几乎或完全没有连接的地方获得稳定的高速连接。

虽然向 5G 网络的过渡正在进行中，但距离 5G 取代 4G LTE 还有很长的路要走。目前，大多数用户仍在使用 4G 和有限的 6 GHz 以下 5G 服务，超快的毫米波速度和低延迟即将到来。

释放5G潜力的三大技术挑战

为了实现 5G 低延迟、高带宽、更快速度和广泛覆盖的雄心勃勃的目标，主要运营商和毫米波解决方案提供商正在努力克服以下根本挑战：

· 传统的高频射频设计方法以及昂贵、笨重且效率低下的天线对实现毫米波 5G 网络的性能目标构成了障碍。

· 大规模部署小型基站和中继器以支持毫米波网络可能会推高 5G 基础设施成本。

· 毫米波频率可能会因距离、信号阻塞和非视距条件而造成更大的传输损耗。

· 需要波束成形天线和先进的波束管理技术来实现毫米波网络的更长范围，这增加了系统复杂性。

为了加速大规模部署毫米波网络，运营商和 5G 设备制造商必须解决以下三个技术挑战：

· 单天线在高频下的传播损耗较大：这是一个众所周知的技术挑战，具有经过彻底分析和明确定义的解决方案。使用可控相控阵可以通过将许多小天线元件同相构建大天线孔径来克服这一挑战。

· 需要可跟踪的 LOS 路径或发射器与接收器之间的强反射路径：高射频中缺乏折射/衍射，限制了 LOS 路径或强镜面反射路径的链路可用性。这是提供必须随时随地可用的 mmWave 连接的主要制约因素。

· 高射频下材料传输损耗高：与 6 GHz 以下无线电信号相比，毫米波信号在通过玻璃、有色玻璃窗、砖块、木材和石膏板等材料传播时，传输损耗非常高。即使是传统的玻璃窗也会使毫米波信号衰减 6 dB，而多层 Low-E 玻璃会导致近 40 dB 的损耗。信号阻塞是限制毫米波随时随地可用性的主要制约因素。

第一个挑战(单天线的传播损耗)已得到充分理解，并通过部署大型相控阵天线成功缓解。然而，直到最近，视线和传输损耗问题还没有得到广泛认可或标准化的解决方案。

有源中继器解决方案的工作原理

智能主动中继器可以在三种部署场景中缓解 LOS 链路可用性挑战：

缺乏视距或强反射路径：这种部署挑战包括 gNB(下一代基站)和最终用户设备 (UE) 之间没有视距或强反射路径的情况。鉴于高频下的反射传播特性，自然/无源反射器需要在源和目的地之间创建镜像路径。这种镜像路径要求进一步限制了依赖环境中的自然反射器来关闭 mmWave 链路的部署场景。

传输损耗极高：此部署场景涉及极高的传输损耗，这是由于 gNB 和 UE 之间的信号阻挡物体造成的。例如，通过有色玻璃窗的传输损耗可能高达 ~40 dB，这在单跳中很难补偿。

无法跟踪不断变化的环境和/或反射器：理想情况下，波束跟踪算法应跟踪并适应环境、反射器和 UE 的移动和变化。环境中的典型变化(例如 LOS 阻塞或 UE 方向变化)可能很难在不丢失连接的情况下进行跟踪。但是，需要额外的缓解方法和架构改进，才能为移动和变化的环境提供更强大、更可靠的连接。

有源中继器无需通过调整指向 gNB 和 UE 的窄波束来跟踪环境或反射器的快速变化，而是可以在移动设备附近生成宽波束。一旦创建了这些准静态宽波束，就无需立即跟踪移动设备位置或方向的快速变化。

有源中继器可以设计用于缓解毫米波链路可用性并解决 LOS 挑战。为了最大限度地降低延迟、成本和复杂性，基于“无解调器”架构的中继器可以最大限度地降低可用信号强度，并且无需使用传统的解调和重新调制技术。

通过时隙、频率和物理空间或范围启用多种接入选项，单个有源中继器可以在以下场景下支持多种类型的最终用户设备：

静态单波束：中继器接收覆盖全频道的单一流，并通过可覆盖所有终端用户设备的单一窄波束重新传输该流。

切换多波束：中继器波束设置按时隙切换。中继器接收单个流并通过切换波束重新传输该流。每个时隙的波束分布与分配给该时隙的最终用户设备相关联。

并发多波束：中继器可配置为通过多个波束同时重新传输全带宽毫米波信号，覆盖所有最终用户设备。

通过重新配置中继器设备内的波束成形引擎资源，可以设计有源中继器来动态支持所有三种类型的波束。波束重新配置可以在安装时或操作过程中应用。鉴于这种多址架构的可重新配置和动态特性，单个中继器可以支持多种类型的最终用户设备。

考虑一个有源中继器场景，其中 gNB 和链中的最后一个中继器之间配置了四个跳数。这些跳数将 gNB 和最后一个中继器之间的范围扩展到 2 公里以上。由于每个无解调器节点不需要执行解调/重新调制，因此在跳数上几乎可以实现零延迟。当毫米波信号通过中继器传播时，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处仍保持约 23 dB 的目标信噪比 (SNR)。

由于 gNB 和中继器之间链路的波束配置是静态的，因此中继器处的波束搜索和细化复杂性是可控的。一旦 gNB 和中继器之间的波束经过优化和微调(在通电时或以慢速定期进行)，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。这可实现与 gNB 和 UE 之间的直接链路相当的高效波束搜索实现。

结论

值得注意的是，采用 5G 还需要满足额外的商业和最终用户要求。其中包括仅使用光纤的数据中心升级，以处理增加的流量、数据传输和存储要求，以补充 5G 所需的高速。5G 兼容设备是另一个考虑因素，无论是移动还是固定 LAN，特别是如果您计划使用 5G 来确保固定宽带中断时的业务连续性。

5G 部署面临的一个主要挑战是，可用的 6 GHz 以下频谱无法提供满足高级应用和同时使用用户所需最佳性能所需的延迟和吞吐量。虽然目前的 6 GHz 以下 5G 网络比现有的 4G LTE 网络略有改进，但它们无法在密集的城市环境和拥挤的活动场所实现 5G 覆盖范围、性能和延迟的承诺。

基于 24 GHz 至 40 GHz 范围内的毫米波频率的 5G 网络最有望实现高带宽、低延迟的 5G 连接。然而，毫米波技术也带来了信号传播、阻塞和路径损耗的挑战。我们之前在卫星电视和 Wi-Fi 领域也遇到过类似的技术挑战;我们已经使用附加接入点、增强器、中继器和卫星对准等解决方案解决了这些问题。

同样，通过将 5G 无线电和波束成形天线整体定制为一个完整系统，毫米波解决方案的性能问题可以得到前所未有的解决。移动技术提供商正在应对这一挑战，提供首批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，以实现最终用户对 5G 网络所期望的高性能、广泛覆盖和高可用性。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。