對(duì) 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 sub-6-GHz 頻譜不支持提供高級(jí)應(yīng)用程序和同時(shí)用戶所需的最佳性能所需的延遲和吞吐量。雖然當(dāng)前的 sub-6-GHz 5G 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)相比略有改進(jìn)，但它們未能在密集的城市環(huán)境和擁擠的活動(dòng)場(chǎng)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)代日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。GSM 導(dǎo)致了 2G，它允許短信和基本數(shù)據(jù)傳輸。3G 允許有效的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽，而 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(duì) 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(chǎng)景中。即將推出的 5G 將帶來自動(dòng)駕駛等創(chuàng)新，其他新興用例包括車對(duì)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) 連接設(shè)備的數(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，其中關(guān)鍵系統(tǒng)的監(jiān)控是重中之重。

然而，鑒于 5G 的技術(shù)要求（和原生限制），真正 5G 的早期采用者將包括智能工廠、倉(cāng)庫(kù)和體育場(chǎng)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(yíng)商正在使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施來提供他們所謂的“5G”，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際 5G 承諾的下載速度。

本質(zhì)上，有兩種類型的 5G 網(wǎng)絡(luò)：

第一個(gè)在中頻段（3.4 至 6 GHz）和低頻段（小于 1GHz）上運(yùn)行。它通常依賴于4G基礎(chǔ)設(shè)施。4G 提供 35 到 50+ Mbps 的下載速度。雖然這些運(yùn)營(yíng)商提供的“5G”解決方案超過了 4G 的下載速度，但它們與 5G 所承諾的好處相去甚遠(yuǎn)。因此，此類解決方案不太可能說服消費(fèi)者進(jìn)行升級(jí)。

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)下載整部高清電影。

了解每個(gè) 5G 網(wǎng)絡(luò)之間的差異和協(xié)同作用對(duì)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(shì)，但設(shè)置起來并非沒有復(fù)雜性。

毫米波和 5G 部署挑戰(zhàn)的利弊

現(xiàn)實(shí)世界的毫米波網(wǎng)絡(luò)速度因范圍、信號(hào)攔截器以及與最近的 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，但它們的距離也很短。要接收毫米波信號(hào)，用戶必須在 5G 塔的一兩個(gè)街區(qū)內(nèi)且沒有視線 (LOS) 障礙物。

高頻毫米波信號(hào)很容易被建筑物、墻壁、窗戶和樹葉阻擋，進(jìn)一步縮小了可用的 5G 范圍。為了優(yōu)化覆蓋范圍，運(yùn)營(yíng)商面臨著以高密度安裝大量小型蜂窩，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。由于范圍限制，mmWave 不是郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的實(shí)際選擇，因?yàn)楦子诓渴?、更?shí)惠的 4G LTE 和 6 GHz 以下 5G 網(wǎng)絡(luò)為這些地區(qū)提供最佳服務(wù)。毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署將需要在地下大量安裝光纜。在此之前，運(yùn)營(yíng)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(chǎng)向 5G 過渡。

盡管范圍、信號(hào)傳播和 LOS 限制是 mmWave 的缺點(diǎn)，但 Movandi 等公司開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)，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(duì)這些挑戰(zhàn)

智能有源中繼器通過放大毫米波信號(hào)并在室外環(huán)境和建筑物內(nèi)部擴(kuò)展基于毫米波的網(wǎng)絡(luò)的范圍和覆蓋范圍來解決 5G 信號(hào)傳播挑戰(zhàn)。有源中繼器通過增強(qiáng)毫米波信號(hào)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)，智能中繼器會(huì)放大微弱的波束信號(hào)，并可以照亮整個(gè)房間，從而改善最終用戶和應(yīng)用程序的連接體驗(yàn)（圖 1）。

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圖 1：智能有源中繼器解決了 5G 信號(hào)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。

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(dòng)增強(qiáng)型 5G 毫米波服務(wù)。

美國(guó)所有主要運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)在都在測(cè)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。Sub-6 GHz 5G 目前比毫米波更廣泛可用，主要運(yùn)營(yíng)商向城市地區(qū)的許多客戶推出低頻 5G 網(wǎng)絡(luò)。

一級(jí)運(yùn)營(yíng)商正在遷移到毫米波技術(shù)以滿足網(wǎng)絡(luò)容量要求，因?yàn)榈?2023 年，客戶需求預(yù)計(jì)將超過 6 GHz 以下容量，多家運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)部署了基于毫米波的 5G 網(wǎng)絡(luò)。

雖然 mmWave 的批評(píng)者認(rèn)為 sub-6 GHz 網(wǎng)絡(luò)提供比 mmWave 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 sub-6 GHz 頻譜最終將需要部署更多 gNB。高帶寬毫米波有助于緩解擁擠的城市地區(qū)、體育場(chǎng)館、音樂會(huì)場(chǎng)地和機(jī)場(chǎng)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。

雖然向 5G 網(wǎng)絡(luò)的過渡正在進(jìn)行中，但在 5G 取代 4G LTE 之前還有很長(zhǎng)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)，并有望實(shí)現(xiàn)超快的毫米波速度和低延遲。

釋放 5G 潛力的三大技術(shù)挑戰(zhàn)

實(shí)現(xiàn)5G低延遲、高帶寬、更快速度和廣泛覆蓋的宏偉目標(biāo)；主要運(yùn)營(yíng)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)：

高頻射頻設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法以及昂貴、笨重和低效的天線對(duì)實(shí)現(xiàn)毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)的性能目標(biāo)構(gòu)成障礙。

大規(guī)模部署小型蜂窩和中繼以支持毫米波網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署可能會(huì)推高 5G 基礎(chǔ)設(shè)施成本。

毫米波頻率會(huì)因距離、信號(hào)阻塞和非現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)的毫米波網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，從而增加系統(tǒng)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(yíng)商和 5G 設(shè)備制造商必須解決這三個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)：

使用單個(gè)天線在高頻下更高的傳播損耗：這是一個(gè)眾所周知的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要經(jīng)過徹底分析和明確定義的解決方案?？刹倏v相控陣的使用可以通過許多小天線元件的同相來構(gòu)建大天線孔徑來克服這一挑戰(zhàn)。

發(fā)射器和接收器之間需要可跟蹤的 LOS 路徑或強(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)鏡狀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因素。

在高射頻下通過材料的高透射率損失：與低于 6 GHz 的無線電信號(hào)相比，毫米波信號(hào)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失。即使是傳統(tǒng)的玻璃窗也可以將毫米波信號(hào)衰減 6 dB，而多窗格 Low-E 玻璃會(huì)導(dǎo)致近 40 dB 的損耗。信號(hào)阻塞是隨時(shí)隨地限制毫米波可用性的主要限制因素。

通過部署大型相控陣天線，第一個(gè)挑戰(zhàn)（單天線的傳播損耗）得到了很好的理解并成功緩解。然而，直到最近，對(duì)于視線和透射率損失問題，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

在三種部署場(chǎng)景中，智能有源中繼器可以緩解 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）和最終用戶設(shè)備 (UE) 之間沒有視線或強(qiáng)反射路徑的情況?？紤]到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)建一條類似鏡子的路徑。這種鏡像類型的路徑要求進(jìn)一步限制了依賴環(huán)境中自然反射器來關(guān)閉毫米波鏈路的部署場(chǎng)景。

非常高的透射率損失：這種部署場(chǎng)景涉及由于 gNB 和 UE 之間的信號(hào)阻塞對(duì)象導(dǎo)致的非常高的透射率損失。例如，通過有色玻璃窗的傳輸損耗可能高達(dá)約 40 dB，這很難在單跳中進(jìn)行補(bǔ)償。

無法跟蹤的變化環(huán)境和/或反射器：理想情況下，光束跟蹤算法有望跟蹤并適應(yīng)環(huán)境、反射器和 UE 的運(yùn)動(dòng)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。但是，需要額外的緩解方法和架構(gòu)改進(jìn)來為移動(dòng)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(dòng)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)靜止的寬波束，就無需立即跟蹤移動(dòng)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的可用性并解決 LOS 挑戰(zhàn)。為了最大限度地減少延遲、成本和復(fù)雜性，基于“無解調(diào)器”架構(gòu)的中繼器最大限度地提高了可用信號(hào)強(qiáng)度，并消除了對(duì)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種接入選項(xiàng)，單個(gè)有源中繼器可以在以下情況下支持多種類型的最終用戶設(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，并通過可以覆蓋所有最終用戶設(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)置按時(shí)隙切換。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)隙的最終用戶設(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：中繼器可以配置為在覆蓋所有最終用戶設(shè)備的多個(gè)波束上同時(shí)重傳全帶寬毫米波信號(hào)。

通過重新配置中繼器設(shè)備內(nèi)的波束形成引擎資源，可以將有源中繼器設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)支持所有三種類型的波束?？梢栽诎惭b或操作期間應(yīng)用光束重新配置。鑒于這種多址架構(gòu)的可重新配置和動(dòng)態(tài)特性，單個(gè)中繼器可以支持多種類型的最終用戶設(shè)備。

考慮一個(gè)活動(dòng)中繼器場(chǎng)景，其中在 gNB 和鏈中的最后一個(gè)中繼器之間配置了四跳。這些躍點(diǎn)將 gNB 和最后一個(gè)中繼器之間的范圍擴(kuò)大到 2 公里以上。由于每個(gè)無解調(diào)器節(jié)點(diǎn)不需要執(zhí)行解調(diào)/重新調(diào)制，因此在每跳幾乎零延遲的情況下實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。隨著毫米波信號(hào)通過中繼器傳播，誤差矢量幅度 (EVM) 逐漸降低的分析表明，在最后一個(gè)中繼器節(jié)點(diǎn)處仍保持約 23 dB 的目標(biāo)信噪比 (SNR)。

中繼器處波束搜索和細(xì)化的復(fù)雜性是可控的，因?yàn)?gNB 和中繼器之間鏈路的波束配置是靜態(tài)的。一旦 gNB 和中繼器之間的波束被優(yōu)化和微調(diào)（在上電時(shí)或周期性地以慢速），就只有兩個(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)致了與 gNB 和 UE 之間的直接鏈路相當(dāng)?shù)母咝Рㄊ阉鲗?shí)施。

結(jié)論

值得注意的是，5G 的采用還有其他商業(yè)和最終用戶要求。其中包括純光纖數(shù)據(jù)中心升級(jí)，以處理增加的流量、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)需求，以補(bǔ)充 5G 所需的高速。5G 兼容設(shè)備是另一個(gè)考慮因素，無論是移動(dòng)設(shè)備還是固定 LAN，尤其是當(dāng)您計(jì)劃在固定寬帶中斷時(shí)使用 5G 來確保業(yè)務(wù)連續(xù)性時(shí)。

5G 部署面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是可用的 sub-6-GHz 頻譜不支持提供高級(jí)應(yīng)用程序和同時(shí)用戶所需的最佳性能所需的延遲和吞吐量。雖然當(dāng)前的 sub-6-GHz 5G 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)相比略有改進(jìn)，但它們未能在密集的城市環(huán)境和擁擠的活動(dòng)場(chǎng)所實(shí)現(xiàn) 5G 覆蓋、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(hào)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)、助推器、中繼器和衛(wèi)星校準(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(gè)完整的系統(tǒng)，毫米波解決方案的性能問題可以比以往任何時(shí)候都得到更大程度的解決。移動(dòng)技術(shù)提供商正在通過提供首個(gè)毫米波射頻前端解決方案、大型相控陣天線設(shè)計(jì)和智能有源中繼器來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)最終用戶對(duì) 5G 網(wǎng)絡(luò)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(dòng)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全球 5G 運(yùn)營(yíng)商的性能和經(jīng)濟(jì)性，從而將部署成本降低一半。

一旦運(yùn)營(yíng)商處理了必要的升級(jí)并提供了合理的數(shù)據(jù)上限（狂熱的游戲玩家和流媒體可以在幾天內(nèi)用完每月的津貼），那么我們都可以享受應(yīng)有的 5G。

— Reza Rofougaran 是 Movandi 的首席技術(shù)官和聯(lián)合創(chuàng)始人

審核編輯 黃昊宇