對 5G 的期望是巨大的。然而，5G 部署面臨的一個主要挑戰(zhàn)是可用的 sub-6-GHz 頻譜不支持提供高級應(yīng)用程序和同時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，但它們未能在密集的城市環(huán)境和擁擠的活動場所實現(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 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 5G 的期望更高，尤其是在實時處理必不可少的數(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、遠程醫(yī)療、醫(yī)療機器人（例如，用于外科咨詢和培訓(xùn)）以及虛擬和增強現(xiàn)實 (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、倉庫和體育場館。

有不同類型的5G網(wǎng)絡(luò)

將整個蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)換為處理 5G 是一項艱巨的任務(wù)，許多運營商正在使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施來提供他們所謂的“5G”，但遠遠低于實際 5G 承諾的下載速度。

本質(zhì)上，有兩種類型的 5G 網(wǎng)絡(luò)：

第一個在中頻段（3.4 至 6 GHz）和低頻段（小于 1GHz）上運行。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。雖然這些運營商提供的“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。因此，此類解決方案不太可能說服消費者進行升級。

超快毫米波 (mmWave) 提供我們都想要的 5G，并在 24 至 40GHz 的高頻段上運行。憑借高達 5Gbps 的速度，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。

毫米波和 5G 部署挑戰(zhàn)的利弊

現(xiàn)實世界的毫米波網(wǎng)絡(luò)速度因范圍、信號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，用戶必須在 5G 塔的一兩個街區(qū)內(nèi)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，進一步縮小了可用的 5G 范圍。為了優(yōu)化覆蓋范圍，運營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)的實際選擇，因為更易于部署、更實惠的 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，運營商將繼續(xù)依賴現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，同時市場向 5G 過渡。

盡管范圍、信號傳播和 LOS 限制是 mmWave 的缺點，但 Movandi 等公司開發(fā)的先進技術(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)對這些挑戰(zhàn)

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

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圖 1：智能有源中繼器解決了 5G 信號傳播挑戰(zhàn)，擴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)、室外和移動增強型 5G 毫米波服務(wù)。

美國所有主要運營商現(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。Sub-6 GHz 5G 目前比毫米波更廣泛可用，主要運營商向城市地區(qū)的許多客戶推出低頻 5G 網(wǎng)絡(luò)。

一級運營商正在遷移到毫米波技術(shù)以滿足網(wǎng)絡(luò)容量要求，因為到 2023 年，客戶需求預(yù)計將超過 6 GHz 以下容量，多家運營商已經(jīng)部署了基于毫米波的 5G 網(wǎng)絡(luò)。

雖然 mmWave 的批評者認為 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 - 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)、體育場館、音樂會場地和機場日益嚴(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。

雖然向 5G 網(wǎng)絡(luò)的過渡正在進行中，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)，并有望實現(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)：

高頻射頻設(shè)計的傳統(tǒng)方法以及昂貴、笨重和低效的天線對實現(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的波束管理技術(shù)來實現(xiàn)更長的毫米波網(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，運營商和 5G 設(shè)備制造商必須解決這三個技術(shù)挑戰(zhàn)：

使用單個天線在高頻下更高的傳播損耗：這是一個眾所周知的技術(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 路徑或強鏡狀反射路徑的鏈路的可用性。這是提供必須隨時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衰減 6 dB，而多窗格 Low-E 玻璃會導(dǎo)致近 40 dB 的損耗。信號阻塞是隨時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，對于視線和透射率損失問題，還沒有得到廣泛認可或標(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景。

非常高的透射率損失：這種部署場景涉及由于 gNB 和 UE 之間的信號阻塞對象導(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約 40 dB，這很難在單跳中進行補償。

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行跟蹤。但是，需要額外的緩解方法和架構(gòu)改進來為移動和變化的環(huán)境提供更強大、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)靜止的寬波束，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強度，并消除了對傳統(tǒng)解調(diào)和再調(diào)制技術(shù)的需求。

通過通過時隙、頻率和物理空間或范圍啟用多種接入選項，單個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頻道的單個流，并通過可以覆蓋所有最終用戶設(shè)備的單個窄波束重新傳輸流（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)置按時隙切換。中繼器接收單個流并通過切換波束重新傳輸流。每個時隙期間的波束輪廓與分配給該時隙的最終用戶設(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)備的多個波束上同時重傳全帶寬毫米波信號。

通過重新配置中繼器設(shè)備內(nèi)的波束形成引擎資源，可以將有源中繼器設(shè)計為動態(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。

考慮一個活動中繼器場景，其中在 gNB 和鏈中的最后一個中繼器之間配置了四跳。這些躍點將 gNB 和最后一個中繼器之間的范圍擴大到 2 公里以上。由于每個無解調(diào)器節(jié)點不需要執(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現(xiàn)了這一點。隨著毫米波信號通過中繼器傳播，誤差矢量幅度 (EVM) 逐漸降低的分析表明，在最后一個中繼器節(jié)點處仍保持約 23 dB 的目標(biāo)信噪比 (SNR)。

中繼器處波束搜索和細化的復(fù)雜性是可控的，因為 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)（在上電時或周期性地以慢速），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。這導(dǎo)致了與 gNB 和 UE 之間的直接鏈路相當(dāng)?shù)母咝Рㄊ阉鲗嵤?/p>

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，以處理增加的流量、數(shù)據(jù)傳輸和存儲需求，以補充 5G 所需的高速。5G 兼容設(shè)備是另一個考慮因素，無論是移動設(shè)備還是固定 LAN，尤其是當(dāng)您計劃在固定寬帶中斷時使用 5G 來確保業(yè)務(wù)連續(xù)性時。

5G 部署面臨的一個主要挑戰(zhàn)是可用的 sub-6-GHz 頻譜不支持提供高級應(yīng)用程序和同時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，但它們未能在密集的城市環(huán)境和擁擠的活動場所實現(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、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候都得到更大程度的解決。移動技術(shù)提供商正在通過提供首個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來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，從而實現(xiàn)最終用戶對 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)、室外和移動增強型 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 運營商的性能和經(jīng)濟性，從而將部署成本降低一半。

一旦運營商處理了必要的升級并提供了合理的數(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