人們對 5G 寄予厚望。然而，5G 部署面臨的一個主要挑戰(zhàn)是，可用的 6 GHz 以下頻譜無法支持提供高級應用程序和同時使用用戶所需的最佳性能所需的延遲和吞吐量。雖然目前的 6 GHz 以下 5G 網絡比現有的 4G LTE 網絡略有改進，但它們未能在密集的城市環(huán)境和擁擠的活動場所兌現 5G 覆蓋范圍、性能和延遲的承諾。毫米波技術可以幫助解決這個問題，但也存在挑戰(zhàn)。本文探討了解決這些 5G 部署挑戰(zhàn)時需要考慮的關鍵因素。

蜂窩技術一直在不斷發(fā)展，以滿足現代日益增長的數據需求。GSM 催生了 2G，它允許發(fā)送短信和進行基本數據傳輸。3G 允許有效的移動互聯(lián)網瀏覽，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 承諾的遠不止這些，它比上一代快 100 倍，帶寬更高、延遲更低、覆蓋范圍更可靠、可用性更高。

我們對 5G 的期望更高，尤其是在實時處理至關重要的數據密集型場景中。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)以及虛擬和增強現實 (VR/AR) 解決方案。

物聯(lián)網 (IoT) 的連接設備數量也將增加，尤其是在供應鏈監(jiān)控和工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 等領域，關鍵系統(tǒng)的監(jiān)控是重中之重。

然而，考慮到5G的技術要求(和原生限制)，真正的5G的早期采用者將包括智能工廠、倉庫和體育館。

5G 網絡有多種類型

將整個蜂窩網絡基礎設施轉換為支持 5G 是一項艱巨的任務，許多運營商正在使用現有基礎設施來提供所謂的“5G”，但遠遠達不到實際 5G 承諾的下載速度。

本質上，5G網絡有兩種類型：

· 第一種是中頻(3.4 至 6 GHz)和低頻(低于 1GHz)頻段。它通常依賴于 4G 基礎設施。4G 提供的下載速度為 35 至 50+ Mbps。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 承諾的優(yōu)勢相差甚遠。因此，此類解決方案不太可能說服消費者升級。

· 超高速毫米波 (mmWave) 提供了我們想要的 5G，可在 24 至 40GHz 的高頻頻段上運行。速度高達 5Gbps，可以在幾秒鐘內下載整部高清電影。

了解每個 5G 網絡之間的差異和協(xié)同作用對于解決部署挑戰(zhàn)至關重要。就用戶體驗而言，mmWave 具有最大的潛在優(yōu)勢，但設置起來并非沒有復雜性。

毫米波的利弊和 5G 部署挑戰(zhàn)

實際的毫米波網絡速度會因范圍、信號阻斷器以及與最近的 5G 塔或小型基站的距離而有很大差異。雖然毫米波 5G 網絡速度超快，但其范圍也很短。要接收毫米波信號，用戶必須在 5G 塔的一個或兩個街區(qū)內，且沒有視距 (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，從而進一步縮小可用的 5G 范圍。為了優(yōu)化覆蓋范圍，運營商必須高密度安裝大量小型基站，這推高了大規(guī)模部署毫米波網絡的成本。

由于覆蓋范圍和視線限制，毫米波技術更適合密集的城市環(huán)境。由于范圍限制，毫米波對于郊區(qū)和農村地區(qū)來說并不實用，這些地區(qū)最適合部署更簡單、更實惠的 4G LTE 和 6 GHz 以下 5G 網絡。毫米波 5G 網絡的廣泛部署需要大量地下光纜安裝。在此之前，運營商將繼續(xù)依賴現有的網絡基礎設施，而市場將轉向 5G。

雖然范圍、信號傳播和 LOS 限制是毫米波的缺點，但 Movandi 等公司開發(fā)的大規(guī)模 MIMO(多輸入多輸出)、小型化天線陣列、自適應波束成形和智能有源中繼器等先進技術可以有效應對這些挑戰(zhàn)

智能有源中繼器通過放大毫米波信號并擴大室外環(huán)境和建筑物內毫米波網絡的范圍和覆蓋范圍來解決 5G 信號傳播難題。有源中繼器的工作原理是增強毫米波信號，使其能夠穿透墻壁和其他阻擋物并繞過建筑物以克服 LOS 問題，而無需笨重的天線設計或昂貴的光纖回程。當部署在建筑物內時，智能中繼器會放大弱波束信號并照亮整個房間，從而改善最終用戶和應用程序的連接體驗。

有源中繼器在 5G 網絡中的廣泛使用使服務提供商能夠以降低 50% 的成本推出室內、室外和移動增強型 5G mmWave 服務。

目前，所有全球主要運營商都在測試毫米波網絡，并在選定的主要城市和社區(qū)提供服務。目前，Sub-6 GHz 5G 比毫米波更為普及，主要運營商正在向城市地區(qū)的許多客戶推出較低頻率的 5G 網絡。

由于客戶需求預計到 2023 年將超過 6 GHz 以下容量，因此一級運營商正在遷移到毫米波技術以滿足網絡容量需求，目前多家運營商已經部署了基于毫米波的 5G 網絡。

雖然毫米波的批評者認為 6 GHz 以下網絡比毫米波覆蓋范圍更廣，需要的基站(下一代無線節(jié)點 - gNB)更少，但有限的 6 GHz 以下頻譜最終將需要部署更多的 gNB。高帶寬毫米波可以幫助緩解擁擠的城市地區(qū)、體育場館、音樂會場館和機場日益嚴重的網絡擁堵。這種部署意味著您將在幾乎或完全沒有連接的地方獲得穩(wěn)定的高速連接。

雖然向 5G 網絡的過渡正在進行中，但距離 5G 取代 4G LTE 還有很長的路要走。目前，大多數用戶仍在使用 4G 和有限的 6 GHz 以下 5G 服務，超快的毫米波速度和低延遲即將到來。

釋放5G潛力的三大技術挑戰(zhàn)

為了實現 5G 低延遲、高帶寬、更快速度和廣泛覆蓋的雄心勃勃的目標，主要運營商和毫米波解決方案提供商正在努力克服以下根本挑戰(zhàn)：

· 傳統(tǒng)的高頻射頻設計方法以及昂貴、笨重且效率低下的天線對實現毫米波 5G 網絡的性能目標構成了障礙。

· 大規(guī)模部署小型基站和中繼器以支持毫米波網絡可能會推高 5G 基礎設施成本。

· 毫米波頻率可能會因距離、信號阻塞和非視距條件而造成更大的傳輸損耗。

· 需要波束成形天線和先進的波束管理技術來實現毫米波網絡的更長范圍，這增加了系統(tǒng)復雜性。

為了加速大規(guī)模部署毫米波網絡，運營商和 5G 設備制造商必須解決以下三個技術挑戰(zhàn)：

· 單天線在高頻下的傳播損耗較大：這是一個眾所周知的技術挑戰(zhàn)，具有經過徹底分析和明確定義的解決方案。使用可控相控陣可以通過將許多小天線元件同相構建大天線孔徑來克服這一挑戰(zhàn)。

· 需要可跟蹤的 LOS 路徑或發(fā)射器與接收器之間的強反射路徑：高射頻中缺乏折射/衍射，限制了 LOS 路徑或強鏡面反射路徑的鏈路可用性。這是提供必須隨時隨地可用的 mmWave 連接的主要制約因素。

· 高射頻下材料傳輸損耗高：與 6 GHz 以下無線電信號相比，毫米波信號在通過玻璃、有色玻璃窗、磚塊、木材和石膏板等材料傳播時，傳輸損耗非常高。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 玻璃會導致近 40 dB 的損耗。信號阻塞是限制毫米波隨時隨地可用性的主要制約因素。

第一個挑戰(zhàn)(單天線的傳播損耗)已得到充分理解，并通過部署大型相控陣天線成功緩解。然而，直到最近，視線和傳輸損耗問題還沒有得到廣泛認可或標準化的解決方案。

有源中繼器解決方案的工作原理

智能主動中繼器可以在三種部署場景中緩解 LOS 鏈路可用性挑戰(zhàn)：

缺乏視距或強反射路徑：這種部署挑戰(zhàn)包括 gNB(下一代基站)和最終用戶設備 (UE) 之間沒有視距或強反射路徑的情況。鑒于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)建鏡像路徑。這種鏡像路徑要求進一步限制了依賴環(huán)境中的自然反射器來關閉 mmWave 鏈路的部署場景。

傳輸損耗極高：此部署場景涉及極高的傳輸損耗，這是由于 gNB 和 UE 之間的信號阻擋物體造成的。例如，通過有色玻璃窗的傳輸損耗可能高達 ~40 dB，這在單跳中很難補償。

無法跟蹤不斷變化的環(huán)境和/或反射器：理想情況下，波束跟蹤算法應跟蹤并適應環(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 阻塞或 UE 方向變化)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改進，才能為移動和變化的環(huán)境提供更強大、更可靠的連接。

有源中繼器無需通過調整指向 gNB 和 UE 的窄波束來跟蹤環(huán)境或反射器的快速變化，而是可以在移動設備附近生成寬波束。一旦創(chuàng)建了這些準靜態(tài)寬波束，就無需立即跟蹤移動設備位置或方向的快速變化。

有源中繼器可以設計用于緩解毫米波鏈路可用性并解決 LOS 挑戰(zhàn)。為了最大限度地降低延遲、成本和復雜性，基于“無解調器”架構的中繼器可以最大限度地降低可用信號強度，并且無需使用傳統(tǒng)的解調和重新調制技術。

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場景下支持多種類型的最終用戶設備：

靜態(tài)單波束：中繼器接收覆蓋全頻道的單一流，并通過可覆蓋所有終端用戶設備的單一窄波束重新傳輸該流。

切換多波束：中繼器波束設置按時隙切換。中繼器接收單個流并通過切換波束重新傳輸該流。每個時隙的波束分布與分配給該時隙的最終用戶設備相關聯(lián)。

并發(fā)多波束：中繼器可配置為通過多個波束同時重新傳輸全帶寬毫米波信號，覆蓋所有最終用戶設備。

通過重新配置中繼器設備內的波束成形引擎資源，可以設計有源中繼器來動態(tài)支持所有三種類型的波束。波束重新配置可以在安裝時或操作過程中應用。鑒于這種多址架構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備。

考慮一個有源中繼器場景，其中 gNB 和鏈中的最后一個中繼器之間配置了四個跳數。這些跳數將 gNB 和最后一個中繼器之間的范圍擴展到 2 公里以上。由于每個無解調器節(jié)點不需要執(zhí)行解調/重新調制，因此在跳數上幾乎可以實現零延遲。當毫米波信號通過中繼器傳播時，誤差矢量幅度 (EVM) 逐漸下降的分析表明，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，因此中繼器處的波束搜索和細化復雜性是可控的。一旦 gNB 和中繼器之間的波束經過優(yōu)化和微調(在通電時或以慢速定期進行)，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。這可實現與 gNB 和 UE 之間的直接鏈路相當的高效波束搜索實現。

結論

值得注意的是，采用 5G 還需要滿足額外的商業(yè)和最終用戶要求。其中包括僅使用光纖的數據中心升級，以處理增加的流量、數據傳輸和存儲要求，以補充 5G 所需的高速。5G 兼容設備是另一個考慮因素，無論是移動還是固定 LAN，特別是如果您計劃使用 5G 來確保固定寬帶中斷時的業(yè)務連續(xù)性。

5G 部署面臨的一個主要挑戰(zhàn)是，可用的 6 GHz 以下頻譜無法提供滿足高級應用和同時使用用戶所需最佳性能所需的延遲和吞吐量。雖然目前的 6 GHz 以下 5G 網絡比現有的 4G LTE 網絡略有改進，但它們無法在密集的城市環(huán)境和擁擠的活動場所實現 5G 覆蓋范圍、性能和延遲的承諾。

基于 24 GHz 至 40 GHz 范圍內的毫米波頻率的 5G 網絡最有望實現高帶寬、低延遲的 5G 連接。然而，毫米波技術也帶來了信號傳播、阻塞和路徑損耗的挑戰(zhàn)。我們之前在衛(wèi)星電視和 Wi-Fi 領域也遇到過類似的技術挑戰(zhàn);我們已經使用附加接入點、增強器、中繼器和衛(wèi)星對準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系統(tǒng)，毫米波解決方案的性能問題可以得到前所未有的解決。移動技術提供商正在應對這一挑戰(zhàn)，提供首批毫米波射頻前端解決方案、大型相控陣天線設計和智能有源中繼器，以實現最終用戶對 5G 網絡所期望的高性能、廣泛覆蓋和高可用性。因此，服務提供商和行業(yè)合作伙伴能夠以降低 50% 的成本推出室內、室外和移動增強型 5G 毫米波服務。