毫米波如何支持现实世界的 5G 网络

对 5G 的期望是巨大的。然而，5G 部署面临的一个主要挑战是可用的 sub-6-GHz 频谱不支持提供高级应用程序和同时用户所需的最佳性能所需的延迟和吞吐量。虽然当前的 sub-6-GHz 5G 网络与现有的 4G LTE 网络相比略有改进，但它们未能在密集的城市环境和拥挤的活动场所实现 5G 覆盖、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。本文着眼于解决这些 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 导致了 2G，它允许短信和基本数据传输。3G 允许有效的移动互联网浏览，而 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 承诺更多，比其前身快 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。

我们对 5G 的期望更高，尤其是在实时处理必不可少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) 连接设备的数量也将增加，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，鉴于 5G 的技术要求（和原生限制），真正 5G 的早期采用者将包括智能工厂、仓库和体育场馆。

有不同类型的5G网络

将整个蜂窝网络基础设施转换为处理 5G 是一项艰巨的任务，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”，但远远低于实际 5G 承诺的下载速度。

本质上，有两种类型的 5G 网络：

第一个在中频段（3.4 至 6 GHz）和低频段（小于 1GHz）上运行。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 所承诺的好处相去甚远。因此，此类解决方案不太可能说服消费者进行升级。

超快毫米波 (mmWave) 提供我们都想要的 5G，并在 24 至 40GHz 的高频段上运行。凭借高达 5Gbps 的速度，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。

毫米波和 5G 部署挑战的利弊

现实世界的毫米波网络速度因范围、信号拦截器以及与最近的 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，但它们的距离也很短。要接收毫米波信号，用户必须在 5G 塔的一两个街区内且没有视线 (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，进一步缩小了可用的 5G 范围。为了优化覆盖范围，运营商面临着以高密度安装大量小型蜂窝，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限制，毫米波技术更适合密集的城市环境。由于范围限制，mmWave 不是郊区和农村地区的实际选择，因为更易于部署、更实惠的 4G LTE 和 6 GHz 以下 5G 网络为这些地区提供最佳服务。毫米波 5G 网络的广泛部署将需要在地下大量安装光缆。在此之前，运营商将继续依赖现有的网络基础设施，同时市场向 5G 过渡。

尽管范围、信号传播和 LOS 限制是 mmWave 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）、小型化天线阵列、自适应波束成形和智能有源中继器，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在室外环境和建筑物内部扩展基于毫米波的网络的范围和覆盖范围来解决 5G 信号传播挑战。有源中继器通过增强毫米波信号来工作，使它们能够穿透墙壁和其他阻挡物并在建筑物周围弯曲以克服 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，智能中继器会放大微弱的波束信号，并可以照亮整个房间，从而改善最终用户和应用程序的连接体验（图 1）。

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图 1：智能有源中继器解决了 5G 信号传播挑战，扩展了基于毫米波的网络在室外环境和建筑物内部的范围和覆盖范围。

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 毫米波服务。

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。Sub-6 GHz 5G 目前比毫米波更广泛可用，主要运营商向城市地区的许多客户推出低频 5G 网络。

一级运营商正在迁移到毫米波技术以满足网络容量要求，因为到 2023 年，客户需求预计将超过 6 GHz 以下容量，多家运营商已经部署了基于毫米波的 5G 网络。

虽然 mmWave 的批评者认为 sub-6 GHz 网络提供比 mmWave 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），但有限的 sub-6 GHz 频谱最终将需要部署更多 gNB。高带宽毫米波有助于缓解拥挤的城市地区、体育场馆、音乐会场地和机场日益严重的网络拥塞。这种部署意味着您将在您期望很少或没有连接的地方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，大多数用户都在使用 4G 和有限的低于 6 GHz 的 5G 服务，并有望实现超快的毫米波速度和低延迟。

释放 5G 潜力的三大技术挑战

实现5G低延迟、高带宽、更快速度和广泛覆盖的宏伟目标；主要运营商和毫米波解决方案提供商正在努力克服这些基本挑战：

高频射频设计的传统方法以及昂贵、笨重和低效的天线对实现毫米波 5G 网络的性能目标构成障碍。

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

毫米波频率会因距离、信号阻塞和非现场条件而导致更大的传输损耗。

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

为了加速毫米波网络的大规模部署，运营商和 5G 设备制造商必须解决这三个技术挑战：

使用单个天线在高频下更高的传播损耗：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。可操纵相控阵的使用可以通过许多小天线元件的同相来构建大天线孔径来克服这一挑战。

发射器和接收器之间需要可跟踪的 LOS 路径或强反射路径：高无线电频率中缺乏折射/衍射限制了到 LOS 路径或强镜状反射路径的链路的可用性。这是提供必须随时随地可用的毫米波连接的主要限制因素。

在高射频下通过材料的高透射率损失：与低于 6 GHz 的无线电信号相比，毫米波信号在通过玻璃、有色窗户、砖、木材和石膏板等材料传播时表现出非常高的透射率损失。即使是传统的玻璃窗也可以将毫米波信号衰减 6 dB，而多窗格 Low-E 玻璃会导致近 40 dB 的损耗。信号阻塞是随时随地限制毫米波可用性的主要限制因素。

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缓解。然而，直到最近，对于视线和透射率损失问题，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

在三种部署场景中，智能有源中继器可以缓解 LOS 链路可用性挑战：

缺乏 LOS 或强反射路径：此部署挑战包括 gNB（想想下一代基站）和最终用户设备 (UE) 之间没有视线或强反射路径的情况。考虑到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一条类似镜子的路径。这种镜像类型的路径要求进一步限制了依赖环境中自然反射器来关闭毫米波链路的部署场景。

非常高的透射率损失：这种部署场景涉及由于 gNB 和 UE 之间的信号阻塞对象导致的非常高的透射率损失。例如，通过有色玻璃窗的传输损耗可能高达约 40 dB，这很难在单跳中进行补偿。

无法跟踪的变化环境和/或反射器：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 的阻塞或 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，需要额外的缓解方法和架构改进来为移动和变化的环境提供更强大、更可靠的连接。

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

可以设计有源中继器来降低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，基于“无解调器”架构的中继器最大限度地提高了可用信号强度，并消除了对传统解调和再调制技术的需求。

通过通过时隙、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情况下支持多种类型的最终用户设备：

静态单波束：中继器接收覆盖整个频道的单个流，并通过可以覆盖所有最终用户设备的单个窄波束重新传输流（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。中继器接收单个流并通过切换波束重新传输流。每个时隙期间的波束轮廓与分配给该时隙的最终用户设备相关联（图 3）。

图 3：切换多波束部署示例。

并发多波束：中继器可以配置为在覆盖所有最终用户设备的多个波束上同时重传全带宽毫米波信号。

通过重新配置中继器设备内的波束形成引擎资源，可以将有源中继器设计为动态支持所有三种类型的波束。可以在安装或操作期间应用光束重新配置。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。

考虑一个活动中继器场景，其中在 gNB 和链中的最后一个中继器之间配置了四跳。这些跃点将 gNB 和最后一个中继器之间的范围扩大到 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，因此在每跳几乎零延迟的情况下实现了这一点。随着毫米波信号通过中继器传播，误差矢量幅度 (EVM) 逐渐降低的分析表明，在最后一个中继器节点处仍保持约 23 dB 的目标信噪比 (SNR)。

中继器处波束搜索和细化的复杂性是可控的，因为 gNB 和中继器之间链路的波束配置是静态的。一旦 gNB 和中继器之间的波束被优化和微调（在上电时或周期性地以慢速），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。这导致了与 gNB 和 UE 之间的直接链路相当的高效波束搜索实施。

结论

值得注意的是，5G 的采用还有其他商业和最终用户要求。其中包括纯光纤数据中心升级，以处理增加的流量、数据传输和存储需求，以补充 5G 所需的高速。5G 兼容设备是另一个考虑因素，无论是移动设备还是固定 LAN，尤其是当您计划在固定宽带中断时使用 5G 来确保业务连续性时。

5G 部署面临的一个主要挑战是可用的 sub-6-GHz 频谱不支持提供高级应用程序和同时用户所需的最佳性能所需的延迟和吞吐量。虽然当前的 sub-6-GHz 5G 网络与现有的 4G LTE 网络相比略有改进，但它们未能在密集的城市环境和拥挤的活动场所实现 5G 覆盖、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 网络最有希望实现高带宽、低延迟的 5G 连接。然而，毫米波技术也带来了信号传播、阻塞和路径损耗方面的挑战。我们之前在卫星电视和 Wi-Fi 领域看到过类似的技术挑战。我们已经使用附加接入点、助推器、中继器和卫星校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的系统，毫米波解决方案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，从而实现最终用户对 5G 网络的高性能、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。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。

一旦运营商处理了必要的升级并提供了合理的数据上限（狂热的游戏玩家和流媒体可以在几天内用完每月的津贴），那么我们都可以享受应有的 5G。

— Reza Rofougaran 是 Movandi 的首席技术官和联合创始人

审核编辑 黄昊宇