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现况正在改变 5G NR开启毫米波应用新契机
 

【作者: 王岫晨】2020年08月25日 星期二

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毫米波有机会为行动通信带来大量的大频宽应用机会。


但其RF的复杂性使其要满足行动设备的成本和功率变得极具挑战。


然而,5G NR的毫米波正在改变这一现状。


到目前为止,一般人们都已经了解了很多有关毫米波(mmWave)的资讯。毫米波是一种较高频的频段,有机会为行动通信带来大量的大频宽应用机会。5G NR的行动毫米波不仅将打开通往庞大网路容量的大门,更可能会快速推进我们热爱的智慧手机数据计划,而且其类似光纤的速度和超低延迟,还可以带来创新的应用,例如强化的5G行动体验,包括无限行动扩展现实(XR)等,就是很值得令人期待的创新。


事实上,毫米波波段的传输遭受更高的路径损耗和易受阻塞的影响。此外,毫米波的RF复杂性使得其要能满足行动设备的成本和功率限制变得极具挑战性,这就是为什麽直到现在,用於行动通信的毫米波一直不可行。然而,5G NR的毫米波正在改变这一现状。


5G通讯频段与运行模式

为全面部署5G行动通讯,全球各国所采用的频率逐渐明朗化,大致可分为两种类型。


第一种是由3GPP定义的频段,介於410MHz 至7125MHz,称为sub-6 GHz或sub-7 GHz频段。此频段为LTE/LTE-Advanced(LTE-A)及WLAN技术所采用,另有新增的扩展频段,关於RF特性等技术性问题相对较少;根据所选择的频率,其优势是所用的射频资源已经过3G(W-CDMA)与4G(LTE/LTE-A)的验证,但缺点是多数频率已经被占用,无法按序保障宽频段。



图一 :  5G NR NSA与SA示意图
图一 : 5G NR NSA与SA示意图

第二种频段约介於30GHz至100 GHz;3GPP将介於24250MHz至52600MHz的频率定名为毫米波频段(mmWave),由於这个频段鲜少使用,得以确保其宽频;其具备方便支援高速大容量的资料传输优势,缺点则是空中传输(OTA)的讯号大幅衰减,且由於缺乏行动业者实际使用这个频带,因此仍有许多技术性问题尚待厘清。


除了这两个频段,另外也分为两种作业模式:一种是非独立(NSA)模式,使用结合New Radio(NR)技术的5G与LTE/LTE-A,以及第二种独立(SA)模式,使用独有的5G NR技术,透过基地台和行动终端机(UE)之间的控制功能来收发资料。


各国的频段与运行模式

根据全球报告,各国5G通讯将使用不同的频带与作业模式。中国计划使用SA模式和sub-6 GHz频带,这将是全球5G商业化部署的首例,并将实现5G通讯三大功能之一的超高可靠度与低延迟通讯(URLLC),据信其目的是透过5G连结扩增实境(AR)等产业。


其他国家则考虑采用多种频段及作业模式来提供初期的5G服务,此外也正在拟定计画,打算使用NSA模式与毫米波频段。此将优先实作5G三大功能之一的增强型行动宽频(eMBB);美国将采用固定宽频电路,日本和南韩等人囗密度高的区域则以提高资料传输速率为目标。


表一 全球主要区域初始的5G服务(source:anritsu.com)

频段

Sub-6 GHz 频段
600 (n71) / 700 (n28) MHz,
2.5 (n41) /3.5 (n78) /4.5 (n79) GHz等

毫米波频段
28 (n257) / 39 (n260) GHz等

独立(Standalone;SA)

中国、美国

 

非独立(Non-Standalone;NSA)

日本、美国、南韩、欧盟

日本、南韩、欧盟


行动毫米波商用化

随着5G的出现,正是反思行动毫米波技术可行与否的好时机,因为我们即将会见到第一批支援5G NR的商用毫米波智慧手机问世。

发展毫米波曾经被许多技术怀疑论者认为是不可能的挑战,因为他们不相信毫米波对於行动使用者而言是可行的。然而,随着5G的出现,或许现在正是一个反思行动毫米波技术可行与否的好时机,因为我们即将会到第一批支援5G NR的商用毫米波智慧手机问世。


随着5G愿景逐渐在商业上现实,基於3GPP Release 15规范的行动设备也在市场上更为常见。行动毫米波的生态系统动力很强,并且会继续增强。毫米波部署的区域已经跨越北美、欧洲和亚洲,许多国家在2019年就已经举行了首次的毫米波频谱拍卖(例如韩国於2019年6月完成,意大利於9月完成,而美国则在持续进行中),其中所有频段均位於26与28GHz频段上。接下来,包括24、37、39和47GHz等频段,我们都将会看到更多的毫米波频谱出现。


5G NR毫米波拓展新的商机

行动电信运营商最初的重点是透过在现有的都市人囗密集市场中,开始部署5G NR毫米波基地台来加速扩展网路布建,我们可以发现毫米波的商机可能会超越传统的4G网路市场。最令人感兴趣的应用领域,是将毫米波带入室内,以满足包括会议中心、音乐厅和体育馆等拥挤场所中,类光纤无线宽频网路的爆炸性需求。


在过去的应用中,这些场所一直面临网路频宽有限的挑战,因此它们可以提供的服务品质通常都会受到限制,例如低速或者不可靠的连接性。借助毫米波明显更大的频宽和较高的空间使用增益,行动电信运营商和服务提供商都可以迅速为大量用户提供更大频宽、更低延迟的连接体验。


毫米波另一个令人振奋的机会,是为私人室内空间提供服务,包括办公室、停车场、会议室等。想像一下,无论是智慧手机、平板电脑、笔记型电脑还是行动扩展实境(XR),这些工作中的设备几??都需要更大的容量和类似光纤的无线连接。对於这些室内部署的方案,只需将毫米波的小型基地台与现有LTE或Wi-Fi接入点并置,就可以轻松实现更大范围覆盖(即大於 90%区域范围)和Gbps等级的无线连网品质。


毫米波小型基站

随着用户需求的持续增长,LTE将无法提供足够的容量,而5G将成为通讯市场的主导者。在较低频段上运行5G NR小型基地台的初始室外容量将由5G毫米波来加以支援,这是5G承诺的超过10Gbps超高速数据速率和超低延迟的必要条件。毫米波的频段可以从1ms左右一直扩展到300GHz,然而28GHz和39GHz频段可能是公认最初使用最多的频段。


在这些高频段的毫米波频率下,无线电传播要比低频段弱得多。信号容易被建筑物、树叶甚至人体阻挡。这意味着需要对网路进行致密化以保持覆盖范围和用户体验。站点间距离(ISD)通常小於100m,而室内高密度网路的ISD则低至10m。使用5G毫米波小型蜂窝基站可以快速地实现这种部署。


以Nokia为例,便推出了新的 AirScale毫米波无线电(ASMR),可以支援28GHz(n257)或39GHz(n260)频段。它为最繁忙的增强型行动宽频基地台提供了极大的容量,除了提供广泛的部署选项,更简化了安装事项。其部署包括180度和360度覆盖范围,以及多频带来提供灵活性,如此可以确保在各种环境中的服务连续性。ASMR是极限容量5G连接的理想选择,其应用针对了体育场、机场和行人步行区等。


结语


图二 :  Nokia推出新的 AirScale毫米波无线电(ASMR)
图二 : Nokia推出新的 AirScale毫米波无线电(ASMR)

虽然3GPP Release 15为5G NR毫米波建立了基础,并提供了使其具备行动特性的关键技术,但毫米波仍然不停发展以提高性能、可靠性和效率。版本16项目还正在研究新功能,包括频带定位、对52.6GHz以上的频谱支持,以及整合的接入和回程(IAB),这可以透过允许重复使用5G NR小型蜂窝基站来简化其基础设施布建,以及接入和回传的频谱和设备等。


当然,要推动毫米波的发展,还需要更多的技术创新。例如先进的波束成形和波束跟?技术,可以透过3D定向天线来增加覆盖范围和非视线(NLOS)操作。而透过在6GHz以下频段与LTE或5G NR紧密整合,可提供无处不在的覆盖范围和无缝的用户体验。另外,经过优化的RF前端设计提供了将大量RF复杂性整合到智慧手机中的能力。


**刊头图(source:pxhere.com)


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