微小的波浪,巨大的挑战:获得5G mmWave移动性

5G承诺10倍的数据速率和100倍的网络容量,这一壮举只有通过利用20 GHz以上的更宽带宽才能实现。从24 GHz到300 GHz的大量带宽(松散地称为毫米波(mmWave))是需要大量带宽应用的最新目标。5G NR Release-15规定了24.25 - 52.60 GHz的mmWave操作的频率范围2(FR2),在26.5 GHz,24.25 GHz和37 GHz的三个3,000 MHz宽频带,最初用于商业用途,受当地监管控制。

先动者已证明具有商业可行性的固定5G mmWave解决方案,802.11ad(最初称为WiGig)可作为57至66 GHz之间轻型移动通信的试验场。

我们从该技术中学到了一些重要而实用的经验:使用移动mmWave技术取得成功将需要在网络的各个层面进行创新和投资,包括RAN,接入节点,天线和手机。 
 
虽然创新将推动可能的极限,但mmWaves无法击败物理定律:较小的波浪更容易受到大气和环境的干扰。这就是为什么真正的小波浪带来了巨大的挑战。 

亲爱的,我缩小了互联网
Rick Moranis在1989年的经典着作“ Honey I Shrunk the Kids”中减少了孩子的体型。当我们考虑mmWave行为时,该综合症提供了有用的心理参考。范围从700MHz到约2.5GHz的4G无线电波的长度范围大约为40到12cm。相比之下,28 GHz的5G NR波只有1厘米长。这是mmWave频率的最低端; 60 GHz信号长度仅为5 mm。 

就像小孩子一样,微小的波浪从不同的角度“看”世界 - 过去看起来很小的东西现在非常大。具有20cm波长的信号撞击具有毫米级不规则性的表面的结果将是镜面反射,但是瞄准具有毫米波长的信号离开同一表面并且将产生漫反射。此外,反射对1 cm信号质量(30 GHz)的影响要大得多,而且路径损耗也会产生影响。
 
此外,由于氧气和水蒸气的吸收特性,小波更容易受到大气干扰,尤其是在24 GHz和60 GHz时。它们也不能很好地穿透混凝土和低辐射玻璃,通常用于工业建筑,摩天大楼和许多欧洲家庭。毫米波特别受到有机物质的挑战:手,头,甚至树叶都存在必须避免的不可接受的损失。

了解挑战
设计师必须应对在较低频率下不常见的四个新挑战:
  • 大气损失要高得多
  • 传播主要是视线
  • 频道一致性时间非常短
  • 波束成形对于克服路径损耗至关重要

大气损失 
图1显示了由水蒸气(24 GHz)和氧气(60 GHz)吸收无线电信号引起的大气损失。这些损耗,通常在第一代设计中低于1 dB,主要通过避免最高损耗谐振频率来减轻。除了正常的路径损耗之外,还必须特别考虑降雨衰减,假设小区大小为200米(降雨速率为1英寸/小时时为7分贝/千米),可以从信号中消耗几分贝的链路预算。虽然强信号不会受到影响,但在大雨条件下,弱信号或边缘信号可能无法使用。
 

图1毫米波的大气吸收。
 
视线
如前所述,毫米波中最大的挑战不是大气层 - 它是障碍物。在低频波穿过树叶和人体的地方,毫米波受到严重损害。ITU-CCIR报告236-2提供了一个简单的公式来计算以dB为单位的树叶损失(L):
 
L = 0.2×f ^(0.3)* R ^(0.6)dB 
 
其中f是以MHz为单位的频率,R是遍历的树叶深度。一些10米长的橡树在28 GHz时表现出> 17dB - 这绝对是一个重要问题。叶子实际上比普通的室内材料更具挑战性,如非着色玻璃(3.6 dB)和干墙(6.8 dB)。
 
短信道相干时间
即使在考虑5G NR帧之前,mmWave信道相干时间也明显短于<6 GHz频率。例如,对于给定的载波频率,信道相干时间可以近似为1 /(2 *多普勒扩展)。假设车速为30kph(约19mph),则2GHz处的信道相干时间Tc约为9ms。当频率增加到28 GHz时,相干时间下降到~643μs。 

实际上,移动电话和网络必须更频繁地评估信道状态。虽然较高的速度抵消了信道状态信息收集频率的增加,但是开销会有净增加,从而降低了系统的总潜在吞吐量。这种惩罚随着终点的速度而增加。

波束成形是必不可少的
高路径损耗,需要新技术才能达到mmW的5G设计距离。相控阵波束成形是一种可用于克服路径损耗的技术。
 
在毫米波长处,单个天线元件的尺寸仅为2.5mm至5mm。因此,可以设计用于塔功能的非常密集的天线阵列,并且可以在电话的PCB上实现定向MIMO阵列。通过在链路两端实现适当的波束采集和波束跟踪,可以实现150 m到200 m单元尺寸的设计目标,同时保持足够的功率预算,以克服瞬态信号降级到应有的移动事件。
 
图2波束形成天线模拟显示主瓣和旁瓣
 

通向5G移动的道路
将采用创新的组合来克服mmWave 5G设计挑战。5G电池设计将发生变化。较小的单元间距离对于覆盖是必不可少的。对于28 GHz的mmWave蜂窝操作,大多数设计人员的目标是150米到200米。这比今天的细胞距离1公里到2公里的密度要大一个数量级。 

由于波束形成,小区和小区覆盖区域的概念将在5G中发展。存在许多波束形成场景,其中远距离视线波束可以到达具有更大信号强度的用户设备(UE),而更近的非视距波束被阻挡。现代CRAN(集中式无线电接入网络)架构可以利用这一概念以及波束控制和波束跟踪,以在设备穿过覆盖区域时提供动态信号覆盖。理论上,RAN甚至可以实现协调的多小区传输以增强对单个设备的覆盖。

最重要的是,5G不是单一频率标准。第一款移动mmWave 5G设备将具有支持5G FR1和5G FR2频段的多个无线电。通过动态信道管理和信道聚合,这些设备可以利用多个频率上的所有可用带宽,而对较低频段的支持将在具有挑战性的mmWave环境中提供覆盖。大多数初始实现也将能够回退到4G。在网络升级到完整的5G功能之前,无论mmWave支持如何,后备将成为5G早期的主要关注点。

从长远来看,物理基础设施将在扩展5G足迹方面发挥重要作用。灯杆,交通信号灯和城市建筑坐骑都是完全实现5G潜力所需的高密度,视线范围内的顶级竞争者。虽然在设计和构建方面具有挑战性,但我们拥有技术 - 而需求和规模部署将使其成本低廉,一次又一波。
 

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