毫米波5G目前面臨的諸多挑戰

重要信息

5G被業界視為革命性的無線技術，但作為下一代標準基礎之一的高頻譜，要求運營商採用與以前截然不同的方式來構建5G網路並對之前的蜂窩網路進行升級。

20世紀80年代，第一代移動網路給消費者帶來了模擬通話。20世紀90年代，集成電路和數字信號處理的出現，促使2G繁榮發展，大大提高了網路容量。3G誕生於世紀之交，將移動數據與語音有效結合，用戶甚至可以在回復郵件時撥打電話。2010年以後，4G的爆發提高了移動互聯網的速度，使得手機能夠使用各種各樣的桌面應用。

儘管如此，通信行業和客戶之間仍然是隔離的。通信行業有有線/互聯網服務提供商，有線電視和互聯網服務提供商，無線運營商和超高層應用提供商。消費者和企業可以從各種運營商和不同平台上獲得連接，這些平台往往不能互相交流。用戶在網路中存在巨大的開銷，並且運營商需要分配大量資源來處理這些需求，因此信令、計費和設備管理系統應運而生。

對於最終用戶來說，5G是連接的應用程序生態系統，每個應用程序將根據所需的任務自適應地管理數據速度、延遲和可靠性。例如，對於需要非常可靠、即時響應的自動駕駛汽車，5G網路將提供最廣泛的高密度覆蓋、低延遲且加密的通信鏈路，而不是盲目的為汽車分配100 MHz信道，因為高吞吐量不等於低延遲且可靠的網路覆蓋。

對於服務提供商而言，5G將整合通信系統，以滿足最終用戶的應用需求，如數據、語音、視頻、物聯網和關鍵通信。5G將提供更高的吞吐量、超低延遲，大大提高網路容量、可靠性和安全服務。

評判5G網路的標準是什麼？一般來說，5G網路架構應該提供：

大容量：4G網路的1000倍；

超快的數據傳輸速率：4G網路的100倍；

超低延遲：小於1毫秒。

為了實現這些目標，網路和用戶設備製造商必須創新技術，使網路更高效，並部署新的無線頻譜，以支持高帶寬的需求。

毫米波用於5G部署

5G所需的高帶寬介於800MHz至2GHz之間，能夠滿足5G部署的頻譜是毫米波頻譜，當衛星通信開始將Ka頻帶，26.5GHz部署到40GHz時，伴隨著點波束頻率的使用，它將通道帶寬從54MHz的典型帶寬提高到500MHz和2GHz之間。該技術能夠實現千兆位IP連接，而這也是5G的需求。

2015年10月，FCC為5G服務分配了三個毫米波頻帶，這些頻帶被稱為5G業務的前沿頻譜，24GHz以上的頻譜正在積極調研。

28GHz頻帶支持850MHz帶寬；37-40GHz頻帶支持3GHz的帶寬，在64-71GHz的無授權頻帶內支持高達7GHz的帶寬。 這些頻譜和帶寬分配使5G服務成為可能。

毫米波5G鏈路傳播和鏈路預算

商用的無線頻率（包括Wi-Fi）一般都低於6 GHz，很多設計工具可以實現這些頻帶的特性，但部署毫米波頻帶可以提供終端和基站之間的鏈路，為此帶來了很多的技術挑戰。首先要了解的是毫米波路徑損耗屬性，並構建可預測的數學模型。

為了調查5G的鏈路行為，路徑損耗和鏈路預算是兩大基本要素。

5G鏈路包括無線傳播環境中的視距（LOS）和非視距（NLOS）。LOS在60GHz以上是接近但不準確，能夠釋放空間路徑損耗，而NLOS路徑損耗顯著偏離可用領域。典型的過程是在特定頻率和地形上進行傳播損耗測量，然後進行曲線擬合找出指數n的損失。組合路徑損耗與（發射天線和接收天線之間的距離）is成比例，其中n是指數的丟失，可用在2到4之間。

端到端微波通信需要傳播路徑和地面上最近的障礙物之間的間隙，由菲涅爾區域理論控制。如果該區域為60%，則為LOS傳播。然而，5G網路的天線高度較低，可能會帶來顯著的傳播阻塞。

5G毫米波預算與傳統的6GHz以下的無線鏈路預算有很大的不同，可能會由於降雨、大氣吸收、濕度和菲涅耳阻塞而造成額外的損失。

以下是5G鏈路預算的示例計算，根據小區的頻帶和類型，可能會有所不同。

接收功率dBm = Tx功率+ Tx天線增益+ Rx天線增益 - 路徑損耗 - 降雨（估計2dB / 200m） - 陰影損耗（20至30dB） - 葉面損耗（10至50dB） - 大氣吸收 - 地形/ 謙卑 - 菲涅爾阻塞 - 系統利潤率

菲涅耳區半徑（R）= 17.32×√（d/4f）（d，km，f in GHz）

通過檢查上述計算公式，很明顯有很多因素都會削弱毫米波的傳輸，鏈接預算是任何5G部署團隊都需要考慮的領域。

5G毫米波信號功率傳播損耗測量

測量毫米波5G包括信號發生器，頻譜分析儀和兩個相控陣/喇叭天線。信號發生器模擬基站，該基站應安裝在選定的站點；信號發生器掃描從27.5到28.35GHz的頻帶；頻譜分析儀以一定距離測量接收到的信號。由於信號發生器和頻譜分析儀不同步，頻譜分析儀必須能夠在信號發生器調到下一個頻率之前在給定的頻率點捕獲足夠的採樣。

同步信號發生器和頻譜分析儀有幾種方式，如基於定時器的觸發器，硬體觸發器，或者僅在頻譜分析儀上具有峰值保持的自由運行。自由運行不是首選的解決方案，因為它帶來了很多錯誤，將會影響傳播模型的準確性。

為了解決這些測量難題，目前已經有分析儀具有擴展範圍傳輸分析（ERTA）功能。 它將兩個相關的分析儀連接在一起，每個儀器上的觸發器同步測量。

在毫米波上部署5G對RF工程師來說是一個挑戰，5G毫米波的頻率必須具有可靠的通道模型。大規模MIMO和波束成形是5G的重要組成部分，需要早起的廣泛測試來促使其部署。

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