圖源：NicoElNino/Shutterstock.com

　　5G NR是增強(qiáng)5G空中接口的全球標(biāo)準(zhǔn)，可在低頻段（低于1GHz）、中頻段（1GHz至6GHz）和高頻段（高于24GHz的毫米波）提供更快的移動(dòng)通信體驗(yàn)。本文中，我們將探討高頻段毫米波頻譜以上的頻率，展示接入回傳一體化 （IAB） 如何為更靈活的密集化策略打開大門，使運(yùn)營(yíng)商能夠使用無(wú)線回傳快速增加新基站。

　　擴(kuò)展5G NR毫米波網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍會(huì)面臨哪些挑戰(zhàn)？

　　要顯著擴(kuò)展5G NR毫米波網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)是額外部署毫米波基站的成本。下面列出的是移動(dòng)5G毫米波面臨的其他一些主要問(wèn)題以及克服這些問(wèn)題的方法：

•  此類部署的一個(gè)重要方面是需要使用新型無(wú)線回傳基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行可靠的回傳安裝，使毫米波密集化更具成本效益。

• 路徑損失會(huì)導(dǎo)致覆蓋范圍受限，因而需要部署很多小型蜂窩；不過(guò)模擬波束成形技術(shù)有助于克服這種路徑損失。

•  毫米波需要視距 （LOS） 傳輸，因此信號(hào)傳播會(huì)受到限制；不過(guò)先進(jìn)的波束成形和波束跟蹤技術(shù)通過(guò)利用路徑分集和反射，有助于克服這一問(wèn)題。

• 毫米波只適用于固定用途；對(duì)此的解決方案是通過(guò)自適應(yīng)波束控制和切換的方式來(lái)進(jìn)行傳遞，從而克服阻塞。

• 毫米波設(shè)備尺寸較大，因?yàn)樗碾娏看?，小尺寸存在散熱?wèn)題；對(duì)此的解決方案是借助手機(jī)的商業(yè)化來(lái)促進(jìn)研發(fā)滿足尺寸和散熱要求的調(diào)制解調(diào)器、射頻和天線解決方案。

　　何為5G IAB?

　　最近，3GPP提出了一種對(duì)多跳IAB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的流程。本文將概述3GPP第16版標(biāo)準(zhǔn)提出的多跳IAB的主要特征，以及這些設(shè)計(jì)選擇背后的原因。

　　3GPP 5G第16版引入了IAB，使基站既能為設(shè)備提供無(wú)線接入，又能提供無(wú)線回傳連接，因而無(wú)需再安裝成本更高的有線回傳。所謂IAB，就是將接入頻譜的一部分用于回傳連接。

　　為何要部署無(wú)線IAB而非光纖IAB?

　　5G所承諾的高帶寬能力來(lái)自于毫米波段中的高頻通信，但這里存在一個(gè)問(wèn)題——高頻信號(hào)的覆蓋范圍有限，需要更加密集地布設(shè)基站，從而使推廣這項(xiàng)技術(shù)的成本大幅增加，其中一大主要因素來(lái)自于光纖的部署，因?yàn)楣饫w需要布設(shè)在地下。

　　而IAB的思路則是從無(wú)線頻譜中分出一部分，取代光纖用于建立回傳連接。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上可行的密集部署而言是非常具有吸引力的。

　　IAB的一大優(yōu)勢(shì)在于它可以靈活、高密度地部署NR蜂窩，而無(wú)需按比例增加傳輸網(wǎng)絡(luò)的密度。我們可以設(shè)想廣泛的部署場(chǎng)景，包括支持室外小基站部署、覆蓋范圍擴(kuò)展、室內(nèi)部署和固定無(wú)線接入 （FWA），如圖1所示。

　　圖1：IAB的用例（圖源：Integrated Access Backhauled Networks）

　　3GPP第16版標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)版本中包含：

　　1. 多跳回傳，可實(shí)現(xiàn)靈活的范圍擴(kuò)展。

　　2. 服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 的區(qū)分和執(zhí)行，以便滿足5G QoS，尤其是在多跳的情況下。

　　3. 支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m應(yīng)和冗余連接，可實(shí)現(xiàn)出色的回傳性能，并且能夠快速適應(yīng)回傳無(wú)線電鏈路過(guò)載和故障。

　　4. 通過(guò)對(duì)IAB節(jié)點(diǎn)的接入鏈接（如UE鏈接）和回傳鏈接（鏈接到其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）分別使用相同或不同的載波頻率來(lái)進(jìn)行帶內(nèi)和帶外中繼。

　　5. 支持需要IAB節(jié)點(diǎn)部署對(duì)用戶設(shè)備 （UE） 透明的傳統(tǒng)終端，因此不需要新的UE功能或標(biāo)準(zhǔn)化。

　　Verizon的計(jì)劃很好地解釋了為何部署無(wú)線IAB而非光纖IAB

　　Verizon已經(jīng)決定部署IAB技術(shù)。這是一項(xiàng)重要決策，因?yàn)榈侥壳盀橹?，該運(yùn)營(yíng)商正在使用大量光纖連接來(lái)回傳其5G傳輸站點(diǎn)的流量。

　　光纖回傳不僅成本高昂，還可能存在諸多限制，因?yàn)閂erizon只能將5G天線安裝到能夠接入光纖和電力連接的地方。

　　而部署無(wú)線IAB后，Verizon便可將5G發(fā)射器安裝到只有電力而沒(méi)有光纖的地方，因?yàn)闊o(wú)線天線可以通過(guò)無(wú)線鏈路將其流量回傳到附近的接收器，而該接收器很可能可以連接到光纖網(wǎng)絡(luò)。

　　借助IAB部署，Verizon可以將5G天線安裝到光纜鋪設(shè)難度過(guò)大或成本過(guò)高的地方，例如在一組火車軌道上埋設(shè)光纜就是一件很困難的事情。

　　相較于目前采用的無(wú)線回傳技術(shù)，諸如使用60-90GHz E波段的技術(shù)，IAB具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗恍枰獮榛貍麈溌凡捎脝为?dú)的天線。正如“接入回傳一體化”中的“一體化”一詞，IAB既可以支持普通5G用戶的無(wú)線連接，也可以通過(guò)同一天線支持回傳鏈路。

　　在智慧城市中部署無(wú)線IAB基礎(chǔ)設(shè)施

　　隨著人們不斷離開農(nóng)村地區(qū)，城市化進(jìn)程正在迅速推進(jìn)，這給城市地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)。部署智慧城市有望減輕這些負(fù)擔(dān)，從而解決城市發(fā)展中遇到的諸多問(wèn)題。

　　根據(jù)預(yù)測(cè)，5G技術(shù)有望成為推動(dòng)智慧城市技術(shù)成為主流，同時(shí)加速新部署的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。3GPP NR第16版指定了無(wú)線IAB，這是新部署的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。

　　智慧城市是一個(gè)主要由信息和通信技術(shù) （ICT） 組成的架構(gòu)，它使可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐能夠應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的城市化挑戰(zhàn)。

　　這一ICT架構(gòu)是由可使用無(wú)線技術(shù)和云計(jì)算傳輸數(shù)據(jù)的互聯(lián)對(duì)象和機(jī)器的智能網(wǎng)絡(luò)所組成的。智慧城市的居民可以通過(guò)智能手機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、網(wǎng)聯(lián)汽車和智能家居等多種方式參與到智慧城市生態(tài)系統(tǒng)中。

　　在智慧城市中廣泛部署物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境條件和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。但這樣做的成本可能非常高昂。智慧城市能否生存下去，將取決于能否降低成本。

　　智能城市需要物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，以訪問(wèn)來(lái)自這些設(shè)備的數(shù)據(jù)。在這種情況下，部署無(wú)線IAB可以使基站既能為設(shè)備提供無(wú)線接入，又能提供無(wú)線回傳連接，因而無(wú)需再采用成本高昂的有線回傳。無(wú)線IAB還能加快各種規(guī)?；镜牟渴鹚俣龋皶r(shí)為社區(qū)提供全面的信號(hào)覆蓋。在3GPP第16版標(biāo)準(zhǔn)中，多跳IAB網(wǎng)絡(luò)也得到了標(biāo)準(zhǔn)化。

　　智慧城市還可以通過(guò)真正的無(wú)線通信部署，為優(yōu)化能源分配、改善垃圾集運(yùn)、減少車輛交通擁堵以及改善空氣質(zhì)量提供基礎(chǔ)設(shè)施。

　　聯(lián)網(wǎng)的交通信號(hào)燈可以通過(guò)調(diào)整燈光節(jié)奏的時(shí)間來(lái)接收傳感器和汽車的數(shù)據(jù)，在減少交通擁堵的同時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)交通做出快速反應(yīng)。

　　網(wǎng)聯(lián)汽車可以通過(guò)無(wú)線方式與停車計(jì)時(shí)器和電動(dòng)汽車 （EV） 充電站連接，引導(dǎo)駕駛員前往最近的可以使用的充電停車區(qū)。

　　智能垃圾桶將以無(wú)線方式向廢棄物管理點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化集運(yùn)時(shí)間。

　　居民的智能手機(jī)將成為帶有數(shù)字憑證的移動(dòng)駕照和身份證件，可以更快地訪問(wèn)城市和地方政府服務(wù)。

　　因此，通過(guò)使用毫米波頻率的部分可用大頻譜進(jìn)行無(wú)線回傳，IAB將大大降低5G網(wǎng)絡(luò)的部署成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與光纖部署相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

　　展望5G第17版

　　圖2：3GPP第17版5G標(biāo)準(zhǔn)概覽（圖源：3GPP）

　　由于新冠疫情影響，許多面對(duì)面會(huì)議不得不取消或改為線上會(huì)議，致使3GPP第17版5G標(biāo)準(zhǔn)（圖2）的制定進(jìn)度出現(xiàn)了延遲。3GPP希望能夠在2021年下半年恢復(fù)面對(duì)面會(huì)議。好消息是，第17版目前依然維持著2019年12月的會(huì)議敲定的內(nèi)容。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱3GPP網(wǎng)站上商定的第17版時(shí)間表。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在本文中，我們探討了擴(kuò)展5G NR毫米波網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍這一艱巨任務(wù)所面臨的諸多挑戰(zhàn)。

　　光纖是5G回傳最初的選擇，但成本高昂，直至3GPP第16版5G標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，使集成的接入和回傳成為了可行性高、成本更低的選擇。我們已經(jīng)證明，與光纖或任何其他技術(shù)相比，無(wú)線IAB在成本和性能方面都是更好的解決方案。Verizon的解決方案就提供了一個(gè)很好的例子。

　　智慧城市是5G通信部署的一個(gè)主要并且相對(duì)較新的領(lǐng)域。本文闡述了無(wú)線IAB為何能成為5G毫米波頻率下一個(gè)非常適合密集部署并且性能出色，同時(shí)又無(wú)需與每個(gè)基站建立更昂貴的光纖連接的方案。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Steve Taranovich是紀(jì)實(shí)著作《真理守護(hù)者》（Guardians of the Right Stuff） 的作者，這是由NASA和Grumman公司的多位工程師、一位航天員以及多位技術(shù)人員講述的有關(guān)阿波羅計(jì)劃的真實(shí)故事。Steve曾在2012年至2019年期間擔(dān)任EETimes/Planet Analog的資深主編以及EDN的高級(jí)技術(shù)編輯，并負(fù)責(zé)模擬和電源管理設(shè)計(jì)中心的運(yùn)作。他在電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域擁有40年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并且在工業(yè)領(lǐng)域擁有9年的技術(shù)寫作和編輯經(jīng)驗(yàn)。他的專長(zhǎng)涵蓋模擬電子、空間相關(guān)電子、音頻、射頻與通信、電源管理、電氣工程和集成電路 （IC）。Steve Taranovich是一位實(shí)力雄厚的媒體和通信專家，1972年獲得紐約大學(xué)工程系電子電氣工程學(xué)士學(xué)位，1989年獲得紐約理工大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。他曾于1972年到1988年間擔(dān)任過(guò)8年的音頻電路設(shè)計(jì)工程師和8年的微波電路設(shè)計(jì)工程師。