毫米波助攻 加速落實5G藍圖

作者 : Reza Rofougaran,Movandi技術長兼共同創辦人

5G網路被寄予厚望。然而,5G部署正面臨瓶頸:為了提供先進應用和同步使用者要求的最佳效能,現有的Sub-6 GHz頻譜並不足以支援所需的延遲和傳輸效率。毫米波(mmWave)技術有助於解決這些問題,但也存在一些挑戰…

5G網路被寄予厚望。然而,5G部署正面臨著重要挑戰:現有的sub-6 GHz頻譜並不足以支援所需的延遲和輸送量,以提供先進應用和同步使用者所要求的最佳效能。

儘管目前sub-6 GHz的5G網路效能較現有的4G LTE網路已略有改善,但在密集的城市環境和擁擠的活動場所,仍無法實現5G所承諾的覆蓋範圍、效能和延遲。毫米波(mmWave)技術有助於解決這些問題,但也同樣存在一些挑戰。本文深入探討解決5G部署挑戰時必須考慮的關鍵因素。

蜂巢式技術一直在不斷地發展,以滿足當今日益增加的資料需求。GSM帶來了2G行動網路,讓文字簡訊和基本的資料傳輸成為可能。3G網路實現有效的行動網際網路瀏覽,4G則讓使用者更可靠地傳輸視訊影片,並享受穩定的VoIP語音通話。而今,5G承諾能夠發揮更多功能,不僅速度比前一代網路更快100倍,帶來更高頻寬、更低延遲、更可靠的覆蓋範圍,以及更高的可用性。

但我們對於5G抱持著更多的期待,特別是針對即時處理至關重要的資料密集應用場景。即將推出的5G將帶來自動駕駛等創新技術,以及其他新興用例,包括車對車(V2V)通訊、智慧建築、智慧城市、遠端醫療、醫療機器人(如用於手術諮詢和培訓),以及虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)解決方案。

用於物聯網(IoT)的連網裝置數量也在增加中,特別是在供應鏈監測和工業物聯網(IIoT)等領域,對關鍵系統進行監測更是重中之重。

然而,鑒於5G的技術要求(和原生限制),真正的5G早期應用還將包括智慧工廠、倉儲和運動場館。

5G網路不同類型

將整個蜂巢式網路基礎設施轉換到5G是一項艱鉅的任務。目前,許多營運商正在使用現有的基礎設施來提供其所謂的‘5G’,但其下載速度遠遠低於實際5G所承諾的速度。

基本上,5G網路可分為兩類:

  • 第一類是在中頻段(4-6GHz)和低頻段(低於1GHz)運作,通常依靠4G基礎設施,提供從35到50+Mbps的下載速度。儘管這些營運商提供的‘5G’解決方案超過4G的下載速度,但遠不及5G承諾的好處。因此,這些解決方案很難說服消費者採納升級。
  • 超高速的毫米波(mmWave)提供了大家都想要的5G,並在24至40GHz的高頻段運作。在高達5Gbps的傳輸速率下,只需要幾秒鐘即可下載一整部高畫質(HD)電影。

為了克服5G部署的挑戰,瞭解每一種5G網路之間的差異和協同運作至關重要。以使用者體驗來看,mmWave具有最強大的潛在優勢,但其相關設定也難免較為複雜。

mmWave的優缺點和5G部署挑戰

現實世界中的mmWav網路速度差異很大,具體取決於範圍、訊號遮蔽物以及與最近的5G基地塔或小型蜂巢式基地台的接近程度。雖然mmWave 5G網路具有超高速的性質,但其覆蓋範圍卻也極短。若要接收mmWave訊號,使用者必須位於5G基地塔的一兩個街區範圍內,而且附近沒有視線(LOS)可見的障礙物。

高頻mmWave訊號很容易被建築物、牆壁、窗戶和樹葉遮檔,這進一步減少了5G的可用範圍。為了使覆蓋範圍達到最佳配置,營運商需要安裝大量高密度的小型蜂巢式基地台,但這也推高了大規模部署mmWave網路的成本。

由於其覆蓋範圍和視線遮擋的限制,mmWave技術更適用於密集的城市環境。鑒於其範圍受到限制,mmWave並非郊區和農村地區的實用選項,因為這些地區更適合易於部署、價格更可負擔的4G LTE網路和sub-6 GHz 5G網路。廣泛部署mmWave 5G網路還必須先鋪設大量的地下光纜。在此之前,市場向5G過渡的同時,營運商仍然得繼續依賴現有的網路基礎設施。

儘管範圍、訊號傳播和LOS限制都是mmWav的缺點,但Movandi等業界公司開發的先進技術,如大規模多輸入多輸出(massive MIMO)、微型天線陣列、自適應波束成形和智慧主動式中繼器,可望有效地解決這些挑戰。

智慧主動式中繼器透過放大mmWave訊號,以及擴展mmWave網路在戶外環境和建築物內的範圍和覆蓋面,從而解決了5G訊號傳播的挑戰。主動式中繼器的運作原理是增強mmWave訊號,使其得以穿透牆壁和其他障礙物,並沿著建築物周圍彎曲傳播,以克服LOS的問題,而無需龐大的天線設計或昂貴的光纖回程網路。當部署於建築物內時,智慧中繼器會放大微弱的波束訊號,使其得以覆蓋整個房間,改善終端使用者和應用的連接體驗(1)。

1:智慧主動式中繼器擴展mmWave網路在戶外環境和建築物內的傳輸距離和覆蓋範圍,解決了5G訊號傳播的挑戰。

主動式中繼器在整個5G網路的廣泛運用,使服務供應商能夠以更低50%的成本推出室內、戶外和機動增強型5G mmWave服務。

美國所有主要營運商現在都在測試mmWave網路,為特定的大城市和街區提供可用性。目前,可用的sub-6 GHz 5G比mmWave更加廣泛,主要的營運商也在向城市地區的諸多客戶推出更低頻段的5G網路。

不過,一線(Tier 1)營運商正轉向mmWave技術,以滿足網路容量的需求。隨著多家營運商已經部署基於mmWave的5G網路,預計到2023年,mmWave頻段網路的客戶需求將超越sub-6 GHz頻段的容量。

雖然mmWave的批評者認為,sub-6 GHz網路提供了比mmWave更好的覆蓋範圍,而且只需要較少的基地台——下一代無線電節點Node B 5G基地台(gNB),但有限的sub-6 GHz頻譜最終將需要部署更多的gNB。在擁擠的城市地區、體育場館、音樂會場所和機場,高頻寬的mmWave有助於緩解其日益嚴重的網路堵塞問題。mmWave網路的部署意味著,即便是在沒有網路連結之處,您依舊能夠享有穩定的高速連網。

雖然朝向5G網路的轉型之路正在進行中,但在5G取代4G LTE之前還有很長的路要走。目前,大多數使用者使用的是4G和有限的sub-6 GHz 5G服務,但超快速度和低延遲的mmWave網路可望很快地實現。

釋放5G潛力的三大技術挑戰

為了實現5G的低延遲、高頻寬、更快速度和廣泛覆蓋等宏偉目標,主要的營運商和mmWave解決方案供應商正致力於克服這些基本挑戰:

  • 射頻設計:在實現mmWave 5G網路的效能目標時,傳統的高頻射頻(RF)設計方法和昂貴、笨重且效率不佳的天線構成了重大阻礙。
  • 部署成本:為了支援大規模的mmWave網路,大量部署小型蜂巢式基地台和中繼站可能推高5G基礎設施的成本。
  • 傳輸損耗:mmWave頻率可能由於距離、訊號阻擋和非視距(NLoS)等情況,導致更大的傳輸損耗。
  • 複雜性:為了實現更大範圍的mmWave網路,需要波束成形天線和先進的波束管理技術,因而增加了系統的複雜性。

為了加快mmWave網路的大規模部署,營運商和5G設備製造商還必須解決三項技術挑戰:

  • 單支天線在高頻時傳播損耗更高:這是一個眾所周知的技術挑戰,需要經過全面分析且定義明確的解決方案。使用方向可操縱的相控陣列,藉由讓多個小型天線單元同相以打造較大的天線孔徑,能夠克服此一挑戰。
  • 發射和接收之間需要可追蹤的LOS鏈路或反射強的鏈路:在高頻無線電中,折射/衍射性能較差,限制了與LOS路徑或強反射鏡面的鏈路可用性。這也是實現必須隨時隨地可用的mmWave連接之主要限制。
  • 高頻無線電穿透材料導致高透射損耗:相較於sub-6 GHz無線電訊號,mmWave訊號在穿過玻璃、彩色窗戶、磚塊、木材和石膏板等材料傳播時表現出極高的透射損耗。即便是傳統的玻璃窗也可能讓mmWave訊號衰減6dB,而多窗格低幅射(Low-E)玻璃則會導致近40dB的損耗。訊號阻擋可能隨時隨地限制mmWave的可用性。

透過部署大型相控陣列天線,有助於克服第一項關於單支天線的傳播損耗等挑戰。然而,直到最近,對於視線和傳輸損耗問題,仍未能獲得廣泛認同或標準的解決方案。

主動式中繼器解決方案如何運作

接著討論三種5G網路的部署情況,其中,智慧主動式中繼器可望解決LOS鏈路的可用性挑戰:

缺乏LOS或強反射路徑

此部署場景面臨的挑戰包括下一代基地台gNB和終端用戶設備(UE)之間缺少視線或強反射路徑的情況。鑒於高頻的反射傳播特性,自然/被動反射器必須在發射來源和目的地(接收端)之間建立一條鏡像路徑。這種鏡像鏈路的要求進一步限制依靠mmWave鏈路環境中的自然反射器部署場景。

極高的傳輸損耗

此部署情境涉及因gNB和UE之間的訊號遮蔽物體所導致的超高傳輸損耗。例如,透過彩色玻璃窗的傳輸損耗可能高達~40dB,這要在單跳中進行補償是極具有挑戰性的。

無法追蹤變化中的環境和/或反射器

理想情況下,波束追蹤演算法可望追蹤並適應環境、反射器和UE的動作及變化。經證明,環境中的典型變化,如LOS的阻塞或UE方向的變化可能很難在不失去連接的情況下進行追蹤。然而,這還需要額外的補償方法和架構改進,以便為行動和變化的環境提供更穩健、可靠的連接。

主動式中繼器雖然無法透過調整指向gNB和UE的窄波束來追蹤環境或反射器的快速變化,但卻可以在行動裝置附近產生寬波束。一旦產生這些準靜態的寬波束,就不需要立即追蹤行動裝置在位置或方向上的快速變化。

主動式中繼器可以經由設計來提升mmWave鏈路的可用性,並解決LOS的各項挑戰。為了最大限度地減少延遲、成本和複雜性,以「無解調器」(demodulator-less)架構為基礎的中繼器最大限度地提高了可用訊號強度,並省去對傳統解調和再調變技術的需求。

主動式中繼器可以透過時隙、頻率和實體空間或範圍實現多路存取選擇,從而在下列幾種情況下支援多種類型的終端用戶設備:

  • 靜態單波束:中繼器接收覆蓋全頻通道的單一資料串流,並透過可覆蓋所有終端用戶設備的單個窄波束轉發該資料串流(2)。

2:靜態單波束部署範例。

 

  • 切換多波束:中繼器的波束設定是以時隙進行切換。中繼器接收單個資料串流,並透過切換波束重新傳輸資料串流。每個時隙的波束外形與分配給該時隙的終端用戶設備相關(3)。

3:切換多波束部署的範例。 

  • 併發多波束:中繼器可被配置為在覆蓋所有終端用戶設備的多個波束上同時重新發送全頻寬mmWave訊號。

透過重新配置中繼器設備內的波束成形引擎資源,可將主動式中繼器設計成動態支援三種類型的波束。波束重新配置可在安裝或在運作期間重新配置。由於這種多址架構具有可重新配置和動態特性,單個中繼器可支持多種類型的終端用戶設備。

試想一種主動式中繼器的應用情況:在gNB和鏈路的最後一個中繼器之間配置4個跳數,因而將gNB和最後一個中繼器之間的距離擴大到2公里以上。由於每個無解調器的節點不需要進行解調/重新調變,因此在跳數上的延遲或等待時間幾乎為零。當mmWave訊號透過中繼器傳播時,誤差向量振幅(EVM)的逐漸退化的分析顯示,在最後一個中繼器節點上,目標訊號雜訊比(SNR)仍然保持在~23dB。

由於gNB和中繼器之間鏈路的波束配置呈現靜態,因此,在中繼器的波束搜尋和最佳化之複雜性是可控制的。一旦gNB和中繼器之間的波束進行最佳化配置和微調(在通電或低速週期時),只有兩個波束需要動態最佳化配置,例如中繼器和UE之間的波束。這相當於gNB和UE之間的直接鏈路,可實現高效的波束搜尋實務結果。

結論

值得注意的是,部署5G還須顧及更多的商業和終端使用者要求。其中包括升級光纖資料中心,以因應日益增加的流量、資料傳輸和儲存需求,補強5G的高速需求。5G相容裝置是另一個重要的考慮因素,無論是行動裝置還是固定區域網路(LAN),尤其是計劃在固定頻寬中斷時使用5G以確保服務的連續性。

在24GHz至40GHz範圍的5G mmWave網路最適合高頻寬、低延遲的5G連接性。然而,mmWave技術也帶來了訊號傳播、阻塞和路徑損耗方面的挑戰。我們之前已經在衛星電視和Wi-Fi等領域經歷過類似的技術挑戰;現在,可以用附加的接取點、放大器、中繼器和衛星定位等方法來解決這些問題。

同樣地,透過量身打造5G無線電和波束成形天線為一個完整的系統,能夠比起以前更有力地解決mmWave解決方案的效能問題。為了因應此一挑戰,行動通訊技術供應商提供首個mmWave RF前端解決方案、大型相控陣列天線設計和智慧主動式中繼器,實現終端使用者期望5G帶來的高效能、寬覆蓋和高可用性體驗。

服務供應商也與產業合作夥伴展開合作,以更低50%的成本推出室內、戶外和行動增強型5G mmWave服務。諸如Movandi等業界公司已開發出各種解決方案,協助全球5G營運商提高效能和經濟耐用性,從而使部署成本降低一半。

一旦營運商提供必要的升級以及合理的數據上限(狂熱的遊戲玩家和串流媒體玩家可能幾天內就用完每月流量上限),我們就能夠充份享受5G網路了。

(參考原文:How mmWave bolsters real-world 5G networks,by Reza Rofougaran)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年6月號雜誌

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