深入了解 5G 基礎設施

 集成接入和回程 (IAB) 可以為更靈活的密集化策略打開大門，使運營商能夠使用無線回程快速添加新基站。 5G 新空口 (NR) 是增強 5G 無線空中接口的全球標準。 NR 將在低頻段(低於 1 GHz)、中頻段(1GHz 至 6GHz)和高頻段(高於 24GHz 毫米波)提供更快的移動體驗。 在本文中，我們將討論高頻段毫米波頻譜以上的頻率，展示集成接入和回程 (IAB) 如何為更靈活的密集化策略打開大門，使運營商能夠使用無線回程快速添加新基站。 擴大 5G NR 毫米波網絡覆蓋的挑戰 廣泛擴展 5G NR 毫米波網絡覆蓋範圍的一個關鍵挑戰是部署額外毫米波基站的成本。 以下是其他一些主要的移動 5G 毫米波問題以及如何克服這些問題： 這種部署的一個重要方面將需要使用新的無線回程基礎設施進行可靠的回程安裝，從而使毫米波致密化更具成本效益。 將存在路徑損耗限製覆蓋，這將需要許多小型蜂窩部署; 然而，模擬波束成形將有助於克服路徑損耗。 毫米波需要視距 (LOS)，這可能會限製信號傳播。 先進的波束成形和波束跟蹤將通過利用路徑分集和反射來提供幫助。 毫米波僅適用於固定用途。 這裏的解決方案是通過自適應波束控製和切換來克服阻塞的切換。 毫米波需要大尺寸，因為它耗電大，而且在小尺寸中存在熱挑戰。 該解決方案是調製解調器、射頻和天線解決方案，通過智能手機的商業化來滿足外形尺寸和熱限製。 什麼是 5G IAB? 最近，3GPP 提出了一個標準化多跳 IAB 網絡的過程。 本文將概述 3GPP 第 16 版標準提出的多跳 IAB 的主要特性以及這些設計選擇背後的原因。 3GPP 5G 第 16 版引入了 IAB，使基站能夠為設備提供無線接入和無線回程連接，從而無需安裝成本更高的有線回程。 IAB 是指將接入頻譜的一部分用作回程。 部署無線 IAB 與光纖 IAB 的原因 5G 承諾了來自毫米波頻段的高頻的高帶寬能力。但存在一個問題，即高頻部署的覆蓋範圍有限，並且需要更密集的基站布局。這將顯著增加部署成本。造成這一成本的一個主要因素是需要在地下安裝的光纖的部署。 IAB，其中部分無線頻譜用於基站的回程連接而不是光纖，現在成為一種有吸引力的解決方案，可以實現經濟上可行的密集部署。 IAB 的一個主要好處是它可以靈活且非常密集地部署新無線電 (NR) 小區，而無需按比例增加傳輸網絡的密度。我們可以設想廣泛的部署場景，包括支持室外小型基站部署、覆蓋範圍擴展、室內部署和固定無線接入 (FWA)。如圖 1 所示： 圖 1：IAB 用例(Source: Integrated Access Backhauled Networks) 3GPP Release 16 的第一個版本特性： 多跳回程，將允許範圍擴展的靈活性。 服務質量 (QoS) 區分和實施，以便滿足 5G QoS，尤其是在多跳情況下。 支持網絡拓撲適應和冗余連接，可實現最佳回程性能以及快速適應回程無線電鏈路過載和故障。 IAB節點的接入(如UE鏈路)和回程鏈路(到其他網絡節點的鏈路)分別使用相同或不同的載波頻率進行帶內和帶外中繼。 支持 IAB 節點的部署需要對用戶設備 (UE) 透明的傳統終端，因此不需要新的 UE 功能或標準化。 Verizon 的計劃是部署無線 IAB 與光纖 IAB 的一個很好的例子 Verizon 已經接受了 IAB 技術的部署。這很重要，因為到目前為止，運營商正在使用大量光纖連接來回傳來自其 5G 傳輸站點的流量。 考慮到這意味著 Verizon 只能將 5G 天線安裝到能夠接入光纖和電力連接的位置，這是一個成本高昂且可能具有限製性的要求。 通過部署無線 IAB，Verizon 可能會在只有電力而非光纖的位置安裝 5G 發射器，因為無線天線可以通過無線鏈路將其流量回傳到附近的接收器。該接收器很可能需要連接到光纖網絡。 IAB 部署將允許 Verizon 將 5G 天線安裝到鋪設光纖電纜可能困難或昂貴的位置。一個很好的例子是在一組火車軌道上嵌入光纖電纜的困難。 IAB 遠優於當前的無線回程技術，例如使用 60-90GHz E 頻段的技術，因為它不需要單獨的天線用於回程鏈路。正如「集成接入回程」過程中的「集成」術語所示，IAB 既可以支持普通 5G 用戶的無線連接，也可以支持使用同一天線的回程鏈路。 在智慧城市中部署無線 IAB 基礎設施 隨著人們從農村走向城市，城市化正在迅速發展。這給這些城市地區的基礎設施帶來了負擔。智慧城市的部署可能是城市發展的救星，因為它們將減輕這些負擔。 預計 5G 技術將成為一個轉折點，將推動智慧城市技術成為主流，同時加速新的部署。 3GPP NR Release 16 製定了無線 IAB，這是新部署的關鍵部分。 智慧城市是一個框架，主要由信息和通信技術 (ICT) 組成，它使可持續發展實踐能夠應對日益增長的城市化挑戰。 ICT 框架由可以使用無線技術和雲傳輸數據的連接對象和機器的智能網絡組成。智慧城市居民將通過智能手機和移動設備以及聯網汽車和家庭參與智慧城市生態系統。 在整個智慧城市部署許多物聯網 (IoT) 設備將能夠監測和管理環境條件以及基礎設施。這種努力可能代價高昂。智慧城市的生存將取決於降低成本。 智慧城市需要物聯網設備連接到互聯網以訪問來自這些設備的數據。在這裏部署無線 IAB 允許基站為設備提供無線接入和無線回程連接，從而消除對昂貴的有線回程的需求。無線 IAB 還可以更快地部署各種規模的基站，以最及時的方式為社區提供全覆蓋。由於 3GPP rel-16，多跳 IAB 網絡現在變得標準化。 智慧城市還為優化能源分配、改善垃圾收集、減少車輛交通擁堵以及通過真正的無線通信部署從物聯網改善空氣質量提供了基礎設施。 連接的紅綠燈將通過調整燈光節奏的時間來接收來自傳感器和汽車的數據，從而在減少交通擁堵的同時對實時交通做出快速反應。 聯網汽車將與停車計時器和電動汽車 (EV) 充電座無線連接，將駕駛員引導至最近的可用充電區和停車區。 智能垃圾桶將以無線方式將數據發送到廢物管理地點，以優化收集時間。 居民的智能手機變成了帶有數字憑證的移動駕駛執照和身份證，可以更快地訪問城市和當地政府服務。 因此，通過將毫米波頻率上可用的部分大頻譜用於無線回程，IAB 將大大降低 5G 網絡的部署成本，同時實現與光纖部署相當的性能。 期待 5G 第 17 版 圖2：5G3PP Release 17概述(來源:5G3PP) 5G 3GPP 第 17 版(圖 2)有一個新的時間表，由於冠狀病毒導致面對面會議的取消而延遲了進展。 3GPP 在 2021 年下半年恢復面對面會議。好消息是第17版的內容在2019年12月的會議上得到批準。更多詳情，請參閱3GPP網站上同意的第17版時間表。 總結 在本文中，我們探討了擴大 5G NR 毫米波網絡覆蓋範圍這一艱巨任務所面臨的諸多挑戰。 在 5G 3GPP 第 16 版出現之前，光纖是一個最初但成本高昂的選擇，集成接入和回程作為一種非常可行的低成本選擇。我們已經證明，與光纖或任何其他提議相比，無線 IAB 在成本和性能方面是一個更好的解決方案。 Verizon 的解決方案提供了一個很好的例子。 5G 通信部署的一個主要且相對較新的領域是智慧城市。本文展示了無線 IAB 如何成為在 5G 毫米波頻率下具有可比性能的密集部署的完美示例，而無需與每個基站建立更昂貴的光纖連接。