Pre-5G和5G：毫米波频段能如愿工作吗？

Pre-5G and 5G: Will The mmWave Link Work?

Andreas Roessler，罗德与施瓦茨公司，德国慕尼黑

任何下一代移动通信技术必须要提供比上一代更好的性能。例如，由于从3G到4G的过渡，理论峰值数据速率从大约2Mbps跳到150Mbps。随后，LTE-Advanced Pro达到了Gbps的峰值数据速率，最近已在演示1.2Gbps的数据速率¹。在最近由高通和诺基亚联合发起的关于5G的调查中²，有86%的参与者声称他们需要或希望在下一代智能手机上实现更快的连接。这次调查得出的结论是数据速率一直是技术演进的推动力。

但是5G不仅是追求更高的数据速率。这个下一代标准可以满足的各种应用需求一般可按所谓的“应用三角形”分类（图1）。追求更高的数据速率和更大的系统容量被归纳为增强型移动宽带（eMBB）。超可靠低延迟通信（URLLC）是另一个主要驱动因素，最初的重点是低延迟。所要求的更低延迟影响整个系统架构-核心网和协议栈，包括物理层。为了启动新的服务和垂直市场，如增强/虚拟现实、自动驾驶和“工业4.0”，需要低延迟。此三角形以大规模机器类通信（mMTC）结束。然而，最初的标准化工作主要集中在eMBB和URLLC上。所有这些应用有不同的要求，要采用不同方法优先排序它们的关键性能指标。这提出了一个挑战，因为这些不同的要求和优先权必须以“一刀切”的技术同时解决。

图1、IMT-2020定义的5G应用场景。

Pre-5G与5G

在标准化组织（如第三代合作伙伴计划（3GPP））内定义一个“一体适用”技术需要花费很长时间。数百家公司和组织都在贡献建议，推荐应对5G挑战和要求的方案。要讨论和评估这些提案，最后决定如何实施。在定义解决无线接入网、空中接口和核心网的新技术和新标准之初，制定过程可能相当耗时，一些网络运营商没有时间等待。

通常情况下，一种应用问题得到解决时，同时形成标准，它只针对一种场景。使用免授权频谱的LTE（LTE-U）是4G中的一个例子。目标是轻松使用免授权5GHz ISM频段的较低和较高部分来创建更宽的数据管道。大约15个月后，3GPP延续自己的思路，颁布称为授权辅助访问（LAA）的嵌入式标准方法。5G也不例外。固定无线接入（FWA）和将在全球体育赛事韩国平昌2018年冬奥会提供的“5G服务”，是5G讨论中的两个例子。在这两个例子中，定制的标准是由相关网络运营商及其行业合作伙伴开发的。这两个标准都是基于LTE标准（由3GPP制定的标准）和它发布的第12版技术规范，支持更高的频率、更宽的带宽和波束赋形技术。

以固定无线接入为例。这一需求背后的网络运营商是美国服务提供商Verizon Wireless。今天的服务提供商不仅提供传统的有线通信和无线服务；它们还支持到家庭的高速互联网连接，并通过这些连接扩展到提供内容服务。

Verizon最初实现“最后一英里”到家庭的方法是光纤到户（FTTH）。Verizon在一些市场上将该业务出售给其它服务提供商，如Frontier Communications。³为了强化它的业务模式，Verizon正在开发自己的无线技术，用于连接到家庭的高速互联网。为了形成竞争力并保持未来的发展，Gbps连接是必要的，胜过今天采用LTE-Advanced Pro能实现的。

无线链路能提供多大的数据速率取决于4个因素：调制、可实现的信噪比（SNR）、可用带宽以及是否使用多输入多输出（MIMO）天线技术。从90年代初到2000年，无线行业对其标准进行了优化从而提高了信噪比，进而提高了数据速率。在世纪之交，随着互联网的成功，这已无法满足需求；3G的带宽增加到5MHz。

从4G开始，引入更宽的带宽——高达20MHz，同时引入2×2 MIMO。今天，使用高达256-QAM的更高阶调制、8×8 MIMO和捆绑多个不同频段载波的载波聚合（CA），峰值数据速率已达到1.2Gbps。要想进一步提高数据速率，尤其是对于使用固定无线接入的情况，更宽的带宽必不可少。这个带宽，在今天的无线通信“热门频段”（450MHz和6GHz之间）上不可能实现。更大的带宽仅能在厘米波和毫米波的更高频率上获得。但是没有免费的午餐。频率升高会带来它自己的挑战。

高频率的挑战

从自由空间传播损耗（FSPL）公式可见，频率增加路径损耗随着增加。波长（λ）和频率（f）通过光速（c）关联，即：λf=c，并且随着频率的增加，波长会缩短。这产生两个主要影响。首先，随着波长的缩短，两个天线单元之间所需的间隔（通常为λ/2）减小，这使得实际天线阵列具有多重天线单元。天线阵列的阶数越高，能够聚焦在特定方向上发射的能量越多，因而系统可以克服使用厘米波频率和毫米波频率带来的较高路径损耗。第2个影响涉及传播。在低于6GHz场景，衍射通常是影响传播的主要因素。在更高频率，波长太短以至于它们与表面的相互作用加大，散射和反射对覆盖的影响更大。

毫米波频率还要挑战移动性。移动性取决于由下式定义的多普勒频移f_d：

f_d=f_cv/c

式中，f_c是载波频率，v是系统支持的期望速度。多普勒效应直接与相干时间T_coherence有关，可以近似估计为：

T_coherence≅1/(2f_d)

相干时间定义为无线电信道可以假设为恒定的时间，即，其性能不随时间变化的时间。这个时间影响接收机中的均衡过程。如图2所示，相干时间随着速度的增加而减小。例如，为了以100km/h速度移动并将链路维持在2.3GHz载波频率上，相干时间约为2ms。这意味着可以假设无线电信道性能2毫秒内不变。根据奈奎斯特定理，采用2ms时间间隔，需要在此信号中嵌入2个参考符号，以便正确重建信道。图2显示在较高频率下相干时间减少。对于毫米波频率，多普勒频移在步行速度时已经是100Hz，并且随着速度的增加而增加。因此，相干时间显著减少，使得在高移动性场景下使用厘米波和毫米波频率效率低下。这就是为什么3GPP最初将5G新空口（5G NR）标准化的重点放在所谓的非独立（NSA）模式上，使用LTE作为控制和信令信息交换以及移动性的锚定技术。使用固定无线接入，移动性不是必需的，所以Verizon的技术方案可以完全依靠毫米波频率，结合网络和所连接设备间的控制和信令信息交换。

图2、低于6GHz的三种载频的相干时间与速度。

28GHz链路预算

如前面解释的，采用天线阵列和波束赋形技术能够将毫米波频率用于无线通信。Verizon在2016年将美国联邦通讯委员会（FCC）分配的28GHz频段作为5G频谱⁴，使用的带宽高达850MHz。随着2015年收购XO通信公司⁵， Verizon获得使用28GHz频段许可证，计划使用这些28GHz频段初步推出自己的Pre-5G标准，并将这些归纳在5G技术论坛（5G Technical Forum，V5GTF）名下⁶。

从运营商的角度来看，新技术的可行性取决于由商业模式给出的可实现商业案例。商业案例受两个主要因素影响：所需的资本支出（CAPEX），其次是运营和维护网络的成本（简称OPEX）。CAPEX由所部署的小区站点数量决定，这取决于要求达到的小区边缘性能（即小区边缘处要达到的数据速率）和可实现的覆盖范围。厘米波和毫米波能够使用波束赋形，这有助于克服较高的路径损耗，但与低于6GHz的频率（用于无线通信的主要频谱）相比，覆盖范围仍然有限。

为确保足够的覆盖范围，链路预算分析至关重要。考虑采用100MHz载波带宽的28GHz频段，首先计算接收机灵敏度限值。热噪声电平为-174dBm/Hz，需要根据5GTF标准规定，调整到支持的每个分量载波100MHz带宽。在此计算中，接收机使用的典型噪声系数为10dB，这使得总接收机灵敏度限值为-84dBm/100MHz（表1）。接下来，确定预期的路径损耗。自由空间路径（传播）损耗基于在理想条件下的视线（LOS）连接。真实情况并非如此。在教育机构的帮助下，各公司开展了广泛的信道探测测量活动，形成了描述不同环境传播的信道模型，并预测了预期的路径损耗。它们通常用于视线（LOS）和非视线（NLOS）类型的连接。对于固定无线接入，通常使用非视线连接模型。在初期，Verizon及其行业合作伙伴使用它们自己的信道模型，尽管3GPP正在为标准化5G NR制定信道模型。当然，这些模型之间存在不同。对于这里要考虑的链路预算分析，使用最早的可用模型之一⁷。

假设为市区宏小区（UMa）部署场景，图3显示了在28GHz频段，与自由空间传播损耗相比，视线连接和非视线连接的预期路径损耗。从运营商的角度来看，大的小区间站点距离（ISD）更为理想，因为ISD越高，所需的小区站点越少，资本支出越低。但是，可实现的ISD由链路预算决定。各种出版物显示，1000米的ISD是部署目标。这样的ISD对视线连接的路径损耗至少为133dB，而对于使用ABG（Alpha Beta Gamma）信道模型的非视线连接的路径损耗为156dB。下一步是确定需要的小区边缘性能，即需要的数据速率。每个载波的数据速率取决于调制、MIMO方案和可实现的信噪比。例如，典型要求是，实现2bps/Hz的频谱效率，即对于100MHz宽的信道，提供200Mbps数据速率。为此，需要大约8dB的信噪比，这进一步增加了接收机灵敏度限值。然而，由于接收机正在使用天线阵列，可获得波束赋形增益，波束赋形增益由单个天线单元的增益和天线单元的总数决定。

图3、28GHz路径损耗与小区分离，使用ABG信道模型，针对市区宏小区部署将自由空间传播损耗（FSPL）与视线（LOS）连接和非视线（NLOS）连接相比较。

在5G发展的初期，接收端波束赋形总增益的较好近似值是17dBi。基于估计的路径损耗，可以确定所需的总等效全向辐射功率（EIRP）和所需的传导发射功率。根据上述计算，发射端所需的总EIRP在40和63dBm之间（表2）。在5G远端射频头上使用更大的天线阵列会产生更大的波束赋形增益是合理的假设。表3提供的是理想计算：需要提供多大的传导功率才能提供需要的EIRP（17至40dBm）。对于毫米波器件，这些都是高输出功率，设计功率放大器和所需的电路来驱动射频前端和天线阵列是业界面临的挑战。由于不是所有基片都能提供如此高的输出功率，因此行业内设计这些射频器件的公司间将面临一场方法之争。其中一个挑战是为器件提供可接受的加电效率以处理散热。

基于这个分析，在下行链路方向建立一条采用1000米ISD的适用通信链路是可能的。但是，前几代的无线技术都是上行链路功率受限的，5G也不例外。表4显示了假设最大设备传导功率为+23dBm和假设采用16单元天线阵列客户端设备（CPE）路由器时的上行链路预算。根据路径损耗和假设的信道模型，可以计算出跨越相当大范围（即-9至+14dB）的链路余量。当然，低于零的任何值都指出该链路不会被关闭。基于这些相当理想的计算，可以得出结论，如果采用1000m ISD，在毫米波频率上的上行链路存在问题。

由于这个原因，3GPP定义了5G NR用户设备（UE）功率等级，它允许高达+55dBm的总EIRP⁸。美国目前的规定允许设备有如此高的EIRP，但不能出现在手机中⁹。并且，实现这个EIRP本身就是一个技术挑战，可能在很晚的时候才会上市。从这个角度看，服务提供商应该考虑在其商业案例中使用更短的ISD。目前各种会议上的文献和报告表明，正在为这个出现在美国的无线电设备规划250米或更小的小区。现在，需要确定的是：是否更短的ISD（如250米）能够满足5G毫米波固定无线接入商业案例的要求。

5GTF展望

Verizon 5G标准使用3GPP LTE标准提供的既有架构。载波频率向上移动，在较高频率上分解增加的相位噪声，这些需要更宽的子载波间隔来克服将产生的载波间干扰（ICI）。Verizon标准使用75kHz而不是15kHz。表5给出了所有主要物理层参数的比较。

在确定5G网络覆盖时，应当理解几个物理信号。与LTE相比，在Verizon的5G标准中，同步信号（PSS和SSS）以频分复用（FDM）技术发射，而LTE采用时分复用（TDM）技术。而且，引入了新的同步信号，扩展同步信号（ESS）有助于识别正交频分复用（OFDM）符号时序。图4给出了包含在特殊子帧0和Z5中的同步信号（SSS、PSS、ESS）的映射；它们被波束赋形参考信号（BRS）和扩展物理广播信道（xPBCH）包围。

图4、5GTF同步和波束赋形参考信号。

设备在开始接入过程中使用这些同步信号确定要连接到哪个5G基站，然后使用波束赋形参考信号（BRS）来评估接收可用波束赋形信号中的哪一个。该标准允许发射一定数量的波束，具体数量取决于BRS的发射周期。这个信息通过xPBCH提供给设备。在其基本形式中，每个OFDM符号发射一个波束；然而，使用正交覆盖码（OCC）允许每个OFDM符号发射多达8个波束。根据所选的BRS发射周期——有4个选项：1个时隙，1个、2个或4个子帧——可以发射多个波束，客户端设备在这些波束上执行信号质量测量。基于对这些所接收BRS的信号功率（BRSRP）的测量，客户端设备将维持一组8个最强波束，并将4个最强波束报告回网络。一般而言，相同的原则适用于确定现有4G LTE技术的覆盖范围。接收机（网络扫频仪）首先扫描期望的频谱，所讨论情况是28GHz，获取同步信号以确定由PSS和SSS提供的初始定时和物理小区ID。ESS协助识别OFDM符号时序。下一步是对BRS执行与客户端设备所做的相同的质量测量，以确定谁有最好的接收选项，以及保持并显示一组8个最强接收到的波束。

考虑到早期5G采用者的激进时间表，罗德与施瓦茨公司设计了一款原型测量系统，该系统使用覆盖直到6GHz频段的超小型路测扫频仪。这个频率范围可以使用下变频方法扩展：可以将在28GHz上发射的多达8个100MHz宽分量载波下变频到能由该路测扫频仪处理的中频范围。整个解决方案集成在电池供电的背包中，从而可在办公大楼中进行现场覆盖测量。图5显示该装置及配件，图6显示在居民区步行测试中使用该扫频仪。

图5、罗德与施瓦茨公司5GTF覆盖测量系统。

图6、在现场使用罗德与施瓦茨公司的测试系统。

测量结果的示例如图7所示。在右侧屏幕中，绘制了所有检测到的载波（Physical Cell Identity, PCI）的8个最强波束，包括发现的波束索引。顶部的2个值显示PCI和波束索引。这些波束是根据针对BRS，而不是BRSRP，测得的最佳载波干扰噪声比（CINR）组织起来的。在屏幕的顶部，用户可以输入具体的PCI，并在实际的测量位置识别该载波的8个最强波束。此外，扫频仪确定发射来的波束的OFDM符号以及使用了哪个OCC。基于测得的BRS的CINR，用户可以预测特定测量位置处的可能吞吐量。

图7、5GTF覆盖测量举例。

接下来是测得的同步功率和同步信号的CINR。在移动网络中，基于CINR，设备将确定检测到的小区是否是要驻留的小区。这通常根据定义为最小CINR（该最小CINR基于同步信号确定）的阈值来确定。对于LTE来说，这是-6dB，对于此“Pre-5G”，有待正在进行的现场试验做出评估。在Verizon的5GTF标准中，同步信号在14个天线端口上发射，最终这些信号将指向特定的方向。因此，应用程序会测量并显示同步信号功率、CINR以及识别出的天线端口。

总结

正如本文多次提及的，在固定无线接入应用场景中使用毫米波频率的商业案例是成功还是失败，取决于链路预算是否可以在可负担得起的ISD上实现。在部署5G固定无线接入网时，网络设备制造商和服务提供商需要在实施网络优化前，用优化工具来确定实际的覆盖范围。

参考文献

1.        www.rohde-schwarz.com/us/news-press/press-room/press-releases-detail-pages/rohde-schwarz-and-huawei-kirin-970-demonstrate-1.2-gbps-press_re-leases_detailpage_229356-478146.html.

2.        www.qualcomm.com/documents/5g-consumer-survey-key-motivations-and-use-cases-2019-and-beyond.

3.        www.businesswire.com/news/home/20160401005508/en/Frontier-Communications-Completes-Acquisition-Verizon-Wireline-Operations.

4.        www.wirelessweek.com/news/2016/07/fcc-unanimously-opens-nearly-11-ghz-spectrum-5g.

5.        www.ficewireless.com/wireless/veri-zon-confims-xo-spectrum-28-ghz-and-39-ghz-bands-will-be-used-5g-tests.

6.        www.5gtf.org.

7.        Propagation Path Loss Models for 5G Ur- ban Micro and Macro-Cellular Scenarios, May 2016, arxiv.org/pdf/1511.07311.pdf.

8.        www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG4_Radio/TSGR4_84Bis/Docs/R4-1711558.zip.

9.        apps.fcc.gov/edocs_public/attach-match/DOC-340310A1.pdf.