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5G NR是增強5G空中接口的全球標準，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)提供更快的移動通信體驗。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，使運營商能夠使用無線回傳快速增加新基站。

擴展5G NR毫米波網絡覆蓋范圍會面臨哪些挑戰(zhàn)?

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

? 此類部署的一個重要方面是需要使用新型無線回傳基礎設施進行可靠的回傳安裝，使毫米波密集化更具成本效益。

? 路徑損失會導致覆蓋范圍受限，因而需要部署很多小型蜂窩;不過模擬波束成形技術有助于克服這種路徑損失。

? 毫米波需要視距 (LOS) 傳輸，因此信號傳播會受到限制;不過先進的波束成形和波束跟蹤技術通過利用路徑分集和反射，有助于克服這一問題。

? 毫米波只適用于固定用途;對此的解決方案是通過自適應波束控制和切換的方式來進行傳遞，從而克服阻塞。

? 毫米波設備尺寸較大，因為它耗電量大，小尺寸存在散熱問題;對此的解決方案是借助手機的商業(yè)化來促進研發(fā)滿足尺寸和散熱要求的調制解調器、射頻和天線解決方案。

何為5G IAB?

最近，3GPP提出了一種對多跳IAB網絡進行標準化的流程。本文將概述3GPP第16版標準提出的多跳IAB的主要特征，以及這些設計選擇背后的原因。

3GPP 5G第16版引入了IAB，使基站既能為設備提供無線接入，又能提供無線回傳連接，因而無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。

為何要部署無線IAB而非光纖IAB?

5G所承諾的高帶寬能力來自于毫米波段中的高頻通信，但這里存在一個問題——高頻信號的覆蓋范圍有限，需要更加密集地布設基站，從而使推廣這項技術的成本大幅增加，其中一大主要因素來自于光纖的部署，因為光纖需要布設在地下。

而IAB的思路則是從無線頻譜中分出一部分，取代光纖用于建立回傳連接。這對于實現(xiàn)經濟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)勢在于它可以靈活、高密度地部署NR蜂窩，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，包括支持室外小基站部署、覆蓋范圍擴展、室內部署和固定無線接入 (FWA)，如圖1所示。

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

3GPP第16版標準的第一個版本中包含：

1. 多跳回傳，可實現(xiàn)靈活的范圍擴展。

2. 服務質量 (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. 支持網絡拓撲適應和冗余連接，可實現(xiàn)出色的回傳性能，并且能夠快速適應回傳無線電鏈路過載和故障。

4. 通過對IAB節(jié)點的接入鏈接(如UE鏈接)和回傳鏈接(鏈接到其他網絡節(jié)點)分別使用相同或不同的載波頻率來進行帶內和帶外中繼。

5. 支持需要IAB節(jié)點部署對用戶設備 (UE) 透明的傳統(tǒng)終端，因此不需要新的UE功能或標準化。

Verizon的計劃很好地解釋了為何部署無線IAB而非光纖IAB

Verizon已經決定部署IAB技術。這是一項重要決策，因為到目前為止，該運營商正在使用大量光纖連接來回傳其5G傳輸站點的流量。

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

而部署無線IAB后，Verizon便可將5G發(fā)射器安裝到只有電力而沒有光纖的地方，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，而該接收器很可能可以連接到光纖網絡。

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

相較于目前采用的無線回傳技術，諸如使用60-90GHz E波段的技術，IAB具有顯著優(yōu)勢，因為它不需要為回傳鏈路采用單獨的天線。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用戶的無線連接，也可以通過同一天線支持回傳鏈路。

在智慧城市中部署無線IAB基礎設施

隨著人們不斷離開農村地區(qū)，城市化進程正在迅速推進，這給城市地區(qū)的基礎設施帶來了很大的負擔。部署智慧城市有望減輕這些負擔，從而解決城市發(fā)展中遇到的諸多問題。

根據(jù)預測，5G技術有望成為推動智慧城市技術成為主流，同時加速新部署的轉折點。3GPP NR第16版指定了無線IAB，這是新部署的一個關鍵組成部分。

智慧城市是一個主要由信息和通信技術 (ICT) 組成的架構，它使可持續(xù)發(fā)展實踐能夠應對日益增長的城市化挑戰(zhàn)。

這一ICT架構是由可使用無線技術和云計算傳輸數(shù)據(jù)的互聯(lián)對象和機器的智能網絡所組成的。智慧城市的居民可以通過智能手機、移動設備、網聯(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 (IoT) 設備，便可實現(xiàn)對環(huán)境條件和基礎設施進行監(jiān)測和管理。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)網設備連接到互聯(lián)網，以訪問來自這些設備的數(shù)據(jù)。在這種情況下，部署無線IAB可以使基站既能為設備提供無線接入，又能提供無線回傳連接，因而無需再采用成本高昂的有線回傳。無線IAB還能加快各種規(guī)模基站的部署速度，及時為社區(qū)提供全面的信號覆蓋。在3GPP第16版標準中，多跳IAB網絡也得到了標準化。

智慧城市還可以通過真正的無線通信部署，為優(yōu)化能源分配、改善垃圾集運、減少車輛交通擁堵以及改善空氣質量提供基礎設施。

聯(lián)網的交通信號燈可以通過調整燈光節(jié)奏的時間來接收傳感器和汽車的數(shù)據(jù)，在減少交通擁堵的同時對實時交通做出快速反應。

網聯(lián)汽車可以通過無線方式與停車計時器和電動汽車 (EV) 充電站連接，引導駕駛員前往最近的可以使用的充電停車區(qū)。

智能垃圾桶將以無線方式向廢棄物管理點發(fā)送數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化集運時間。

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

因此，通過使用毫米波頻率的部分可用大頻譜進行無線回傳，IAB將大大降低5G網絡的部署成本，同時實現(xiàn)與光纖部署相當?shù)男阅堋?

展望5G第17版

圖2：3GPP第17版5G標準概覽(圖源：3GPP)

由于新冠疫情影響，許多面對面會議不得不取消或改為線上會議，致使3GPP第17版5G標準(圖2)的制定進度出現(xiàn)了延遲。3GPP希望能夠在2021年下半年恢復面對面會議。好消息是，第17版目前依然維持著2019年12月的會議敲定的內容。有關詳細信息，請參閱3GPP網站上商定的第17版時間表。

結語

在本文中，我們探討了擴展5G NR毫米波網絡覆蓋范圍這一艱巨任務所面臨的諸多挑戰(zhàn)。

光纖是5G回傳最初的選擇，但成本高昂，直至3GPP第16版5G標準出現(xiàn)，使集成的接入和回傳成為了可行性高、成本更低的選擇。我們已經證明，與光纖或任何其他技術相比，無線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很好的例子。

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

作者簡介

Steve Taranovich是紀實著作《真理守護者》(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人員講述的有關阿波羅計劃的真實故事。Steve曾在2012年至2019年期間擔任EETimes/Planet Analog的資深主編以及EDN的高級技術編輯，并負責模擬和電源管理設計中心的運作。他在電路設計和應用領域擁有40年的從業(yè)經驗，并且在工業(yè)領域擁有9年的技術寫作和編輯經驗。他的專長涵蓋模擬電子、空間相關電子、音頻、射頻與通信、電源管理、電氣工程和集成電路 (IC)。Steve Taranovich是一位實力雄厚的媒體和通信專家，1972年獲得紐約大學工程系電子電氣工程學士學位，1989年獲得紐約理工大學電氣工程碩士學位。他曾于1972年到1988年間擔任過8年的音頻電路設計工程師和8年的微波電路設計工程師。