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毫米波：5G部署跳不过的一道坎
2017-09-11 10:02:04 来源 : SDNLAB
中国国际警用装备网讯：5G被业界视为革命性的无线技术，但作为下一代标准基础之一的高频谱要求运营商采用与以前截然不同的方式来构建网络并对之前的蜂窝网络进行升级。
20世纪80年代的第一代移动网络给消费者带来了模拟话音信道（analog voice），90年代集成电路和数字信号处理的出现促使2G的出现，大大提高了网络容量。3G诞生于世纪之交，将移动数据与语音有效结合，用户甚至可以在回复邮件时拨打电话。2010年以后，4G的爆发提高了无线互联网的速度，使得手机能够使用各种各样的桌面应用。
尽管如此，通信行业和客户之间仍然是隔离的。通信行业有有线/互联网服务提供商，有线电视和互联网服务提供商，无线运营商和超高层应用提供商。消费者和企业可以从各种运营商和不同平台上获得连接，这些平台往往不能互相交流。用户在网络中存在巨大的开销，并且运营商需要分配大量资源来处理这些需求，因此信令、计费和设备管理系统应运而生。
对于最终用户来说，5G是连接的应用程序生态系统，每个应用程序将根据所需的任务自适应地管理数据速度、延迟和可靠性。例如，对于需要非常可靠、即时响应的自动驾驶汽车，5G网络将提供最广泛的高密度覆盖、低延迟且加密的通信链路，而不是盲目的为汽车分配100 MHz信道，因为高吞吐量不等于低延迟且可靠的网络覆盖。
对于服务提供商而言，5G将整合通信系统，以满足最终用户的应用需求，如数据、语音、视频、物联网和关键通信。5G将提供更高的吞吐量、超低延迟，大大提高网络容量、可靠性和安全服务。
评判5G网络的标准是什么？一般来说，5G网络架构应该提供：
大容量：4G网络的1000倍超快的数据传输速率，是4G网络的100倍超低延迟，小于1毫秒
为了实现这些目标，网络和用户设备制造商必须创新技术，使网络更高效，并部署新的无线频谱，以支持高带宽的需求。
毫米波用于部署5G
5G所需的高带宽介于800MHz至2GHz之间，能够满足5G部署的频谱是毫米波频谱，当卫星通信开始将Ka频带，26.5GHz部署到40GHz时，伴随着点波束频率的使用，它将通道带宽从54MHz的典型带宽提高到500MHz和2GHz之间。该技术能够实现千兆位IP连接，而这也是5G的需求。
2015年10月，FCC为5G服务分配了三个毫米波频带，这些频带被称为5G业务的前沿频谱，24GHz以上的频谱正在积极调研。
28GHz频带支持850MHz带宽; 37-40GHz频带支持3GHz的带宽，在64-71GHz的无授权频带内支持高达7GHz的带宽。 这些频谱和带宽分配使5G服务成为可能。
毫米波链路传播和链路预算
商用的无线频率（包括wifi）一般都低于6 GHz，很多设计工具可以实现这些频带的特性，但部署毫米波频带可以提供UE（设备）和基站（BS）之间的链路，为此带来了很多的技术挑战。首先要了解的是毫米波路径损耗属性，并构建可预测的数学模型。
为了调查5G的链路行为，路径损耗和链路预算是两大基本要素。
5G链路包括无线传播环境中的视距（LOS）和非视距（NLOS）组件。LOS在60GHz以上是接近但不准确，能够释放空间路径损耗，而NLOS路径损耗显著偏离可用领域。典型的过程是在特定频率和地形上进行传播损耗测量，然后进行曲线拟合找出指数n的损失。组合路径损耗与（发射天线和接收天线之间的距离）is成比例，其中n是指数的丢失，可用在2到4之间。
端到端微波通信需要传播路径和地面上最近的障碍物之间的间隙，由菲涅尔区域理论控制。如果该区域为60％，则为LOS传播。然而，5G网络的天线高度较低，可能会带来显著的传播阻塞。
5G毫米波预算与传统的6GHz以下的无线链路预算有很大的不同，可能会由于降雨、大气吸收、湿度和菲涅耳阻塞而造成额外的损失。
以下是5G链路预算的示例计算，根据小区的频带和类型，可能会有所不同。
接收功率dBm = Tx功率+ Tx天线增益+ Rx天线增益 - 路径损耗 - 降雨（估计2dB / 200m） - 阴影损耗（20至30dB） - 叶面损耗（10至50dB） - 大气吸收 - 地形/ 谦卑 - 菲涅尔阻塞 - 系统利润率
菲涅耳区半径（R）= 17.32×√（d/4f）（d，km，f in GHz）
通过检查上述计算公式，很明显有很多因素都会削弱毫米波的传输，链接预算是任何5G部署团队都需要考虑的领域。
传播损失测量
测量毫米波包括信号发生器，频谱分析仪和两个相控阵/喇叭天线。信号发生器模拟基站，该基站应安装在选定的站点；信号发生器扫描从27.5到28.35GHz的频带；频谱分析仪以一定距离测量接收到的信号。由于信号发生器和频谱分析仪不同步，频谱分析仪必须能够在信号发生器调到下一个频率之前在给定的频率点捕获足够的采样。
同步信号发生器和频谱分析仪有几种方式，如基于定时器的触发器，硬件触发器，或者仅在频谱分析仪上具有峰值保持的自由运行。自由运行不是首选的解决方案，因为它带来了很多错误，将会影响传播模型的准确性。
为了解决这些测量难题，Keysight的FieldFox分析仪具有扩展范围传输分析（ERTA）功能。 它将两个FieldFox分析仪连接在一起; 每个仪器上的触发器同步测量。
在毫米波上部署5G对RF工程师来说是一个挑战，5G毫米波的频率必须具有可靠的通道模型。大规模MIMO和波束成形是5G的重要组成部分，需要早起的广泛测试来促使其部署。
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