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5G 无线关键技术|带你读《5G无线网络规划与设计》之九

简介: 高频频段可泛指 6 GHz 以上频段,主要针对毫米波频段,该频段频谱资源丰富,易于获得大带宽连续频谱,适用于有极高用户体验速率和小区容量要求的热点区域。但其覆盖能力弱,无法实现连续覆盖,因此,5G 仍然需要依托中、低频段满足覆盖需求,保障网络的连续性和可靠性。

2.7 5G 承载技术

第 3 章 5G 无线关键技术

5G的革新不仅仅表现在高弹性、高性能的网络结构上。为了提升无线侧的传输能力,5G 定义了灵活的物理层资源配置,引入了毫米波、大规模 MIMO、LTE-NR 双连接、上下行解耦等新技术,并进一步扩展了 4G 中的载波聚合技术。本章首先介绍 5G 的频率和物理层定义,然后对多天线技术、LTE-NR 双连接、上下行解耦以及载波聚合的技术原理与 5G 中的具体应用进行阐述。

3.1 5G 频率

3.1.1 5G 频段

思科在 2017 年的预测报告中指出,2021 年全球移动数据流量将比 2016 年增长 7 倍,月流量将达到 49 艾字节。可以预见,移动数据流量爆炸式的增长态势将继续增长至少 10~20 年。频谱资源是移动通信的重要载体,随着无线通信技术的发展和各行各业对无线通信需求的激增,大部分适于地面通信的中低频段的频谱资源已被占用,可用于扩展新业务的资源尤为紧缺。为了获得足够的带宽以满足大容量、高速率的愿景,5G 将高频频段的资源考虑其中,形成了涵盖高、中、低频的全频段移动通信技术。
高频频段可泛指 6 GHz 以上频段,主要针对毫米波频段,该频段频谱资源丰富,易于获得大带宽连续频谱,适用于有极高用户体验速率和小区容量要求的热点区域。但其覆盖能力弱,无法实现连续覆盖,因此,5G 仍然需要依托中、低频段满足覆盖需求,保障网络的连续性和可靠性。
2015 年的无线电通信大会将 5G 正式命名为“IMT-2020”,确定了 5G 为IMT 系列的新成员(IMT 系列还包括 IMT-2000 和 IMT-Advanced,即 3G 和4G)。这意味着,ITU 在《无线电规则》中已明确标注给 IMT 系列使用的频段都可作为 5G 系统的备选频段。除此之外,C 波段由于传播特性较好,同时相对来说更容易获得 100 MHz 以上连续频谱,因此,在 5G 发展的早期便受到了中国、日本、韩国等的青睐。对于 5G 高频段,研究重点主要集中于 24.25~27.5 GHz、37~40.5 GHz、42.5~43.5 GHz、45.5~47 GHz、47.2~50.2 GHz、50.4~52.6 GHz、66~76 GHz 和 81~86 GHz 几个已有移动业务的频段,以及 31.8~33.4 GHz、40.5~42.5 GHz 和 47~47.2 GHz 这 3 个尚未划分给移动业务的频段。
在当前的 R15 版本中,5G NR 频段可分为两个部分:
FR1——450~6 000 MHz,以及 6 GHz 以下的中低频频段;
FR2——24 250~52 600 MHz,也称为毫米波频段。
5G NR 对频段编号方式进行了一些调整,在原有的编号前增加了字母“n”,并新增了 5G 频段。根据 3GPP 在 2018 年 6 月推出的 R15 标准,5G NR 在 FR1和 FR2 上的频段如表 3-1 和表 3-2 所示。其中,表 3-1 中的 n77、n78 和 n79 为新增的 C 波段频段;表 3-2 中的 n257、n258、n260、n261 全部 4 个频段均为新增频段。
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我国在 2016 年 8 月发布的《国家无线电管理规划(2016—2020 年)》中明确表示,将“适时开展公众移动通信频率的调整重耕,为 IMT-2020(5G)储备不低于 500 MHz 的频谱资源”。
2017 年,工业和信息化部已明确使用 3.3~3.6 GHz 和 4.8~5.0 GHz 作为我国 5G 中频段,并批复了 24.75~27.5 GHz 和 37~42.5 GHz 高频段用于 5G 技术研发试验。这样可确保未来每家运营商在 5G 中频频段上至少可获得 100 MHz带宽,在 5G 高频频段上至少可获得 2 000 MHz 带宽。

3.1.2 毫米波

相比于中低频段,毫米波资源较为丰富,易于获得连续的大带宽,可为用户提供高速率的传输服务。现有的 LTE 系统工作于低于 6 GHz 频段,单载波最大带宽为 20 MHz;5G NR 在低于 6 GHz 频段上单载波最大带宽为 100 MHz。但是,由于运营商获得的频谱资源有限,同时需要考虑成本,因而通常很难实现以最大载波带宽为用户服务。在毫米波频段,5G NR 定义的最大载波带宽高达 400 MHz,数据速率可达到 10 Gbit/s 量级。可见,毫米波对实现 5G 愿景具有重要的意义。
毫米波一般被认为是 30~300 GHz 频段(波长 1~10 mm),介于微波与红外波之间。这个界定并没有统一的标准,5G 确定 FR2 的范围为 24.25~52.6 GHz,通常也被称为毫米波频段。20 世纪 40 年代,科学家曾对毫米波通信进行过研究,但并未能推广到实际应用中。这是因为,一方面毫米波的传播损耗大、传输距离短,不满足当时的应用需求;另一方面毫米波通信需要亚微米尺寸的集成电路元件,硬件成本过高。直至 20 世纪 70 年代,业界成功研制出了毫米波集成电路和固体器件,并实现批量生产。随着生产技术的成熟,毫米波通信的成本日趋下降,使得毫米波再次受到青睐。最新的 Wi-Fi 标准 802.11ad 引入了60 GHz 的工作频段。
毫米波在空气中的传播具有如下主要特质。
(1)一种典型的视距传输方式。
毫米波属于甚高频段,它以直射波的方式在空间进行传播,波束很窄,具有良好的方向性。一方面,由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重,所以单跳通信距离较短;另一方面,由于频段高,干扰源很少,所以传播稳定可靠。因此,毫米波通信是一种典型的具有高质量、恒定参数的无线传输信道的通信技术。
(2)具有“大气窗口”和“衰减峰”。
“大气窗口”是指 35 GHz、45 GHz、94 GHz、140 GHz、220 GHz 频段,在这些特殊频段附近,毫米波传播的衰减较小。一般来说,“大气窗口”频段比较适用于点对点通信,已经被低空空地导弹和地基雷达所采用。而在60 GHz、120 GHz、180 GHz 频段附近的衰减出现极大值,约高达 15 dB/km 以上,被称作“衰减峰”。通常这些“衰减峰”频段被多分集的隐蔽网络和系统优先选用,用以满足网络安全系数的要求。
(3)降雨时衰减严重。
与微波相比,毫米波信号在恶劣的气候条件下,尤其是降雨时的衰减要大许多,严重影响传播效果。经过研究得出的结论是,毫米波信号降雨时衰减的大小与降雨的瞬时强度、距离长短和雨滴形状密切相关。进一步验证表明:通常情况下,降雨的瞬时强度越大、距离越远、雨滴越大,所引起的衰减也就越严重。因此,应对降雨衰减最有效的办法是在进行毫米波通信系统或通信线路设计时,留出足够的电平衰减余量。
(4)对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力。
大气激光和红外对沙尘与烟雾的穿透力很差,而毫米波在这点上具有明显的优势。大量现场试验结果表明,毫米波对于沙尘和烟雾具有很强的穿透力,几乎能无衰减地通过沙尘和烟雾。甚至在由爆炸和金属箔条产生的较高强度散射的条件下,即使出现衰落也是短期的,很快就会恢复。随着离子的扩散和降落,不会引起毫米波通信的严重中断。
从上述特质看,毫米波似乎并不适用于移动通信系统。幸运的是,毫米波可很好地与大规模 MIMO 结合,能够借助天线增益和先进的波束赋形技术显著
地提高覆盖能力。为了规避波形叠加导致的信号畸变,天线系统中天线振子间一般保持半波长以上的距离。可见波长越长天线尺寸越大。毫米波波长较短,
可在有限尺寸内集成大规模天线振子。随着天线阵子数量的增加,工作于毫米波频段的大规模天线阵列可获得更高的天线增益,从而在一定程度上补偿毫米
波的高传输损耗。另外,由于阵子数量多,基于毫米波的大规模 MIMO 可在相同时频资源下实现更多流的数据传输,成倍提升小区容量和频谱利用率。
2017 年 12 月,华为联合 NTT DoCoMo 在日本横滨市开展了工作于 39 GHz的 5G 毫米波外场测试。测试中,结合波束赋形带来的增益,在宏蜂窝覆盖的场景中实现毫米波的远距离传输。在测试终端静止的场景下,终端在距离测试基站 1.5 km 处可获得超过 3 Gbit/s 的下行传输速率,在 1.8 km 处可获得 2 Gbit/s的下行传输速率。在测试终端移动的场景下,依托于快速波束跟踪和切换、快速波束搜索等线性波束管理技术,成功实现了在距离基站 1.5 km 处高达 2 Gbit/s的下行传输速率。
结合 5G 关键技术和目标应用,毫米波在 5G 系统中的主要应用包括热点覆盖、固定无线接入(FWA)和无线回传。
(1)热点覆盖。
相比于宏小区的广覆盖,毫米波更适合于微小区的小规模覆盖,特别是针对热点区域的覆盖。微小区覆盖半径小,覆盖区域环境比较单一,视距传输的可能性较大,较适用于毫米波的传播。另外,毫米波信号传播距离短,因而对相邻小区的干扰较小,即使在密集网络中也能得到较高的网络性能。最后,由于宏基站通常工作在低频频段上,因而与基于毫米波的微小区之间不会产生同频干扰,可共同构建高性能的异构网络。
(2)固定无线接入(FWA)。
毫米波可用于 5G FWA,用于替代光纤“最后一公里”。在光纤到户的建设中,“最后一公里”接入是公认的难题。其原因包括环境复杂、物业阻挠、二次施工难度大、后期维护成本高等。FWA 由于采用无线接入,建设成本和维护成本低、部署敏捷,尤其适用于光纤还未到户的家庭和中小型企业。毫米波带宽资源丰富,能够提供极高的无线传输速率,尤其适合 FWA 应用。此前,爱立信在一个郊区场景下对 FWA 进行了测试,工作频段为 28 GHz,带宽为200 MHz,采用 8×12 交叉极化天线单元。试验结果表明,在网络低负荷的情况下,区域内大部分用户的数据速率超过 800 Mbit/s,只有 11%的用户数据速率低于 400 Mbit/s。而在该区域满足 25%的家庭使用 4K 超高清视频服务的网速仅为 15 Mbit/s。可见基于毫米波的 5G FWA 足以代替“最后一公里”光纤满足家庭用户的未来需求。
(3)无线回传。
毫米波可用于基站间的回传。基站间回传对实现基站间工作、为用户(特别是边缘用户)提供高服务体验起到决定性的作用。采用光纤回传虽然能够提高回传的效率,但造价过高、投资回报率低。无线回传的造价低、建设快,并且部署灵活,受到广泛关注。与移动通信系统相同,可用于无线回传的频段同样需要遵守 ITU 制定的规则,因而可选频段有限。如果无线回传与基站工作在相同频段上,为避免相互之间的干扰必将导致系统频谱利用率的降低。利用毫米波作为无线回传的载体,可以很好地解决上述问题,同时借助于大规模 MIMO构建高速率的回传链路,助力于实现基站间协同合作。

3.1.3 提高频谱效率的解决方案

5G 在原有 ITU 标注给 IMT 系统的频谱资源的基础上增加了 C 波段和毫米波波段的频谱资源,然而 5G 的频谱需求仍然面临巨大缺口。ITU 曾经预测,到 2020 年,国际移动通信频率需求将达到 1 340~1 960 MHz,届时中国的移动通信系统的频率需求将为 1 490~1 810 MHz,频谱缺口达 1 000 MHz。工业和信息化部为 5G 分配的频段,再加上对 2G、3G、4G 频段的重耕,仍然难以填补频谱缺口。对频谱的划分和深耕仍在持续进行中,与此同时,提升频谱效率作为解决频谱资源稀缺问题的另一重要手段也受到了普遍重视。
基于目前的研究现状,提升频谱效率的主要解决方案有动态频谱接入、全双工通信、密集网络、设备间通信(D2D,Device to Device)和新空口设计等。
动态频谱接入是指分配给用户的频谱资源可根据具体条件动态调整,多制式接入、载波聚合和授权辅助接入(LAA,License Assisted Access)等都可以看作动态频谱接入解决方案。多制式接入以控制面与用户面分离为基础,在保证服务质量的前提下,用户可在多种接入制式(如 LTE、NR、Wi-Fi 等)之间灵活地选择和切换,从而提升频谱利用率;载波聚合可将多个连续或不连续的载波聚合起来,同时为单个用户提供服务,既可以满足用户的高速传输需求,又提升了碎片频谱的使用率;LAA 侧重于对非授权频段的运营,令其作为授权频段的补充,可有效提升用户体验,并增强非授权频段的利用率。
密集组网是指在宏基站覆盖范围内增加大量小功率基站,构建多层网络以满足目标区域内的流量需求。结合有效的干扰管理策略,密集网络可利用空间复用和分集增益提升网络吞吐量,从而实现频谱效率的提升。
全双工技术可节省半双工中发射和接收的频谱保护间隔,消除 FDD 和TDD 两种双工模式的差异性,能够极大地提高频谱使用的灵活性,从而提高频谱的使用效率。
D2D 通信即相邻终端使用授权频谱直接通信,传输的用户面数据不通过基站。D2D 通信中的终端设备距离短,通常不会对小区内其他终端的通信产生严重干扰。由于数据传输未经过基站,因此,D2D 通信可有效减轻网络阻塞的概率和基站负载、增加系统容量,是提高频谱效率的有效手段之一
频谱资源的精细化管理也是提升移动通信系统频谱效率的有效手段。动态、精确的资源分配策略一直是无线通信领域的重要研究方向。如果能够根据实时的网络状态动态地分配资源,将会获得极高的资源使用效率,进而极大地提升网络性能。然后,无线信道的时变特性以及移动通信系统的日益复杂化,使得动态资源分配算法过于复杂,不能实现。如何在算法性能和计算复杂度之间进行合理的折中,需要进行进一步的深入研究。

3.2 5G 物理层

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