毫米波通信部署情形和傳播注意事項(xiàng)

就在幾年前，業(yè)界還在討論在移動(dòng)通信中使用毫米波頻譜的可行性，以及規(guī)劃無線電設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)。短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了很多事情，行業(yè)已經(jīng)從最初的原型制作迅速發(fā)展到成功的現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)在我們即將進(jìn)行首次商業(yè)5G毫米波部署。許多初始部署將用于固定或移動(dòng)無線應(yīng)用，但不久的將來，我們還會(huì)看到真正的毫米波頻率移動(dòng)連接。第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)設(shè)立，技術(shù)正在迅速發(fā) 展，對毫米波系統(tǒng)的部署也進(jìn)行了大量學(xué)習(xí)。雖然我們已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但對于無線電設(shè)計(jì)人員來說，還有諸多挑戰(zhàn)。

我們在開發(fā)技術(shù)時(shí)，務(wù)必了解技術(shù)最終的部署方式。在所有工程實(shí)踐中，都有需要權(quán)衡的地方，而有更多的真知灼見，就會(huì)產(chǎn)生新穎的創(chuàng)新。在圖1中，突出了目前在 28 GHz 和 39 GHz 頻譜中探索的兩種常見情景。

圖1. 5G毫米波部署情形

圖1a

演示了一個(gè)固定無線接入 (FWA) 用例，在此用例中，我們試圖向郊區(qū)環(huán)境中的家庭提供高帶寬數(shù)據(jù)。在這種情況下，基站位于電線桿或塔上，并需要覆蓋大片區(qū)域才能產(chǎn)生積極的商業(yè)案例。在初始部署中，我們假設(shè)覆蓋范圍是室外到室外，是以客戶終端設(shè)備(CPE)安裝在戶外，并且在設(shè)計(jì)鏈接時(shí)確保最佳無線連接。由于天線向下，而用戶固定，可能不需要很大的垂直轉(zhuǎn)向范圍，但發(fā)射功率可能相當(dāng)高，超過65 dBm EIRP，以最大限度地增加覆蓋范圍并利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。

圖1b

展示了一個(gè)密集的城市場景，基站將安裝在建筑物屋頂或正面離地較低的位置，將來可能會(huì)發(fā)展成路燈或其他街道級安裝。無論如何，這種類型的基站將需要垂直掃描功能，以便在整個(gè)建筑物的立面上傳送信號，最終隨著移動(dòng)設(shè)備的出現(xiàn)，向地面上的移動(dòng)用戶（行人和車輛）傳送信號。這種情況下，傳輸功率可能不需要像郊區(qū)那樣高，但是室外向室內(nèi)穿透仍然要面對低輻射玻璃的問題。如圖所示，在光束掃描范圍內(nèi)，無論是水平軸還是垂直軸，我們都需要更大的靈活性?？傊?，沒有萬能的解決方案。部署情形將決定波束合成架構(gòu)，而架構(gòu)將影響射頻技術(shù)的選擇。

現(xiàn)在，我們來看一個(gè)實(shí)際的例子，導(dǎo)出一個(gè)簡單的鏈路預(yù)算來說明毫米波基站的發(fā)射功率要求，如表1所示。與蜂窩頻率相比，附加路徑損耗是毫米波頻率要克服的主要障礙，但障礙物（建筑物、植物、人等）也是另一個(gè)需要考慮的主要因素。

表1. 5G基站示例

近年來出現(xiàn)了大量關(guān)于毫米波頻率傳播的報(bào)道，文章《第五代(5G) 無線網(wǎng)絡(luò)毫米波通信概述——以傳播模型為重點(diǎn)》中對此做了很好地概述。討論并比較了數(shù)種模型，說明了路徑損耗對環(huán)境的依賴性，以及視線(LOS)方案與非視線(NLOS)方案的對比情況。我們通?？梢哉f，考慮到所需的范圍和地形，固定無線部署應(yīng)考慮使用NLOS方案。在所舉示例中，我們考慮在郊區(qū)部署200米范圍的基站。根據(jù)NLOS室外到室外鏈接，我們假定這里的路徑損耗為 135 dB。如果我們嘗試從室外穿透到室內(nèi)，那么路徑損耗可能高 30 dB。相反，如果我們假設(shè)一個(gè)LOS模型，那么路徑損耗可能在110 dB左右。

在這種情況下，我們假設(shè)基站中有256個(gè)元件，CPE中有64個(gè)元件。在這兩種情況下，通過硅實(shí)施均可滿足輸出功率。假定鏈路是不對稱的，這在上行鏈路預(yù)算中起到了一定的緩解作用。在這種情況下，平均鏈路質(zhì)量應(yīng)允許在下行鏈路中進(jìn)行64 QAM 操作，在上行鏈路中進(jìn)行16 QAM操作。如果需要，可以增加CPE 的發(fā)射功率至法定區(qū)域限制，以便改善上行鏈路。如果將鏈路范圍延伸到500米，路徑損耗將增加到大約150 dB。這是可行的，但會(huì)使上行鏈路和下行鏈路上的無線電變得更加復(fù)雜，功耗也將急劇增加。