深入了解5G基础设施

　　图源：NicoElNino/Shutterstock.com

　　5G NR是增强5G空中接口的全球标准，可在低频段（低于1GHz）、中频段（1GHz至6GHz）和高频段（高于24GHz的毫米波）提供更快的移动通信体验。本文中，我们将探讨高频段毫米波频谱以上的频率，展示接入回传一体化 （IAB） 如何为更灵活的密集化策略打开大门，使运营商能够使用无线回传快速增加新基站。

　　扩展5G NR毫米波网络覆盖范围会面临哪些挑战？

　　要显著扩展5G NR毫米波网络的覆盖范围，面临的一项重大挑战是额外部署毫米波基站的成本。下面列出的是移动5G毫米波面临的其他一些主要问题以及克服这些问题的方法：

• ?此类部署的一个重要方面是需要使用新型无线回传基础设施进行可靠的回传安装，使毫米波密集化更具成本效益。

• 路径损失会导致覆盖范围受限，因而需要部署很多小型蜂窝；不过模拟波束成形技术有助于克服这种路径损失。

• ?毫米波需要视距 （LOS） 传输，因此信号传播会受到限制；不过先进的波束成形和波束跟踪技术通过利用路径分集和反射，有助于克服这一问题。

• 毫米波只适用于固定用途；对此的解决方案是通过自适应波束控制和切换的方式来进行传递，从而克服阻塞。

• 毫米波设备尺寸较大，因为它耗电量大，小尺寸存在散热问题；对此的解决方案是借助手机的商业化来促进研发满足尺寸和散热要求的调制解调器、射频和天线解决方案。

　　何为5G IAB?

　　最近，3GPP提出了一种对多跳IAB网络进行标准化的流程。本文将概述3GPP第16版标准提出的多跳IAB的主要特征，以及这些设计选择背后的原因。

　　3GPP 5G第16版引入了IAB，使基站既能为设备提供无线接入，又能提供无线回传连接，因而无需再安装成本更高的有线回传。所谓IAB，就是将接入频谱的一部分用于回传连接。

　　为何要部署无线IAB而非光纤IAB?

　　5G所承诺的高带宽能力来自于毫米波段中的高频通信，但这里存在一个问题——高频信号的覆盖范围有限，需要更加密集地布设基站，从而使推广这项技术的成本大幅增加，其中一大主要因素来自于光纤的部署，因为光纤需要布设在地下。

　　而IAB的思路则是从无线频谱中分出一部分，取代光纤用于建立回传连接。这对于实现经济上可行的密集部署而言是非常具有吸引力的。

　　IAB的一大优势在于它可以灵活、高密度地部署NR蜂窝，而无需按比例增加传输网络的密度。我们可以设想广泛的部署场景，包括支持室外小基站部署、覆盖范围扩展、室内部署和固定无线接入 （FWA），如图1所示。

　　图1：IAB的用例（图源：Integrated Access Backhauled Networks）

　　3GPP第16版标准的第一个版本中包含：

　　1. 多跳回传，可实现灵活的范围扩展。

　　2. 服务质量 （QoS） 的区分和执行，以便满足5G QoS，尤其是在多跳的情况下。

　　3. 支持网络拓扑适应和冗余连接，可实现出色的回传性能，并且能够快速适应回传无线电链路过载和故障。

　　4. 通过对IAB节点的接入链接（如UE链接）和回传链接（链接到其他网络节点）分别使用相同或不同的载波频率来进行带内和带外中继。

　　5. 支持需要IAB节点部署对用户设备 （UE） 透明的传统终端，因此不需要新的UE功能或标准化。

　　Verizon的计划很好地解释了为何部署无线IAB而非光纤IAB

　　Verizon已经决定部署IAB技术。这是一项重要决策，因为到目前为止，该运营商正在使用大量光纤连接来回传其5G传输站点的流量。

　　光纤回传不仅成本高昂，还可能存在诸多限制，因为Verizon只能将5G天线安装到能够接入光纤和电力连接的地方。

　　而部署无线IAB后，Verizon便可将5G发射器安装到只有电力而没有光纤的地方，因为无线天线可以通过无线链路将其流量回传到附近的接收器，而该接收器很可能可以连接到光纤网络。

　　借助IAB部署，Verizon可以将5G天线安装到光缆铺设难度过大或成本过高的地方，例如在一组火车轨道上埋设光缆就是一件很困难的事情。

　　相较于目前采用的无线回传技术，诸如使用60-90GHz E波段的技术，IAB具有显著优势，因为它不需要为回传链路采用单独的天线。正如“接入回传一体化”中的“一体化”一词，IAB既可以支持普通5G用户的无线连接，也可以通过同一天线支持回传链路。

　　在智慧城市中部署无线IAB基础设施

　　随着人们不断离开农村地区，城市化进程正在迅速推进，这给城市地区的基础设施带来了很大的负担。部署智慧城市有望减轻这些负担，从而解决城市发展中遇到的诸多问题。

　　根据预测，5G技术有望成为推动智慧城市技术成为主流，同时加速新部署的转折点。3GPP NR第16版指定了无线IAB，这是新部署的一个关键组成部分。

　　智慧城市是一个主要由信息和通信技术 （ICT） 组成的架构，它使可持续发展实践能够应对日益增长的城市化挑战。

　　这一ICT架构是由可使用无线技术和云计算传输数据的互联对象和机器的智能网络所组成的。智慧城市的居民可以通过智能手机、移动设备、网联汽车和智能家居等多种方式参与到智慧城市生态系统中。

　　在智慧城市中广泛部署物联网 （IoT） 设备，便可实现对环境条件和基础设施进行监测和管理。但这样做的成本可能非常高昂。智慧城市能否生存下去，将取决于能否降低成本。

　　智能城市需要物联网设备连接到互联网，以访问来自这些设备的数据。在这种情况下，部署无线IAB可以使基站既能为设备提供无线接入，又能提供无线回传连接，因而无需再采用成本高昂的有线回传。无线IAB还能加快各种规模基站的部署速度，及时为社区提供全面的信号覆盖。在3GPP第16版标准中，多跳IAB网络也得到了标准化。

　　智慧城市还可以通过真正的无线通信部署，为优化能源分配、改善垃圾集运、减少车辆交通拥堵以及改善空气质量提供基础设施。

　　联网的交通信号灯可以通过调整灯光节奏的时间来接收传感器和汽车的数据，在减少交通拥堵的同时对实时交通做出快速反应。

　　网联汽车可以通过无线方式与停车计时器和电动汽车 （EV） 充电站连接，引导驾驶员前往最近的可以使用的充电停车区。

　　智能垃圾桶将以无线方式向废弃物管理点发送数据，从而优化集运时间。

　　居民的智能手机将成为带有数字凭证的移动驾照和身份证件，可以更快地访问城市和地方政府服务。

　　因此，通过使用毫米波频率的部分可用大频谱进行无线回传，IAB将大大降低5G网络的部署成本，同时实现与光纤部署相当的性能。

　　展望5G第17版

　　图2：3GPP第17版5G标准概览（图源：3GPP）

　　由于新冠疫情影响，许多面对面会议不得不取消或改为线上会议，致使3GPP第17版5G标准（图2）的制定进度出现了延迟。3GPP希望能够在2021年下半年恢复面对面会议。好消息是，第17版目前依然维持着2019年12月的会议敲定的内容。有关详细信息，请参阅3GPP网站上商定的第17版时间表。

　　结语

　　在本文中，我们探讨了扩展5G NR毫米波网络覆盖范围这一艰巨任务所面临的诸多挑战。

　　光纤是5G回传最初的选择，但成本高昂，直至3GPP第16版5G标准出现，使集成的接入和回传成为了可行性高、成本更低的选择。我们已经证明，与光纤或任何其他技术相比，无线IAB在成本和性能方面都是更好的解决方案。Verizon的解决方案就提供了一个很好的例子。

　　智慧城市是5G通信部署的一个主要并且相对较新的领域。本文阐述了无线IAB为何能成为5G毫米波频率下一个非常适合密集部署并且性能出色，同时又无需与每个基站建立更昂贵的光纤连接的方案。

　　作者简介

　　Steve Taranovich是纪实著作《真理守护者》（Guardians of the Right Stuff） 的作者，这是由NASA和Grumman公司的多位工程师、一位航天员以及多位技术人员讲述的有关阿波罗计划的真实故事。Steve曾在2012年至2019年期间担任EETimes/Planet Analog的资深主编以及EDN的高级技术编辑，并负责模拟和电源管理设计中心的运作。他在电路设计和应用领域拥有40年的从业经验，并且在工业领域拥有9年的技术写作和编辑经验。他的专长涵盖模拟电子、空间相关电子、音频、射频与通信、电源管理、电气工程和集成电路 （IC）。Steve Taranovich是一位实力雄厚的媒体和通信专家，1972年获得纽约大学工程系电子电气工程学士学位，1989年获得纽约理工大学电气工程硕士学位。他曾于1972年到1988年间担任过8年的音频电路设计工程师和8年的微波电路设计工程师。