任何下一代移動通信技術(shù)必須要提供比上一代更好的性能。例如，由于從 3G 到 4G 的過渡，理論峰值數(shù)據(jù)速率從大約 2 Mbps 跳到 150 Mbps。隨后，LTE Advanced Pro 達(dá)到了 Gbps 的峰值數(shù)據(jù)速率，最近已在演示 1.2 Gbps 的數(shù)據(jù)吞吐量1。在最近由高通和諾基亞聯(lián)合發(fā)起的關(guān)于 5G 的調(diào)查中2，有86％的參與者聲稱他們需要或希望在下一代智能手機(jī)上實現(xiàn)更快的連接。這次調(diào)查得出的結(jié)論是數(shù)據(jù)速率一直是技術(shù)演進(jìn)的推動力。

但是 5G 不僅是追求更高的數(shù)據(jù)速率。這個下一代標(biāo)準(zhǔn)可以滿足的各種應(yīng)用需求一般可按所謂的“應(yīng)用三角形”分類，如圖 1 所示。追求更高的數(shù)據(jù)速率和更大的系統(tǒng)容量被歸納為增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）。超可靠低延遲通信（URLLC）是另一個主要驅(qū)動因素，最初的重點是低延遲。所要求的更低延遲影響整個系統(tǒng)架構(gòu) - 核心網(wǎng)和協(xié)議棧，包括物理層。為了啟動新的服務(wù)和垂直市場，如增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實、自動駕駛和“工業(yè) 4.0”，需要低延遲。此三角形以大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）結(jié)束；然而，最初的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要集中在 eMBB 和 URLLC 上。所有這些應(yīng)用有不同的要求，要采用不同方法優(yōu)先排序它們的關(guān)鍵性能指標(biāo)。這提出了一個挑戰(zhàn)，因為這些不同的要求和優(yōu)先權(quán)必須以“一刀切”的技術(shù)同時解決。

圖1、IMT-2020定義的5G應(yīng)用場景。

Pre-5G 與 5G

在標(biāo)準(zhǔn)化組織（如第三代合作伙伴計劃（3GPP））內(nèi)定義一個“一體適用”技術(shù)需要花費(fèi)很長時間。數(shù)百家公司和組織都在貢獻(xiàn)建議，推薦應(yīng)對 5G 挑戰(zhàn)和要求的方案。要討論和評估這些提案，最后決定如何實施。在定義解決無線接入網(wǎng)、空中接口和核心網(wǎng)的新技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)之初，制定過程可能相當(dāng)耗時---一些網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商沒有時間等待。

通常情況下，一種應(yīng)用問題得到解決時，同時形成標(biāo)準(zhǔn)，它只針對一種場景。使用非授權(quán)頻譜的 LTE（LTE-U）是 4G 中的一個例子。目標(biāo)是輕松使用無授權(quán) 5 GHz ISM 頻段的較低和較高部分來創(chuàng)建更寬的數(shù)據(jù)管道。大約 15 個月后，3GPP 延續(xù)自己的思路，頒布稱為授權(quán)輔助訪問（LAA）的嵌入式標(biāo)準(zhǔn)方法。5G 也不例外。固定無線接入（FWA）并且將在全球體育賽事---韓國平昌2018 年冬奧會提供“5G 服務(wù)”，是 5G 討論中的兩個例子。在這兩個例子中，定制的標(biāo)準(zhǔn)是由提出的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商及其行業(yè)合作伙伴開發(fā)的。這兩個標(biāo)準(zhǔn)都是基于LTE標(biāo)準(zhǔn)（由3GPP制定的標(biāo)準(zhǔn)）和它發(fā)布的第12版技術(shù)規(guī)范，來增強(qiáng)去支持更高的頻率、更寬的帶寬和波束賦形技術(shù)。

以固定無線接入為例。這一需求背后的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商是美國服務(wù)提供商 Verizon Wireless。今天的服務(wù)提供商不僅提供傳統(tǒng)的有線通信和無線服務(wù)；他們還支持到家庭的高速互聯(lián)網(wǎng)連接，并通過這些連接擴(kuò)展到提供內(nèi)容服務(wù)。

圖2、低于6 GHz的三種載頻的相干時間與速度。

圖3、28 GHz 路徑損耗與小區(qū)分離，使用 ABG信道模型，針對市區(qū)宏部署將自由空間傳播損耗（FSPL）與視線（LOS）連接和非視線（NLOS）連接相比較。

Verizon 最初實現(xiàn)橋接著名的“最后一英里”到家庭的方法是光纖到戶（FTTH）。Verizon在一些市場上將該業(yè)務(wù)出售給其他服務(wù)提供商，如Frontier Communications。3為了強(qiáng)化他的業(yè)務(wù)模式，Verizon正在開發(fā)自己的無線技術(shù)，用于連接到家庭的高速互聯(lián)網(wǎng)。為了形成競爭力并保持未來的發(fā)展，Gbps連接是必要的，勝過今天采用LTE-Advanced Pro能實現(xiàn)的。

無線鏈路能提供多大的數(shù)據(jù)速率取決于4個因素：

調(diào)制、可實現(xiàn)的信噪比（SNR）、可用帶寬以及是否使用多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)。從90年代初到2000年，無線行業(yè)對其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了優(yōu)化從而提高了信噪比，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)速率。在世紀(jì)之交，隨著互聯(lián)網(wǎng)的成功，這已不再可接受；3G的帶寬增加到5 MHz。

從4G開始，引入更寬的帶寬 - 高達(dá)20 MHz ，同時引入2×2 MIMO。今天，使用高達(dá)256-QAM的更高階調(diào)制、8×8 MIMO和捆綁多個不同頻段載波的載波聚合（CA），峰值數(shù)據(jù)速率已達(dá)到1.2Gbps。要想進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率，尤其是對于使用固定無線接入的情況，更寬的帶寬必不可少。這個帶寬，在今天的無線通信“熱土”（450 MHz 和6 GHz之間）上不可能實現(xiàn)。更大的帶寬僅能在采用厘米波波長和毫米波波長的更高頻率上獲得。但是沒有免費(fèi)的午餐。頻率升高會帶來它自己的挑戰(zhàn)。

*EIRP = 接收機(jī)靈敏度 + 信噪比 – 接收天線增益 + 路徑損耗（EIRP：等效全向輻射功率）

*鏈路余量 = 總發(fā)射EIRP – 路徑損耗 – 接收信號電平

高頻率的挑戰(zhàn)

從自由空間傳播損耗（FSPL）公式可見，頻率增加路徑損耗隨著增加。波長（λ）和頻率（f）通過光速（c）關(guān)聯(lián)，即：λf= c，并且隨著頻率的增加，波長會縮短。這產(chǎn)生兩個主要影響。首先，隨著波長的縮短，兩個天線單元之間所需的間隔（通常為λ/2）減小，這使得實際天線陣列具有多重天線單元。天線陣列的階數(shù)越高，能夠聚焦在特定方向上發(fā)射的能量越多，因而系統(tǒng)可以克服使用厘米波頻率和毫米波頻率帶來的較高路徑損耗。第2個影響涉及傳播。在低于 6GHz 場景，衍射通常是影響傳播的主要因素。在更高頻率，波長太短以至于它們與表面的相互作用加大，散射和反射對覆蓋的影響更大。

毫米波頻率還要挑戰(zhàn)移動性。移動性取決于由下式定義的多普勒頻移 fd:fd = fcv/c。式中，fc是載波頻率，v 是系統(tǒng)支持的期望速度。多普勒效應(yīng)直接與相干時間 Tcoherence 有關(guān)，可以近似估計為：Tcoherence ? 1/ (2fd )

相干時間定義為無線電信道可以假設(shè)為恒定的時間，即，其性能不隨時間變化的時間。這個時間影響接收機(jī)中的均衡過程。如圖2所示，相干時間隨著速度的增加而減小。例如，為了以100km/h速度移動并將鏈路維持在2.3GHz載波頻率上，相干時間約為2ms。這意味著可以假設(shè)無線電信道性能2毫秒內(nèi)不變。根據(jù)奈奎斯特定理，采用2 ms時間間隔，需要在此信號中嵌入2個參考符號，以便正確重建信道。圖2顯示在較高頻率下相干時間減少。對于毫米波頻率，多普勒頻移在步行速度時已經(jīng)是100Hz，并且隨著速度的增加而增加。因此，相干時間顯著減少，使得在高移動性場景下使用厘米波和毫米波頻率效率低下。這就是為什么3GPP最初將5G新空口（5G NR）標(biāo)準(zhǔn)化的重點放在所謂的非獨(dú)立（NSA）模式上，使用LTE作為控制和信令信息交換以及移動性的錨定技術(shù)。使用固定無線接入，移動性不是必需的，所以Verizon的技術(shù)方案可以完全依靠毫米波頻率，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和所連接設(shè)備間的控制和信令信息交換。

28GHz鏈路預(yù)算

如前面解釋的，采用天線陣列和波束賦形技術(shù)能夠?qū)⒑撩撞l率用于無線通信。Verizon在2016年將美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）分配的28 GHz頻段作為5G頻譜4，使用的帶寬高達(dá)850 MHz。隨著2015年收購XO通信公司5，Verizon獲得使用28 GHz頻段許可證，計劃使用這些28GHz頻段初步推出自己的Pre-5G標(biāo)準(zhǔn)，并將這些歸納在5G技術(shù)論壇（5G Technical Forum---V5GTF）名下6。

從運(yùn)營商的角度來看，新技術(shù)的可行性取決于由商業(yè)模式給出的可實現(xiàn)商業(yè)案例。商業(yè)案例受兩個主要因素影響：所需的資本支出（CAPEX），其次是運(yùn)營和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的成本（簡稱OPEX）。CAPEX由所部署的小區(qū)站點數(shù)量決定，這取決于要求達(dá)到的小區(qū)邊緣性能（即，小區(qū)邊緣處要達(dá)到的數(shù)據(jù)速率）和可實現(xiàn)的覆蓋范圍。厘米波和毫米波能夠波束賦形，這有助于克服較高的路徑損耗，但與低于6GHz的頻率（用于無線通信的主要頻譜）相比，覆蓋范圍仍然有限。

圖4、 5GTF 同步和波束賦形參考信號。

為確保足夠的覆蓋范圍，鏈路預(yù)算分析至關(guān)重要?？紤]采用 100MHz 載波帶寬的 28GHz 頻段，首先計算接收機(jī)靈敏度限值。熱噪聲電平為-174 dBm / Hz，需要根據(jù) 5GTF 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，調(diào)整到支持的每個分量載波100 MHz 帶寬。在此計算中，接收機(jī)使用的典型噪聲系數(shù)為10 dB，這使得總接收機(jī)靈敏度限值為-84 dBm / 100 MHz（參見表1）。接下來，確定預(yù)期的路徑損耗。自由空間路徑（傳播）損耗基于在理想條件下的視距（LOS）連接。真實情況并非如此。在教育機(jī)構(gòu)的幫助下，各公司開展了廣泛的信道探測測量活動，形成了描述不同環(huán)境傳播的信道模型，并預(yù)測了預(yù)期的路徑損耗。它們通常用于視線（LOS）和非視線（NLOS）類型的連接。對于固定無線接入，通常使用非視線連接模型。在初期，Verizon 及其行業(yè)合作伙伴使用他們自己的信道模型，盡管 3GPP 正在為標(biāo)準(zhǔn)化 5G NR 制定信道模型。當(dāng)然，這些模型之間存在不同。對于這里要考慮的鏈路預(yù)算分析，使用最早的可用模型之一7。

假設(shè)為市區(qū)宏小區(qū)（UMa）部署場景，圖 3 顯示了在 28 GHz 頻段，與自由空間傳播損耗相比視線連接和非視線連接的預(yù)期路徑損耗。從運(yùn)營商的角度來看，大的小區(qū)間站點距離（ISD）更為理想，因為 ISD 越高，所需的小區(qū)站點越少，資本支出越低。但是，可實現(xiàn)的 ISD 由鏈路預(yù)算決定。各種出版物顯示，1000 米的 ISD 是部署目標(biāo)。這樣的 ISD 對視線連接的路徑損耗至少為 133 dB，而對于使用 ABG（Alpha Beta Gamma）信道模型的非視線連接的路徑損耗為 156 dB。下一步是確定需要的小區(qū)邊緣性能，即，需要的數(shù)據(jù)速率。每個載波的數(shù)據(jù)速率取決于調(diào)制、MIMO 方案和可實現(xiàn)的信噪比。例如，典型要求是，實現(xiàn) 2bps/Hz 的頻譜效率，即，對于100MHz 寬的信道，提供 200Mbps 數(shù)據(jù)速率。為此，需要大約 8dB 的信噪比，這進(jìn)一步增加了接收機(jī)靈敏度限值。然而，由于接收機(jī)正在使用天線陣列，可獲得波束賦形增益，波束賦形增益由單個天線單元的增益和天線單元的總數(shù)決定。

圖5、 羅德與施瓦茨公司5GTF覆蓋測量系統(tǒng)。

圖6、 在現(xiàn)場使用羅德與施瓦茨公司系統(tǒng)。

在 5G 發(fā)展的初期，總接收端波束賦形增益的較好近似值是 17 dBi。基于估計的路徑損耗，可以確定所需的總等效全向輻射功率（EIRP）和所需的傳導(dǎo)發(fā)射功率。根據(jù)上述計算，發(fā)射端所需的總 EIRP 在 40 和 63 dBm 之間（參見表 2）。在 5G 遠(yuǎn)端射頻頭上使用更大的天線陣列會產(chǎn)生更大的波束賦形增益是合理的假設(shè)。表 3 提供的是理想計算：需要提供多大的傳導(dǎo)功率才能提供需要的 EIRP（17 至 40 dBm）。對于毫米波器件，這些都是高輸出功率，設(shè)計功率放大器和所需的電路來驅(qū)動射頻前端和天線陣列是業(yè)界面臨的挑戰(zhàn)。由于不是所有基片都能提供如此高的輸出功率，因此行業(yè)內(nèi)設(shè)計這些射頻器件的公司間將面臨一場方法之爭。其中一個挑戰(zhàn)是為器件提供可接受的加電效率以處理散熱。

基于這個分析，在下行鏈路方向建立一條采用 1000 米 ISD 的適用通信鏈路是可能的。但是，前幾代的無線技術(shù)都是上行鏈路功率受限的，5G 也不例外。表 4 顯示假設(shè)最大傳導(dǎo)設(shè)備功率為 +23 dBm 和假設(shè)采用 16 單元天線陣列客戶端設(shè)備（CPE）路由器波形因子的上行鏈路預(yù)算。根據(jù)路徑損耗和假設(shè)的信道模型，可以計算出跨越相當(dāng)大范圍（即，-9 至 + 14dB）的鏈路余量。當(dāng)然，低于零的任何值都指出該鏈路不會被關(guān)閉?；谶@些相當(dāng)理想的計算，可以得出結(jié)論，如果采用 1000m ISD，在毫米波頻率上的上行鏈路存在問題。

圖7、5GTF覆蓋測量舉例。

由于這個原因，3GPP 定義了 5G NR 用戶設(shè)備（UE）功率等級，它允許高達(dá) +55dBm 的總 EIRP8。美國目前的規(guī)定允許設(shè)備有如此高的 EIRP，但不能出現(xiàn)在移動電話中9。并且，實現(xiàn)這個 EIRP 本身就是一個技術(shù)挑戰(zhàn)，可能在很晚的時候才會上市。從這個角度看，服務(wù)提供商應(yīng)該考慮在其商業(yè)案例中使用更短的小區(qū)間站點距離（ISD）。目前各種會議上的文獻(xiàn)和報告表明，正在為這個出現(xiàn)在美國的無線電設(shè)備規(guī)劃 250 米或更小的小區(qū)?，F(xiàn)在，需要確定的是:是否更短的 ISD（如 250 米）能夠滿足 5G 毫米波固定無線接入商業(yè)案例的要求。

5GTF 展望

Verizon 5G 標(biāo)準(zhǔn)使用 3GPP LTE 標(biāo)準(zhǔn)提供的既有架構(gòu)。載波頻率向上移動，在較高頻率上分解增加的相位噪聲，這些需要更寬的子載波間隔來克服將產(chǎn)生的載波間干擾（ICI）。Verizon 標(biāo)準(zhǔn)使用 75 kHz 而不是 15 kHz。表 5 給出了所有主要物理層參數(shù)的比較。

在確定 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋時，應(yīng)當(dāng)理解幾個物理信號。與 LTE 相比，在 Verizon 的 5G 標(biāo)準(zhǔn)中，同步信號（PSS和 SSS）以頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)發(fā)射，而 LTE 采用時分復(fù)用（TDM）技術(shù)。而且，引入了新的同步信號，擴(kuò)展同步信號（ESS）有助于識別正交頻分復(fù)用（OFDM）符號時序。圖 4 給出包含在特殊子幀 0 和 Z5 中的同步信號（SSS、PSS、ESS）的映射；它們被波束賦形參考信號（BRS）和擴(kuò)展物理廣播信道（xPBCH）包圍。

設(shè)備在開始接入過程中使用這些同步信號確定要連接到哪個 5G 基站，然后使用波束賦形參考信號（BRS）來評估接收可用波束賦形信號中的哪一個。該標(biāo)準(zhǔn)允許發(fā)射一定數(shù)量的波束，具體數(shù)量取決于 BRS 的發(fā)射周期。這個信息通過 xPBCH 提供給設(shè)備。在其基本形式中，每個 OFDM 符號發(fā)射一個波束；然而，使用正交覆蓋碼（OCC）允許每個 OFDM 符號發(fā)射多達(dá) 8 個波束。根據(jù)所選的 BRS 發(fā)射周期——有 4 個選項：1 個時隙，1 個、2 個或4 個子幀---可以發(fā)射多個波束，客戶端設(shè)備在這些波束上執(zhí)行信號質(zhì)量測量?；趯@些所接收BRS 的信號功率（BRSRP）測量，客戶端設(shè)備將維持一組 8 個最強(qiáng)波束，并將 4 個最強(qiáng)波束報告回網(wǎng)絡(luò)。一般而言，相同的原則適用于確定現(xiàn)有 4G LTE 技術(shù)的覆蓋范圍。接收機(jī)（網(wǎng)絡(luò)掃頻儀）首先掃描期望的頻譜，所討論情況是 28GHz，獲取同步信號以確定由 PSS 和 SSS 提供的初始定時和物理小區(qū) ID。ESS 協(xié)助識別 OFDM 符號時序。下一步是對BRS執(zhí)行與客戶端設(shè)備所做的相同的質(zhì)量測量，以確定誰有最好的接收選項，以及保持并顯示一組 8 個最強(qiáng)接收到的波束。

考慮到早期 5G 采用者的激進(jìn)時間表，羅德與施瓦茨公司設(shè)計了一款原型測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用覆蓋直到 6 GHz 頻段的超小型路測掃頻儀。這個頻率范圍可以使用下變頻方法擴(kuò)展： 可以將在 28 GHz 上發(fā)射的多達(dá) 8 個100 MHz寬分量載波下變頻到能由該路測掃頻儀處理的中頻范圍。整個解決方案集成在電池供電的背包中，從而可在辦公大樓中進(jìn)行現(xiàn)場覆蓋測量。圖 5 顯示該裝置及配件，圖 6 顯示在居民區(qū)步行測試中使用該掃頻儀。

測量結(jié)果的示例如圖 7 所示。在右側(cè)屏幕中，繪制了所有檢測到的載波（Physical Cell Identity, PCI）的 8 個最強(qiáng)波束，包括發(fā)現(xiàn)的波束索引。低于實際欄的 2 個值顯示 PCI（頂部），其次是波束索引。這些波束是根據(jù)針對波束賦形參考信號（BRS），不是針對 BRS 接收信號功率（BRSRP），測量得到的最佳載波干擾噪聲比（CINR）組織起來的。在屏幕的頂部，用戶可以輸入具體的 PCI，并在實際的測量位置識別該載波的 8 個最強(qiáng)波束。此外，掃頻儀確定發(fā)射來波束的 OFDM 符號以及使用了哪個正交覆蓋碼（OCC）?；跍y量得到的波束賦形參考信號（BRS）的載波干擾噪聲比（CINR），用戶可以預(yù)測特定測量位置處的可能吞吐量。

接下來是測量得到的同步功率和同步信號的 CINR。在移動網(wǎng)絡(luò)中，基于 CINR，設(shè)備將確定檢測到的小區(qū)是否是要駐留的小區(qū)。這通常根據(jù)定義為最小 CINR（該最小 CINR 基于同步信號確定）的閾值來確定。對于 LTE 來說，這是-6dB，對于此“Pre-5G ”，有待正在進(jìn)行的現(xiàn)場試驗做出評估。在 Verizon 的 5GTF 標(biāo)準(zhǔn)中，同步信號在 14 個天線端口上發(fā)射，最終這些信號將指向特定的方向。因此，應(yīng)用程序會測量并顯示同步信號功率、CINR，以及識別出的天線端口。

總結(jié)

正如本文多次提及的，在固定無線接入應(yīng)用場景中使用毫米波頻率的商業(yè)案例是成功還是失敗，取決于鏈路預(yù)算是否可以在可負(fù)擔(dān)得起的小區(qū)間站點距離（ISD）上實現(xiàn)。在部署5G 固定無線接入網(wǎng)時，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商和服務(wù)提供商需要在實施網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前，用優(yōu)化工具來確定實際的覆蓋范圍。