了解 5G 毫米波的挑戰(zhàn)

新技術(shù)通常遵循 Gartner 的經(jīng)典炒作周期，從最初的創(chuàng)新發(fā)展到過度熱情，從幻想破滅到啟蒙和最終生產(chǎn)力。5G也不例外。隨著圍繞 5G 的大膽頭條和炒作讓位于現(xiàn)實，倡導(dǎo)者和批評者一致認(rèn)為，在 5G 充分發(fā)揮其潛力之前，必須解決許多技術(shù)問題?；?24-GHz 至 40-GHz 范圍內(nèi)的毫米波 (mmWave) 頻率的 5G 網(wǎng)絡(luò)最有希望實現(xiàn)高帶寬和低延遲的無線連接。然而，毫米波技術(shù)也給大規(guī)模部署超高速 5G 網(wǎng)絡(luò)帶來了重大的射頻傳播挑戰(zhàn)和障礙，設(shè)計人員需要解決這些挑戰(zhàn)才能在任何地方釋放 5G 的潛力。

5G 轉(zhuǎn)型：具有類似光纖速度的無線網(wǎng)絡(luò)

蜂窩進(jìn)化永無止境：2G 支持短信，3G 帶來移動互聯(lián)網(wǎng)連接，4G 引入移動流媒體視頻。5G New Radio 是第五代蜂窩技術(shù)，有望取代當(dāng)今的 4G LTE，提供比 4G 快 100 倍的峰值數(shù)據(jù)速率，以及顯著更高的帶寬、更低的延遲、更高的可用性和更一致的覆蓋范圍。

5G 將成為我們生活、工作和聯(lián)系方式創(chuàng)新的催化劑，以我們尚未想象的方式改變行業(yè)并改善我們的生活。正如高速光纖通信的普及徹底改變了互聯(lián)網(wǎng)一樣，5G 網(wǎng)絡(luò)將增強無處不在的移動連接。具有 10 倍頻譜可用性的類似光纖的 5G 速度將模糊我們家庭、辦公室、工廠和城市景觀中有線和無線接入之間的界限。

受益于 5G 無與倫比性能的應(yīng)用包括全自動駕駛汽車、車對車通信、智能建筑和智能城市、遠(yuǎn)程醫(yī)療、醫(yī)療機器人、虛擬和增強現(xiàn)實、基于移動云的服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能工廠、倉庫和運動場的連接設(shè)備呈指數(shù)增長，將成為受益于私有 5G 網(wǎng)絡(luò)的先行者。

毫米波：我們都想要的 5G 技術(shù)

正如 Wi-Fi 和藍(lán)牙無線技術(shù)有多種不同的特性和性能水平一樣，移動運營商正在推出幾種類型的 5G，它們的速度和延遲根據(jù)所使用的頻譜存在顯著差異。

5G網(wǎng)絡(luò)有兩種主要類型：

超快毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)基于 24 GHz 至 40 GHz 甚至更高的超高頻段，提供大多數(shù)人對 5G 的期望的超快性能、寬帶寬和“令人驚嘆的因素”。這是 5G 頻率范圍，可以在幾秒鐘而不是幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)全長電影。

Sub-6-GHz 5G 網(wǎng)絡(luò)——大多數(shù)人目前在他們的 5G 服務(wù)中體驗到的——支持 6 GHz 以下的中低頻段。低頻段小于 1 GHz，中頻段范圍為 3.4 GHz 至 6 GHz。

了解每種 5G 技術(shù)之間的差異對于解決部署挑戰(zhàn)和滿足最終用戶對帶寬和延遲的期望至關(guān)重要。大多數(shù)用戶今天在智能手機上接收到的 5G 類型并不是他們立即期望的超快、數(shù)千兆比特的 5G。

4G LTE 網(wǎng)絡(luò)比毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)慢得多，4G 下載速度從大約 35 Mbits/s 到超過 50 Mbits/s 不等。毫米波可以提供高達(dá) 5 Gbits/s 的速度，比 4G LTE 的速度要快得多。Sub-6-GHz 5G 網(wǎng)絡(luò)速度介于毫米波和 LTE 速度之間。雖然 sub-6-GHz 網(wǎng)絡(luò)在吞吐量、延遲和帶寬方面都超過了 4G LTE，但它們?nèi)詿o法達(dá)到毫米波性能。

大多數(shù)消費者和企業(yè)用戶不會為從 4G 切換到 5G 支付額外費用，除非他們看到數(shù)據(jù)速率、延遲和帶寬的顯著改善。毫米波是唯一可提供卓越用戶體驗的 5G 技術(shù)形式。這是我們都想要的5G。

毫米波 5G 的推出：挑戰(zhàn)和機遇

毫米波技術(shù)的巨大潛力伴隨著重大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)實世界的毫米波網(wǎng)絡(luò)速度因范圍、信號攔截器以及與最近的 5G 塔或小型基站的距離而有很大差異。雖然毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)速度超快，但它們的距離也很短。要接收毫米波信號，用戶必須在 5G 塔的一兩個街區(qū)內(nèi)且沒有視線 (LOS) 障礙物。高頻毫米波信號很容易被建筑物、墻壁、窗戶和樹葉阻擋，進(jìn)一步縮小了可用的 5G 范圍（圖 1）。為了優(yōu)化覆蓋范圍，運營商面臨著以高密度安裝大量小型蜂窩，從而推高了大規(guī)模部署毫米波網(wǎng)絡(luò)的成本。

圖 1：服務(wù)提供商在快速部署 5G 毫米波方面面臨的挑戰(zhàn)包括有限的信號范圍、視線要求、較差的建筑物滲透以及覆蓋范圍和連接性。（來源：Movandi）。

由于其覆蓋范圍和 LOS 限制，毫米波技術(shù)更適合密集的城市環(huán)境。由于其范圍限制，毫米波不是郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的實際選擇，因為更易于部署、更實惠的 4G LTE 和 6GHz 以下 5G 網(wǎng)絡(luò)為這些地區(qū)提供最佳服務(wù)。毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署將需要在地下大量安裝光纜。在此之前，運營商將繼續(xù)依賴現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，同時市場向 5G 過渡。此外，今天的智能手機并不支持所有類型的 5G。不過，預(yù)計蘋果和三星將在不久的將來推出新的支持 5G 的智能手機產(chǎn)品。

盡管范圍、信號傳播和 LOS 限制是毫米波的“致命弱點”，但大規(guī)模多輸入多輸出、小型化天線陣列、自適應(yīng)波束成形和智能有源中繼器等先進(jìn)技術(shù)可以有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

智能有源中繼器通過放大毫米波信號并在室外環(huán)境和建筑物內(nèi)部擴展基于毫米波的網(wǎng)絡(luò)的范圍和覆蓋范圍來解決 5G 信號傳播挑戰(zhàn)。有源中繼器通過增強毫米波信號來工作，使它們能夠穿透墻壁和其他障礙物并在建筑物周圍彎曲以克服 LOS 問題，而無需笨重的天線設(shè)計或昂貴的光纖回程（圖 2）。

當(dāng)部署在建筑物內(nèi)時，智能中繼器會放大微弱的波束信號，并可以照亮整個房間，從而改善最終用戶和應(yīng)用程序的連接體驗。有源中繼器在 5G 網(wǎng)絡(luò)中的廣泛使用使服務(wù)提供商能夠以降低 50% 的成本推出室內(nèi)、室外和移動增強型 5G 毫米波服務(wù)。

圖 2：Movandi 基于 BeamX 的有源中繼器等解決方案可以將毫米波基站的覆蓋率提高 90%，而資本支出成本不到 40%。（來源：Movandi）。

美國所有主要運營商都在測試毫米波網(wǎng)絡(luò)，在選定的主要城市和社區(qū)提供可用性。Sub-6-GHz 5G 目前比毫米波更廣泛可用，主要運營商向城市地區(qū)的許多客戶推出低頻 5G 網(wǎng)絡(luò)。

一級運營商正在遷移到毫米波技術(shù)以滿足網(wǎng)絡(luò)容量要求，因為到 2023 年，客戶需求預(yù)計將超過 6GHz 以下容量，多家運營商已經(jīng)部署了基于毫米波的 5G 網(wǎng)絡(luò)。雖然 mmWave 的批評者認(rèn)為 sub-6-GHz 網(wǎng)絡(luò)提供比 mmWave 更好的覆蓋范圍并且需要更少的下一代無線電節(jié)點 (gNB)，但有限的 sub-6-GHz 頻譜最終將需要部署更多 gNB。此外，高帶寬毫米波將有助于緩解擁擠的城市地區(qū)日益嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞，例如運動場、音樂會場地和機場。

雖然向 5G 網(wǎng)絡(luò)的過渡正在進(jìn)行中，但在 5G 取代 4G LTE、實現(xiàn)超快毫米波速度和低延遲的承諾之前，還有很長的路要走。毫米波技術(shù)是釋放 5G 潛力的關(guān)鍵。為了實現(xiàn) 5G 低延遲、高帶寬、更快速度和廣泛覆蓋的宏偉目標(biāo)，主要運營商和毫米波解決方案提供商正在共同努力克服這些基本挑戰(zhàn)。

審核編輯 黃昊宇