毫米波通信部署情形和传播注意事项盘点

毫米波通信部署情形和传播注意事项

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徐睫郁

2020-12-25 14:19:20

就在几年前，业界还在讨论在移动通信中使用毫米波频谱的可行性，以及规划无线电设计人员面临的挑战。短时间内发生了很多事情，行业已经从最初的原型制作迅速发展到成功的现场试验，现在我们即将进行首次商业5G毫米波部署。许多初始部署将用于固定或移动无线应用，但不久的将来，我们还会看到真正的毫米波频率移动连接。第一个标准已经设立，技术正在迅速发展，对毫米波系统的部署也进行了大量学习。虽然我们已经取得了长足的进步，但对于无线电设计人员来说，还有诸多挑战。
我们在开发技术时，务必了解技术最终的部署方式。在所有工程实践中，都有需要权衡的地方，而有更多的真知灼见，就会产生新颖的创新。在图1中，突出了目前在 28 GHz 和 39 GHz 频谱中探索的两种常见情景。

图1. 5G毫米波部署情形
演示了一个固定无线接入 (FWA) 用例，在此用例中，我们试图向郊区环境中的家庭提供高带宽数据。在这种情况下，基站位于电线杆或塔上，并需要覆盖大片区域才能产生积极的商业案例。在初始部署中，我们假设覆盖范围是室外到室外，是以客户终端设备(CPE)安装在户外，并且在设计链接时确保最佳无线连接。由于天线向下，而用户固定，可能不需要很大的垂直转向范围，但发射功率可能相当高，超过65 dBm EIRP，以最大限度地增加覆盖范围并利用现有的基础设施。
展示了一个密集的城市场景，基站将安装在建筑物屋顶或正面离地较低的位置，将来可能会发展成路灯或其他街道级安装。无论如何，这种类型的基站将需要垂直扫描功能，以便在整个建筑物的立面上传送信号，最终随着移动设备的出现，向地面上的移动用户（行人和车辆）传送信号。这种情况下，传输功率可能不需要像郊区那样高，但是室外向室内穿透仍然要面对低辐射玻璃的问题。如图所示，在光束扫描范围内，无论是水平轴还是垂直轴，我们都需要更大的灵活性。总之，没有万能的解决方案。部署情形将决定波束合成架构，而架构将影响射频技术的选择。
现在，我们来看一个实际的例子，导出一个简单的链路预算来说明毫米波基站的发射功率要求，如表1所示。与蜂窝频率相比，附加路径损耗是毫米波频率要克服的主要障碍，但障碍物（建筑物、植物、人等）也是另一个需要考虑的主要因素。
表1. 5G基站示例

近年来出现了大量关于毫米波频率传播的报道，文章《第五代(5G) 无线网络毫米波通信概述——以传播模型为重点》中对此做了很好地概述。讨论并比较了数种模型，说明了路径损耗对环境的依赖性，以及视线(LOS)方案与非视线(NLOS)方案的对比情况。我们通常可以说，考虑到所需的范围和地形，固定无线部署应考虑使用NLOS方案。在所举示例中，我们考虑在郊区部署200米范围的基站。根据NLOS室外到室外链接，我们假定这里的路径损耗为 135 dB。如果我们尝试从室外穿透到室内，那么路径损耗可能高 30 dB。相反，如果我们假设一个LOS模型，那么路径损耗可能在110 dB左右。
在这种情况下，我们假设基站中有256个元件，CPE中有64个元件。在这两种情况下，通过硅实施均可满足输出功率。假定链路是不对称的，这在上行链路预算中起到了一定的缓解作用。在这种情况下，平均链路质量应允许在下行链路中进行64 QAM 操作，在上行链路中进行16 QAM操作。如果需要，可以增加CPE 的发射功率至法定区域限制，以便改善上行链路。如果将链路范围延伸到500米，路径损耗将增加到大约150 dB。这是可行的，但会使上行链路和下行链路上的无线电变得更加复杂，功耗也将急剧增加。

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