【導讀】隨著(zhù)4G長(cháng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的成功推進(jìn)，全球開(kāi)始大規模部署5G網(wǎng)絡(luò )。圖1展示了5G網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，以幫助我們清晰地理解從接入到回程的無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )。該拓撲結構描繪了四種場(chǎng)景，每種場(chǎng)景都通過(guò)單獨的連接回到核心網(wǎng)絡(luò )。
簡(jiǎn)介
本文介紹可供5G網(wǎng)絡(luò )使用的各種回程技術(shù)，重點(diǎn)討論E頻段無(wú)線(xiàn)射頻鏈路及其如何支持全球5G網(wǎng)絡(luò )的持續部署。我們將對E頻段技術(shù)必需的系統要求進(jìn)行技術(shù)分析。然后，我們將結果映射到物理無(wú)線(xiàn)電設計中，同時(shí)深入了解毫米波(mmW)信號鏈。
5G網(wǎng)絡(luò )拓撲
隨著(zhù)4G長(cháng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的成功推進(jìn)，全球開(kāi)始大規模部署5G網(wǎng)絡(luò )。圖1展示了5G網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，以幫助我們清晰地理解從接入到回程的無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )。該拓撲結構描繪了四種場(chǎng)景，每種場(chǎng)景都通過(guò)單獨的連接回到核心網(wǎng)絡(luò )。
手機和5G無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)等用戶(hù)設備(UE)將通過(guò)連接到下一代無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )(NG-RAN)中的基站(gNodeB)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )。在圖1中，我們將gNodeB表示為宏蜂窩、小蜂窩、5G mmW接入點(diǎn)和中繼器。宏蜂窩和小型蜂窩覆蓋410 MHz至7.125 GHz (FR1)的頻率范圍(FR)。5G mmW解決方案覆蓋24.25 GHz至52.6 GHz (FR2)的頻率范圍。宏蜂窩的覆蓋半徑較大，而小蜂窩在數量上比宏蜂窩多，更容易部署，但覆蓋半徑較小。小蜂窩用于處理用戶(hù)密集區域的流量，以及在不增加宏蜂窩的情況下，更高效地擴大網(wǎng)絡(luò )容量或覆蓋范圍。5G mmW是最新一代技術(shù)，能夠滿(mǎn)足更高網(wǎng)絡(luò )容量需求，支持新的用戶(hù)體驗，例如在體育賽事直播中，球迷可以在移動(dòng)設備上觀(guān)看回放。NG-RAN設備還有一些實(shí)例，可以在FR1和FR2頻段工作，例如大規模MIMO無(wú)線(xiàn)電、微蜂窩、毫微微蜂窩、微微蜂窩等。
圖1.5G網(wǎng)絡(luò )拓撲，包括回程
圖2.RAN的演變
回程（也稱(chēng)回傳）或移動(dòng)回程是指連接核心網(wǎng)絡(luò )(CN)和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )（5G中的gNodeB）的傳輸網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)蜂窩站點(diǎn)密度的增加，由于需要高容量鏈路來(lái)連接核心網(wǎng)絡(luò )，因此移動(dòng)和固定無(wú)線(xiàn)回程顯得愈加重要?！?022年愛(ài)立信微波展望》報告顯示，到2025年，城市蜂窩站點(diǎn)將需要每站點(diǎn)5 Gbps至20 Gbps的回程容量。在圖1中，我們將無(wú)線(xiàn)回程顯示為微波(μW)和E頻段(mmW)無(wú)線(xiàn)電兩種。E頻段無(wú)線(xiàn)電可以與μW無(wú)線(xiàn)電共置，或者作為更高數據帶寬方案替代μW無(wú)線(xiàn)電。雖然5G帶來(lái)了新的商機，但移動(dòng)運營(yíng)商由于需要在城市或農村地區快速提供（上市時(shí)間）高容量、低延遲、可靠、可擴展、成本優(yōu)化的回程鏈路，而承受著(zhù)越來(lái)越大的壓力。
回傳、中傳和前傳有何區別？
在5G RAN中，基帶單元(BBU)功能分為分布式單元(DU)和集中式單元(CU)。運營(yíng)商選擇如何放置這些設備，取決于可用的前傳接口和鏈路傳輸技術(shù)，與采用更集中的處理方式相比，在邊緣以低延遲完成多少處理量比較合適。圖2展示了無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的架構演進(jìn)?；貍魇敲糠N解決方案的核心部分。
蜂窩站點(diǎn)RAN：傳統配置，射頻單元(RU)和BBU功能位于蜂窩站點(diǎn)。單獨的回傳鏈路連接到核心網(wǎng)絡(luò )。
集中式RAN（低級拆分）：此模式允許將部分網(wǎng)絡(luò )集中到邊緣站點(diǎn)，這樣做可以提供虛擬化優(yōu)勢(vBBU)。處理能力將下放到邊緣站點(diǎn)，蜂窩站點(diǎn)中只有物理層，因此會(huì )降低其復雜性。然而，現在需要前傳鏈路在RU和集中式BBU之間傳輸大量數據。這有時(shí)稱(chēng)之為低級拆分。
分離式RAN（高級拆分）：RU和DU可以共置于蜂窩站點(diǎn)，也可以分開(kāi)放置。此模式不僅提供虛擬化優(yōu)勢(vBBU)，還能提升成本效益。CN單獨位于邊緣站點(diǎn)。這稱(chēng)為高級拆分：
RU和DU共置于蜂窩站點(diǎn)，而CN位于邊緣站點(diǎn)。這意味著(zhù)需要中傳鏈路將遠程CN（邊緣站點(diǎn)）連接到RU + DU（蜂窩站點(diǎn)）。
RU、DU和CN分開(kāi)放置。
集中式和分離式RAN模型都支持多家供應商的硬件和軟件實(shí)施方案，這應當能為網(wǎng)絡(luò )部署帶來(lái)成本效益。設備必須支持互操作（RU、DU、CU），允許將不同供應商的解決方案混搭使用，進(jìn)而提高效率。這是開(kāi)放式RAN (O-RAN)聯(lián)盟的核心精神。以前，設備提供商的接口解決方案是專(zhuān)有的，無(wú)法與其他供應商的設備實(shí)現互操作。
此外，隨著(zhù)運營(yíng)商在集中式和分離式RAN配置中部署前傳和中傳鏈路，這些鏈路也在不斷發(fā)展。如果沒(méi)有光纖可用和/或安裝光纖的成本過(guò)高，或者光纖并非短期內完成部署的可行方案，那么可以通過(guò)E頻段提供出色的解決方案。
值得注意的是，4G和5G之間有一個(gè)根本區別：在5G NR中，傳統的EPC（演進(jìn)分組核心網(wǎng)）在專(zhuān)用硬件上運行，通常位于基站或蜂窩塔附近，造成被拆分。這樣各項功能可以在商用成品(COTS)硬件上運行。因此，隨著(zhù)功能轉移到邊緣，5G的核心網(wǎng)絡(luò )實(shí)際上更加分散。參見(jiàn)圖3。核心網(wǎng)絡(luò )功能現在可以共置于邊緣，使得通信速度更快，用戶(hù)延遲更低。它還支持網(wǎng)絡(luò )切片，即為特定應用需求創(chuàng )建虛擬網(wǎng)絡(luò )。例如，一個(gè)切片可以提供高速寬帶，而另一個(gè)切片可以為物聯(lián)網(wǎng)提供機器對機器連接。此外，這種邊緣云架構支持邊緣計算。因此，網(wǎng)絡(luò )可以在靠近邊緣的地方設置小型數據中心，以支持相同內容的視頻流傳輸，而不是費勁地從一個(gè)中心位置回傳數據。一般而言，這種5G架構在配置網(wǎng)絡(luò )接入、硬件、功能和回程方面更高效、更靈活。
圖3.5G網(wǎng)絡(luò )切片
目前有哪些回程解決方案可用？
光纖回程是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商(MNO)可以使用的最高容量方案。它是目前使用的主流小蜂窩回程技術(shù)，因為許多人口稠密的城市/室內區域都有光纖可用，而且這些區域都使用小蜂窩來(lái)增加覆蓋范圍/容量。光纖的容量高達1.6 Tbps（160個(gè)信號 × 每個(gè)信號10 Gbps）。光纖是MNO的最高容量選擇。然而，光纖部署存在成本高、采購難、規劃審批復雜和耗時(shí)長(cháng)等問(wèn)題。根據GMSA的數據，部署光纖的成本約為7萬(wàn)美元/千米。資本支出和部署時(shí)間始終是阻礙持續增長(cháng)的因素。需要注意的是，μW/mmW回程和光纖是互為補充的解決方案，它們在網(wǎng)絡(luò )中共存。無(wú)線(xiàn)和光纖為運營(yíng)商提供了替代回程技術(shù)。理想的回程解決方案需要考慮許多因素，包括部署時(shí)間、聯(lián)邦/州和城市的許可、獲得通行權、數據帶寬要求、地形和總擁有成本。
μW和mmW回程是目前宏蜂窩的主流回程技術(shù)，約占宏蜂窩回程鏈路的50%。
μW許可頻段技術(shù)功能強大、易于部署且成本相對較低（無(wú)需破壞城市街道或開(kāi)挖溝槽）。它覆蓋6 GHz至42 GHz的頻率，這些頻段非常適合中長(cháng)距離鏈路，覆蓋范圍可達25千米。
在V頻段（57 GHz至66 GHz）和E頻段(76 GHz/86 GHz)內使用mmW回程技術(shù)已持續多年。然而，V頻段會(huì )遭受?chē)乐氐难跷?，?0 GHz處會(huì )發(fā)生很大的信號衰減。此外，各國對該頻段的使用有不同的規定。有些國家將部分頻譜許可用于回程，而有些國家則將其留給免許可使用。歐洲和美國是允許免許可使用的地區，并且正在制定規則以減少不同配置的干擾概率。但是，V頻段在提供高質(zhì)量回程方面仍然不可靠。其用途預計主要是免許可的短距離室內和室外覆蓋解決方案(WiGig)。E頻段提供帶寬更寬、信號衰減更低的解決方案，從而可實(shí)現高可用性鏈路。
那么，為何過(guò)去沒(méi)有在網(wǎng)絡(luò )中大量使用E頻段呢？在4G網(wǎng)絡(luò )中，考慮到可用帶寬容量，mmW回程技術(shù)并未得到充分利用，只有某些場(chǎng)景才會(huì )用到，因此大多數無(wú)線(xiàn)回程是使用許可的μW頻段（6 GHz至42 GHz）實(shí)現的。隨著(zhù)5G網(wǎng)絡(luò )的爆炸式部署和密集化，情況發(fā)生了變化，現在需要10 Gbps或更高的回程能力。
那么，使用E頻段有哪些核心優(yōu)勢，它與光纖和μW相比如何？E頻段提供兩個(gè)5 GHz頻譜頻段：71 GHz至76 GHz和81 GHz至86 GHz。這些頻段被細分為多個(gè)250 MHz信道。頻譜分配的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它可以用于時(shí)分雙工或頻分雙工鏈路。容量也不是問(wèn)題，因為在許可的E頻段點(diǎn)對點(diǎn)鏈路中，可以傳輸的最大數據量大于60 Gbps1。E頻段還有望用于點(diǎn)對多點(diǎn)系統，這將進(jìn)一步提高可用的回程數據帶寬。與傳統的μW無(wú)線(xiàn)電相比，信道容量顯著(zhù)增加。由于頻率可用性問(wèn)題，傳統μW無(wú)線(xiàn)電鏈路的容量只有大約2.4 Gbps。此外，E頻段天線(xiàn)將電磁能集中在一個(gè)非常窄的能量束中（例如，只有1度的發(fā)散角），因此可以構建高增益(45 dBi)、小外形尺寸（30厘米天線(xiàn)直徑）的無(wú)線(xiàn)電設備，非常適合隱蔽安置在建筑物或塔上。即使RF發(fā)射功率不高，E頻段通常也能支持長(cháng)達3千米的鏈路長(cháng)度2。表1比較了常用的幾種回程技術(shù)。
表1.回程技術(shù)比較
銅纜是使用T1/E1協(xié)議的傳統技術(shù)。銅纜無(wú)法輕松擴展以提供4G所需的帶寬，更不用說(shuō)5G了。對于室內小蜂窩和公共場(chǎng)所來(lái)說(shuō)，它仍然是一種選擇，但運營(yíng)商已開(kāi)始放棄這項技術(shù)。與光纖或μW/mmW相比，衛星的使用并不廣泛，原因在于數據速率有限，而且由于地球靜止衛星處于非常高的地球軌道，延遲是個(gè)問(wèn)題。低地球軌道(LEO)衛星改善了延遲，可能會(huì )發(fā)揮越來(lái)越大的作用，但具體情況仍不確定。衛星的主要優(yōu)勢是將沒(méi)有替代方案可用的農村地區連接起來(lái)。除極少數新興市場(chǎng)外，Wi-Fi并不是一種廣泛使用的回程技術(shù)。這些頻段是免許可的，因此不斷增多的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)會(huì )造成干擾，而且覆蓋范圍有限也是個(gè)問(wèn)題。
無(wú)線(xiàn)E頻段鏈路如何無(wú)線(xiàn)傳輸數據？
E頻段使用傳統的數字調制編碼，例如從BSPK到1024 QAM。但是，限制鏈接距離的因素有哪些？
惡劣天氣：雨、霧、雨夾雪和雪會(huì )使信號強度以不可預測的方式衰減，導致接收器收到的信號水平下降，進(jìn)而降低信噪比(SNR)。值得注意的是，當遇到雨衰時(shí)，E頻段無(wú)線(xiàn)電鏈路可以使用自適應調制。這意味著(zhù)，鏈路可以轉而使用不太復雜的調制，以防止數據丟失。通過(guò)降低這段時(shí)間內的容量，高可用性數據鏈路的連接得以維持。在降雨量高達100毫米/小時(shí)的情況下，ADI公司的系統化封裝(SiP)解決方案可確保1千米鏈路具有99.999%的可用性。
基帶能力：在E頻段頻率工作時(shí)，基帶單元成為數據吞吐量的瓶頸。典型BBU支持10 Gbps的數據吞吐量，而可用頻譜可支持超過(guò)60 Gbps的數據吞吐量。ADI E頻段SiP將支持高達1024 QAM的調制階數。
LO的相位噪聲：相位噪聲會(huì )限制調制階數。LO抖動(dòng)會(huì )導致信噪比(SNR)降低，因為噪聲會(huì )疊加到要上變頻/下變頻的目標信號上。ADI公司提供出色的寬帶外部鎖相環(huán)/壓控振蕩器(PLL/VCO)源，以及E頻段片內LO路徑倍頻器和放大器。
表2顯示了E頻段技術(shù)支持的多種調制的預期比特效率和SNR要求。
圖4.E頻段無(wú)線(xiàn)電單元系統圖（藍色 = ADI解決方案）
表2.E頻段技術(shù)支持的數字調制編碼與SNR
E頻段無(wú)線(xiàn)電是否比μW無(wú)線(xiàn)電更難設計？
令人驚訝的是，E頻段無(wú)線(xiàn)電可以利用當前μW無(wú)線(xiàn)電基帶卡設計的很大一部分，包括調制解調器核心、處理器、存儲器模塊、時(shí)鐘恢復/生成、同步1588電路和較低頻率模擬前端。這使得μW無(wú)線(xiàn)電供應商可以更輕松地過(guò)渡到E頻段領(lǐng)域。請參見(jiàn)圖4。E頻段前端模塊、雙工器和天線(xiàn)是將μW無(wú)線(xiàn)電轉換為E頻段無(wú)線(xiàn)電所需的新設計模塊。
毫無(wú)疑問(wèn)，76 GHz/86 GHz設計似乎令人生畏，因為與較低頻率的RF甚至μW相比，mmW設計更復雜。如圖4所示，波導轉換現已集成為ADI E頻段SiP的一部分，以盡可能降低天線(xiàn)的射頻(RF)損耗，轉換至更高頻率的信號。ADI SiP消除了芯片、鍵合和環(huán)氧樹(shù)脂裝配。ADI SiP可以使用標準貼片裝配設備進(jìn)行裝配。E頻段SiP使無(wú)線(xiàn)電裝配類(lèi)似于μW無(wú)線(xiàn)電裝配。
由于1 km4處的自由空間損耗為131 dB，雨衰為17 dB/km和31 dB/km（分別針對99.99%和99.999%的可用性），因此E頻段鏈路預算可能很有挑戰性5。設計人員必須仔細考慮增益、發(fā)射功率、噪聲系數和IP3等要求，以滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的回程要求。
ADI公司在μW和mmW回程技術(shù)方面有著(zhù)深厚的積累。我們開(kāi)發(fā)了E頻段器件來(lái)化解上述許多設計和裝配挑戰，幫助更多設計人員輕松開(kāi)發(fā)E頻段產(chǎn)品。
E頻段——滿(mǎn)足5G回程需求的下一個(gè)重要選項
本文重點(diǎn)說(shuō)明了E頻段能夠為5G網(wǎng)絡(luò )提供更高的帶寬，從而擴展了回程選項。它是光纖的出色補充技術(shù)，為運營(yíng)商規劃部署和平衡集中式與分離式RAN解決方案提供了更大的靈活性。
ADI公司開(kāi)發(fā)了具有基帶輸入或輸出以及集成波導輸出或輸入的表面貼裝、高集成度SiP，從而消除了與E頻段前端設計相關(guān)的大部分繁重工作。設計人員不再需要擔心芯片處理，而是可以利用ADI公司的E頻段封裝技術(shù)解決方案。ADI公司致力于為更多RF/μW和mmW設計人員提供更易于使用的技術(shù)，以推動(dòng)這一市場(chǎng)的發(fā)展。第二部分將深入探討E頻段鏈路預算以及ADI E頻段SiP系列產(chǎn)品的技術(shù)細節。
（來(lái)源：ADI公司，作者：Andy Boyce，微波系統架構師；Donal McCarthy，市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)總監）
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