E頻段無(wú)線射頻鏈路為5G網(wǎng)絡(luò)提供高容量回程解決方案 — 第一部分

隨著4G長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的成功推進(jìn)，全球開始大規(guī)模部署5G網(wǎng)絡(luò)。圖1展示了5G網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以幫助我們清晰地理解從接入到回程的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描繪了四種場(chǎng)景，每種場(chǎng)景都通過單獨(dú)的連接回到核心網(wǎng)絡(luò)。

手機(jī)和5G無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)等用戶設(shè)備(UE)將通過連接到下一代無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)(NG-RAN)中的基站(gNodeB)來訪問網(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(shù)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密集區(qū)域的流量，以及在不增加宏蜂窩的情況下，更高效地?cái)U(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量或覆蓋范圍。5G mmW是最新一代技術(shù)，能夠滿足更高網(wǎng)絡(luò)容量需求，支持新的用戶體驗(yàn)，例如在體育賽事直播中，球迷可以在移動(dòng)設(shè)備上觀看回放。NG-RAN設(shè)備還有一些實(shí)例，可以在FR1和FR2頻段工作，例如大規(guī)模MIMO無(wú)線電、微蜂窩、毫微微蜂窩、微微蜂窩等。

圖1.5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括回?

圖2.RAN的演變

回程（也稱回傳）或移動(dòng)回程是指連接核心網(wǎng)絡(luò)(CN)和無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（5G中的gNodeB）的傳輸網(wǎng)絡(luò)。隨著蜂窩站點(diǎn)密度的增加，由于需要高容量鏈路來連接核心網(wǎng)絡(luò)，因此移動(dòng)和固定無(wú)線回程顯得愈加重要?！?022年愛立信微波展望》報(bào)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)線回程顯示為微波(μW)和E頻段(mmW)無(wú)線電兩種。E頻段無(wú)線電可以與μW無(wú)線電共置，或者作為更高數(shù)據(jù)帶寬方案替代μW無(wú)線電。雖然5G帶來了新的商機(jī)，但移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商由于需要在城市或農(nóng)村地區(qū)快速提供（上市時(shí)間）高容量、低延遲、可靠、可擴(kuò)展、成本優(yōu)化的回程鏈路，而承受著越來越大的壓力。

回傳、中傳和前傳有何區(qū)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(yùn)營(yíng)商選擇如何放置這些設(shè)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)線接入網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)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(tǒng)配置，射頻單元(RU)和BBU功能位于蜂窩站點(diǎn)。單獨(dú)的回傳鏈路連接到核心網(wǎng)絡(luò)。

?集中式RAN（低級(jí)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(shì)(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(fù)雜性。然而，現(xiàn)在需要前傳鏈路在RU和集中式BBU之間傳輸大量數(shù)據(jù)。這有時(shí)稱之為低級(jí)拆分。

?分離式RAN（高級(jí)拆分）：RU和DU可以共置于蜂窩站點(diǎn)，也可以分開放置。此模式不僅提供虛擬化優(yōu)勢(shì)(vBBU)，還能提升成本效益。CN單獨(dú)位于邊緣站點(diǎn)。這稱為高級(jí)拆分：

?RU和DU共置于蜂窩站點(diǎn)，而CN位于邊緣站點(diǎn)。這意味著需要中傳鏈路將遠(yuǎn)程CN（邊緣站點(diǎn)）連接到RU + DU（蜂窩站點(diǎn)）。

?RU、DU和CN分開放置。

集中式和分離式RAN模型都支持多家供應(yīng)商的硬件和軟件實(shí)施方案，這應(yīng)當(dāng)能為網(wǎng)絡(luò)部署帶來成本效益。設(shè)備必須支持互操作（RU、DU、CU），允許將不同供應(yīng)商的解決方案混搭使用，進(jìn)而提高效率。這是開放式RAN (O-RAN)聯(lián)盟的核心精神。以前，設(shè)備提供商的接口解決方案是專有的，無(wú)法與其他供應(yīng)商的設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。

此外，隨著運(yùn)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。如果沒有光纖可用和/或安裝光纖的成本過高，或者光纖并非短期內(nèi)完成部署的可行方案，那么可以通過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(qū)別：在5G NR中，傳統(tǒng)的EPC（演進(jìn)分組核心網(wǎng)）在專用硬件上運(yùn)行，通常位于基站或蜂窩塔附近，造成被拆分。這樣各項(xiàng)功能可以在商用成品(COTS)硬件上運(yùn)行。因此，隨著功能轉(zhuǎn)移到邊緣，5G的核心網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上更加分散。參見圖3。核心網(wǎng)絡(luò)功能現(xiàn)在可以共置于邊緣，使得通信速度更快，用戶延遲更低。它還支持網(wǎng)絡(luò)切片，即為特定應(yīng)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(jī)器對(duì)機(jī)器連接。此外，這種邊緣云架構(gòu)支持邊緣計(jì)算。因此，網(wǎng)絡(luò)可以在靠近邊緣的地方設(shè)置小型數(shù)據(jù)中心，以支持相同內(nèi)容的視頻流傳輸，而不是費(fèi)勁地從一個(gè)中心位置回傳數(shù)據(jù)。一般而言，這種5G架構(gòu)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(yùn)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?yàn)樵S多人口稠密的城市/室內(nèi)區(qū)域都有光纖可用，而且這些區(qū)域都使用小蜂窩來增加覆蓋范圍/容量。光纖的容量高達(dá)1.6 Tbps（160個(gè)信號(hào) × 每個(gè)信號(hào)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(gòu)難、規(guī)劃審批復(fù)雜和耗時(shí)長(zhǎng)等問題。根據(jù)GMSA的數(shù)據(jù)，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(xù)增長(zhǎng)的因素。需要注意的是，μW/mmW回程和光纖是互為補(bǔ)充的解決方案，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中共存。無(wú)線和光纖為運(yùn)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(quán)、數(shù)據(jù)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(qiáng)大、易于部署且成本相對(duì)較低（無(wú)需破壞城市街道或開挖溝槽）。它覆蓋6 GHz至42 GHz的頻率，這些頻段非常適合中長(zhǎng)距離鏈路，覆蓋范圍可達(dá)25千米。

在V頻段（57 GHz至66 GHz）和E頻段(76 GHz/86 GHz)內(nèi)使用mmW回程技術(shù)已持續(xù)多年。然而，V頻段會(huì)遭受嚴(yán)重的氧吸收，在60 GHz處會(huì)發(fā)生很大的信號(hào)衰減。此外，各國(guó)對(duì)該頻段的使用有不同的規(guī)定。有些國(guó)家將部分頻譜許可用于回程，而有些國(guó)家則將其留給免許可使用。歐洲和美國(guó)是允許免許可使用的地區(qū)，并且正在制定規(guī)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(yù)計(jì)主要是免許可的短距離室內(nèi)和室外覆蓋解決方案(WiGig)。E頻段提供帶寬更寬、信號(hào)衰減更低的解決方案，從而可實(shí)現(xiàn)高可用性鏈路。

那么，為何過去沒有在網(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(shù)無(wú)線回程是使用許可的μW頻段（6 GHz至42 GHz）實(shí)現(xiàn)的。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的爆炸式部署和密集化，情況發(fā)生了變化，現(xiàn)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(shì)，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(xì)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。容量也不是問題，因?yàn)樵谠S可的E頻段點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路中，可以傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量大于60 Gbps1。E頻段還有望用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)，這將進(jìn)一步提高可用的回程數(shù)據(jù)帶寬。與傳統(tǒng)的μW無(wú)線電相比，信道容量顯著增加。由于頻率可用性問題，傳統(tǒng)μW無(wú)線電鏈路的容量只有大約2.4 Gbps。此外，E頻段天線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(gòu)建高增益(45 dBi)、小外形尺寸（30厘米天線直徑）的無(wú)線電設(shè)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(zhǎng)達(dá)3千米的鏈路長(zhǎng)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(tǒng)技術(shù)。銅纜無(wú)法輕松擴(kuò)展以提供4G所需的帶寬，更不用說5G了。對(duì)于室內(nèi)小蜂窩和公共場(chǎng)所來說，它仍然是一種選擇，但運(yùn)營(yíng)商已開始放棄這項(xiàng)技術(shù)。與光纖或μW/mmW相比，衛(wèi)星的使用并不廣泛，原因在于數(shù)據(jù)速率有限，而且由于地球靜止衛(wèi)星處于非常高的地球軌道，延遲是個(gè)問題。低地球軌道(LEO)衛(wèi)星改善了延遲，可能會(huì)發(fā)揮越來越大的作用，但具體情況仍不確定。衛(wèi)星的主要優(yōu)勢(shì)是將沒有替代方案可用的農(nóng)村地區(qū)連接起來。除極少數(shù)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)線接入點(diǎn)會(huì)造成干擾，而且覆蓋范圍有限也是個(gè)問題。

無(wú)線E頻段鏈路如何無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)？

E頻段使用傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)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(hào)強(qiáng)度以不可預(yù)測(cè)的方式衰減，導(dǎo)致接收器收到的信號(hào)水平下降，進(jìn)而降低信噪比(SNR)。值得注意的是，當(dāng)遇到雨衰時(shí)，E頻段無(wú)線電鏈路可以使用自適應(yīng)調(diào)制。這意味著，鏈路可以轉(zhuǎn)而使用不太復(fù)雜的調(diào)制，以防止數(shù)據(jù)丟失。通過降低這段時(shí)間內(nèi)的容量，高可用性數(shù)據(jù)鏈路的連接得以維持。在降雨量高達(dá)100毫米/小時(shí)的情況下，ADI公司的系統(tǒng)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(shù)據(jù)吞吐量的瓶頸。典型BBU支持10 Gbps的數(shù)據(jù)吞吐量，而可用頻譜可支持超過60 Gbps的數(shù)據(jù)吞吐量。ADI E頻段SiP將支持高達(dá)1024 QAM的調(diào)制階數(shù)。

?LO的相位噪聲：相位噪聲會(huì)限制調(diào)制階數(shù)。LO抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致信噪比(SNR)降低，因?yàn)樵肼晻?huì)疊加到要上變頻/下變頻的目標(biāo)信號(hào)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(nèi)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(diào)制的預(yù)期比特效率和SNR要求。

圖4.E頻段無(wú)線電單元系統(tǒng)圖（藍(lán)色 = ADI解決方案）

表2.E頻段技術(shù)支持的數(shù)字調(diào)制編碼與SNR

E頻段無(wú)線電是否比μW無(wú)線電更難設(shè)計(jì)？

令人驚訝的是，E頻段無(wú)線電可以利用當(dāng)前μW無(wú)線電基帶卡設(shè)計(jì)的很大一部分，包括調(diào)制解調(diào)器核心、處理器、存儲(chǔ)器模塊、時(shí)鐘恢復(fù)/生成、同步1588電路和較低頻率模擬前端。這使得μW無(wú)線電供應(yīng)商可以更輕松地過渡到E頻段領(lǐng)域。請(qǐng)參見圖4。E頻段前端模塊、雙工器和天線是將μW無(wú)線電轉(zhuǎn)換為E頻段無(wú)線電所需的新設(shè)計(jì)模塊。

毫無(wú)疑問，76 GHz/86 GHz設(shè)計(jì)似乎令人生畏，因?yàn)榕c較低頻率的RF甚至μW相比，mmW設(shè)計(jì)更復(fù)雜。如圖4所示，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換現(xiàn)已集成為ADI E頻段SiP的一部分，以盡可能降低天線的射頻(RF)損耗，轉(zhuǎn)換至更高頻率的信號(hào)。ADI SiP消除了芯片、鍵合和環(huán)氧樹脂裝配。ADI SiP可以使用標(biāo)準(zhǔn)貼片裝配設(shè)備進(jìn)行裝配。E頻段SiP使無(wú)線電裝配類似于μW無(wú)線電裝配。

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(duì)99.99%和99.999%的可用性），因此E頻段鏈路預(yù)算可能很有挑戰(zhàn)性5。設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮增益、發(fā)射功率、噪聲系數(shù)和IP3等要求，以滿足5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的回程要求。

ADI公司在μW和mmW回程技術(shù)方面有著深厚的積累。我們開發(fā)了E頻段器件來化解上述許多設(shè)計(jì)和裝配挑戰(zhàn)，幫助更多設(shè)計(jì)人員輕松開發(fā)E頻段產(chǎn)品。

E頻段——滿足5G回程需求的下一個(gè)重要選項(xiàng)

本文重點(diǎn)說明了E頻段能夠?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)提供更高的帶寬，從而擴(kuò)展了回程選項(xiàng)。它是光纖的出色補(bǔ)充技術(shù)，為運(yùn)營(yíng)商規(guī)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公司開發(fā)了具有基帶輸入或輸出以及集成波導(dǎo)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(shè)計(jì)相關(guān)的大部分繁重工作。設(shè)計(jì)人員不再需要擔(dān)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(shè)計(jì)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(yù)算以及ADI E頻段SiP系列產(chǎn)品的技術(shù)細(xì)節(jié)。