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5G扩建难度远超我们的想象

时间:2019-02-01 作者:Brian Santo 阅读:
在历经了大概十年的实验室研究和规划设计后,5G即将进入部署阶段。实际上,该技术已进入了早期部署。我们可以看到,市场人员已经全身投入并着手推广5G服务了。随着5G逐渐走出实验室,ASPENCORE团队着眼于从技术、供应链、运营商和政策等角度对其全面部署进行深入分析和报道。

在历经了大概十年的实验室研究和规划设计后,5G即将进入部署阶段。实际上,该技术已进入了早期部署。我们可以看到,市场人员已经全身投入并着手推广5G服务了。随着5G逐渐走出实验室,AspenCore团队着眼于从技术、供应链、运营商和政策等角度对其全面部署进行深入分析和报道。

每个蜂窝网络运营商都有牌照的5G频谱,将会对它们必须搭建的5G移动电话基础设施产生影响。本文将讨论业界对5G频率信号的认知及其对5G部署规划的可能影响。

从无线行业决定利用更高频率进行5G传输的那一刻起,每个人都知道频谱会对这些部署规划产生一些影响。事实证明,一个问题可能不是什么大事,而另一个问题则更为重要,两者都没有得到很好的解决。这两个问题的根源都众所周知:无线信号的频率越高,传播效果越差,穿越障碍物的能力也越弱。我们来看一下这两个实际问题:

1. 与部署3G和4G不同,部署5G需要有不同的室内和室外策略。

2. 5G基站的间隔必须要更加紧密,因此需要更多的数量,特别是在人口密集的地区。

第一个问题对于5G来说本来是一个比较大的问题,但业界为了应对另一个问题已经广泛采用了一种解决方案。当4G网络运营商担心它们可能遇到容量问题时,便开始支持双模(蜂窝/Wi-Fi)手机。现在,Wi-Fi分流了大量的无线网络流量。双模工作对于缓解日益增长的流量问题来说是种有效的解决方案。

此外,虽然不常发生,但是在某些室内场合4G信号比较弱,甚至没有。这时候双模工作也可以很好地解决这个问题。

因此,双模工作对于运营商升级网络到5G来说简直是一个福音。室内接收对5G来说绝对是一个大问题,特别是更高频的毫米波信号无法穿透墙壁。如果双模式还不是标配,那么运营商就必须要推出。

一种替代方法是创建兼具4G和5G(可能还包括Wi-Fi)的小基站。无线网络运营商已经考虑采用小基站有超过15年了,但如果这是最佳解决方案的话,那它早就实施了。如果可以摆脱的话,没有人愿意部署额外的客户端设备(CPE),从而避免购买和维护的成本。

另一个问题是:网络运营商会保留其4G基础设施。当5G无线用户遇到5G盲区而又没有开启Wi-Fi时,他们会连接到4G网络。因此,关乎大量手机使用的5G美好未来,实际上会是Wi-Fi和4G。感受到5G的兴奋了吗?

此外,5G频率的弱信号传播对于移动电话来说约束更加严重,事实证明毫米波频率并非都是一样的。

建筑物、山丘、树木等物体,甚至人体(特别是人群密集的地方),也会阻挡任何毫米波信号。

水蒸气(湿度)会对24GHz的信号造成损失。氧气在60GHz时也会成为障碍。你看到的没错,这一大气层中地球生命生存必需的元素也可能形成问题(图1)。

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图1:毫米波大气吸收。

实际上,在大多数情况下,水蒸气和氧气对链路预算的影响可能只有1dB左右,但是在某些情况下却会变得严重——雨衰效应必须考虑进去。“尽管强信号不会受到影响,但在大雨情况下,微弱信号可能无法使用,”是德科技工业解决方案兼数字营销高级总监Joel Conover在最近的一篇EDN文章《Tiny waves, big challenges: Getting 5G mmWave mobility right》中指出。

进入毫米波频率还有其他一些挑战,其中一些已经在那篇文章中提及了。例如,当5G接收端快速移动时(比如30mph),6MHz及以下频率的信道一致性可以毫秒计。而在毫米波范围内,这一指标下降到微秒级。这个问题并非不可能解决,而是必须要解决。

以前有估计说,5G基站之间的平均距离大概是250m-300m。但Conover报告称,由于各种潜在障碍的综合影响,大多数设备设计人员将目标定在150m-200m之间,从而达到充分的覆盖。

相比之下,即便在最密集的城市地区,4G基站相隔也可能接近400m-800m(在更开阔的区域,它们可能相隔一到两公里或更远)。

无线运营商将必须安装比支持4G网络更多的5G基站。这要比原先预计的多,因此会增加5G网络部署的成本。

这也是无线公司试图敦促联邦政府去强迫地方政府减少或取消电杆附加费的原因。

这对各无线提供商意味着什么?

唯一可能在这方面占据优势的竞争者是T-Mobile。它已经在6GHz及以下(<6GHz)频谱方面累积了很多牌照,并计划首先在这一频谱上推出5G服务。该公司还表示将在稍后的某个时间使用毫米波频谱(如果能获得牌照的话)以扩展其5G覆盖。

若主要使用<6GHz的频段,T-Mobile可能以较大的基站间距来部署5G网络,这意味着它能够以更低的总成本安装较少的基站来启动和运营5G网络。这样最终可能会提供更可靠的5G服务,但这仍有待观察。

当T-Mobile最终使用毫米波频谱来补充其5G覆盖范围时,将不得不安装更多紧密相邻的基站。话虽如此,但是在最糟糕的情况下,该公司似乎已经制定了一条最可行的线路,能够以可控的投资来部署5G网络。

其他主要的无线网络运营商也会这样做,即及早混合和匹配<6GHz和毫米波覆盖。

安装多组不同的基站,让每组专用于单一频率的传输,这是没有意义的。从物流的角度来看,考虑到基站安装过程的复杂性,这将是十分昂贵并且非常困难的。

由于每家无线网络运营商都将混合和匹配5G频谱以获得最大覆盖范围,因此不管它们获得的牌照在哪个频谱范围内,它们(可能T-Mobile除外,而且也只是在短期内)都将被迫以150m-200m的间距来安装5G基站。

早在2017年2月份,当运营商仍处于现场测试5G传输系统的早期阶段时,小基站论坛(Small Cell Foru)就预计到2025年,业界将安装1310万个5G或多模小基站。现在几乎可以肯定这一数字偏低了。

美国联邦通信委员会(FCC)目前正在单独并行拍卖24GHz和28GHz频谱的牌照。已经有40家公司提出其中一项或两项牌照申请,大多数都是小型区域性公司。与迄今为止几乎所有美国频谱拍卖的情况一样,预计最大的几家公司最终将赢得绝大多数牌照。

AT&T、Verizon Wireless、Cox Communications、T-Mobile、U.S. Cellular和Windstream是竞争24GHz频谱牌照最大的几家公司。另一家著名的竞标者是Starry,这是一家雄心勃勃的初创公司。

Verizon于2017年以18亿美元收购XO Communications,由此获得了不少28GHz频谱的牌照。跟24GHz拍卖结果几乎(但不完全)一样,最有可能抢占28GHz频谱中其余部分频谱牌照的网络运营商名单如下:AT&T(通过AT&T Spectrum Frontiers)、Verizon .Wireless、T-Mobile、U.S Cellular、Frontier Communications和Windstream。

本文为《电子技术设计》20192月刊杂志文章。

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Brian Santo
EETimes美国版主编。Brian Santo已经为多家出版物撰写技术文章达30年,包括Electronic News、EE Times、IEEE Spectrum以及其最近担任CED主编的一些出版物。 他文章涉及的主题包括测试与测量、半导体生产、消费电子、军事电子、有线网络、宽带、无线技术等等。 他在俄勒冈州波特兰的住所外工作,所以请忽略他办公室外嘎嘎叫的鸡。
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