了解 5G 毫米波的挑战

  新技术通常遵循 Gartner 的经典炒作周期，从最初的创新发展到过度热情，从幻想破灭到启蒙和最终生产力。也不例外。随着围绕 5G 的大胆头条和炒作让位于现实，倡导者和批评者一致认为，在 5G 充分的发挥其潜力之前，一定要解决许多技术问题。基于 24-GHz 至 40-GHz 范围内的毫米波 (mmWave) 频率的 5G最有希望实现高带宽和低延迟的无线连接。然而，毫米波技术也给大规模部署超高速 5G 网络带来了重大的传播挑战和障碍，设计人需要解决这些挑战才能在任何地方释放 5G 的潜力。

  蜂窝进化永无止境：2G 支持短信，3G 带来移动互联网连接，4G引入移动流媒体视频。5G New Radio 是第五代蜂窝技术，有望取代当今的 4G LTE，提供比 4G 快 100 倍的峰值数据速率，以及显着更高的带宽、更低的延迟、更高的可用性和更一致的覆盖范围。

  5G 将是我们生活、工作和联系方式创新的催化剂，以我们尚未想象的方式改变行业并改善我们的生活。正如高速光纤通信的普及彻底改变了互联网一样，5G 网络将增强无处不在的移动连接。具有 10 倍频谱可用性的类似光纤的 5G 速度将模糊我们家庭、办公室、工厂和城市景观中有线和无线接入之间的界限。

  受益于 5G 无与伦比性能的应用包括全自动驾驶汽车、车对车通信、智能建筑和智能城市、远程医疗、医疗机器人、虚拟和增强现实、基于移动云的服务。物联网工业物联网智能工厂、仓库和运动场的连接设备呈指数增长，将成为受益于私有 5G 网络的先行者。

  正如Wi-Fi蓝牙无线技术有多种不同的特性和性能水平一样，移动运营商正在推出几种类型的 5G，它们的速度和延迟根据所使用的频谱存在显着差异。

  超快毫米波 5G 网络基于 24 GHz 至 40 GHz 甚至更高的超高频段，提供大多数人对 5G 的期望的超快性能、宽带宽和“令人惊叹的因素”。这是 5G 频率范围，可以在几秒钟而不是几分钟内实现全长电影。

  Sub-6-GHz 5G 网络——大多数人目前在他们的 5G 服务中体验到的——支持 6 GHz 以下的中低频段。低频段小于 1 GHz，中频段范围为 3.4 GHz 至 6 GHz。

  了解每种 5G 技术之间的差异对于解决部署挑战和满足最终用户对带宽和延迟的期望至关重要。大多数用户今天在智能手机上接收到的 5G 类型并不是他们立即期望的超快、数千兆比特的 5G。

  4G LTE 网络比毫米波 5G 网络慢得多，4G从大约 35 Mbits/s 到超过 50 Mbits/s 不等。毫米波能够给大家提供高达 5 Gbits/s 的速度，比 4G LTE 的速度要快得多。Sub-6-GHz 5G 网络速度介于毫米波和 LTE 速度之间。虽然 sub-6-GHz 网络在吞吐量、延迟和带宽方面都超过了 4G LTE，但它们仍无法达到毫米波性能。

  大多数消费者和企业用户不会为从 4G 切换到 5G 支付额外费用，除非他们看到数据速率、延迟和带宽的显着改善。毫米波是唯一可提供卓越使用者真实的体验的 5G 技术形式。这是我们都想要的5G。

  毫米波技术的巨大潜力伴随着重大挑战。现实世界的毫米波网络速度因范围、以及与最近的 5G 塔或小型基站的距离而有很大差异。虽然毫米波 5G 网络速度超快，但它们的距离也很短。要接收毫米波信号，用户必须在 5G 塔的一两个街区内且没有视线 (LOS) 障碍物。高频毫米波信号非常容易被建筑物、墙壁、窗户和树叶阻挡，进一步缩小了可用的 5G 范围（图 1）。为了优化覆盖范围，运营商面临着以高密度安装大量小型蜂窝，从而推高了大规模部署毫米波网络的成本。

  图 1：服务提供商在快速部署 5G 毫米波方面面临的挑战包括有限的信号范围、视线要求、较差的建筑物渗透以及覆盖范围和连接性。（来源：Movandi）。

  由于其覆盖范围和 LOS 限制，毫米波技术更适合密集的城市环境。由于其范围限制，毫米波不是郊区和农村地区的实际选择，因为更易于部署、更实惠的 4G LTE 和 6GHz 以下 5G 网络为这些地区提供最佳服务。毫米波 5G 网络的广泛部署将需要在地下大量安装光缆。在此之前，运营商将继续依赖现有的网络基础设施，同时市场向 5G 过渡。此外，今天的智能手机并不支持所有类型的 5G。不过，预计苹果和三星将在不久的将来推出新的支持 5G 的智能手机产品。

  尽管范围、信号传播和 LOS 限制是毫米波的“致命弱点”，但大规模多输入多输出、小型化天线阵列、自适应波束成形和智能有源中继器等先进的技术可以有效应对这些挑战。

  智能有源中继器通过放大毫米波信号并在室外环境和建筑物内部扩展基于毫米波的网络的范围和覆盖范围来解决 5G 信号传播挑战。有源中继器通过增强毫米波信号来工作，使它们能够穿透墙壁和其他障碍物并在建筑物周围弯曲以克服 LOS 问题，而无需笨重的天线设计或昂贵的光纤回程（图 2）。

  当部署在建筑物内时，智能中继器会放大微弱的波束信号，并可以照亮整个房间，从而改善最终用户和应用程序的连接体验。有源中继器在 5G 网络中的广泛使用使服务提供商能够以降低 50% 的成本推出室内、室外和移动增强型 5G 毫米波服务。

  图 2：Movandi 基于 BeamX 的有源中继器等解决方案可以将毫米波基站的覆盖率提高 90%，而资本支出成本不到 40%。（来源：Movandi）。

  美国所有主要运营商都在测试毫米波网络，在选定的主要城市和社区提供可用性。Sub-6-GHz 5G 目前比毫米波更广泛可用，主要运营商向城市地区的许多客户推出低频 5G 网络。

  一级运营商正在迁移到毫米波技术以满足网络容量要求，因为到 2023 年，客户的真实需求预计将超过 6GHz 以下容量，多家运营商已经部署了基于毫米波的 5G 网络。虽然 mmWave 的批评者认为 sub-6-GHz 网络提供比 mmWave 更好的覆盖范围并且需要更少的下一代无线电节点 (gNB)，但有限的 sub-6-GHz 频谱最终将需要部署更多 gNB。此外，高带宽毫米波将有利于缓解拥挤的城市地区日益严重的网络拥塞，例如运动场、音乐会场地和机场。

  虽然向 5G 网络的过渡正在进行中，但在 5G 取代 4G LTE、实现超快毫米波速度和低延迟的承诺之前，还有非常长的路要走。毫米波技术是释放 5G 潜力的关键。为实现 5G 低延迟、高带宽、更快速度和广泛覆盖的宏伟目标，主要运营商与毫米波解决方案提供商正在共同努力克服这些基本挑战。

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