Pre-5G和5G：毫米波频段能如愿工作吗？（二）
高频率的挑战
从自由空间传播损耗（FSPL）公式可见，频率增加路径损耗随着增加。波长（λ）和频率（f）通过光速（c）关联，即：λf= c，并且随着频率的增加，波长会缩短。这产生两个主要影响。首先，随着波长的缩短，两个天线单元之间所需的间隔（通常为λ/2）减小，这使得实际天线阵列具有多重天线单元。天线阵列的阶数越高，能够聚焦在特定方向上发射的能量越多，因而系统可以克服使用厘米波频率和毫米波频率带来的较高路径损耗。第2个影响涉及传播。在低于 6GHz 场景，衍射通常是影响传播的主要因素。在更高频率，波长太短以至于它们与表面的相互作用加大，散射和反射对覆盖的影响更大。
毫米波频率还要挑战移动性。移动性取决于由下式定义的多普勒频移 fd:fd = fcv/c。式中，fc是载波频率，v 是系统支持的期望速度。多普勒效应直接与相干时间 Tcoherence 有关，可以近似估计为：Tcoherence ≅ 1/ (2fd )
相干时间定义为无线电信道可以假设为恒定的时间，即，其性能不随时间变化的时间。这个时间影响接收机中的均衡过程。如图2所示，相干时间随着速度的增加而减小。例如，为了以100km/h速度移动并将链路维持在2.3GHz载波频率上，相干时间约为2ms。这意味着可以假设无线电信道性能2毫秒内不变。根据奈奎斯特定理，采用2
ms时间间隔，需要在此信号中嵌入2个参考符号，以便正确重建信道。图2显示在较高频率下相干时间减少。对于毫米波频率，多普勒频移在步行速度时已经是100Hz，并且随着速度的增加而增加。因此，相干时间显著减少，使得在高移动性场景下使用厘米波和毫米波频率效率低下。这就是为什么3GPP最初将5G新空口（5G
NR）标准化的重点放在所谓的非独立（NSA）模式上，使用LTE作为控制和信令信息交换以及移动性的锚定技术。使用固定无线接入，移动性不是必需的，所以Verizon的技术方案可以完全依靠毫米波频率，结合网络和所连接设备间的控制和信令信息交换。
28GHz链路预算
如前面解释的，采用天线阵列和波束赋形技术能够将毫米波频率用于无线通信。Verizon在2016年将美国联邦通讯委员会（FCC）分配的28 GHz频段作为5G频谱4，使用的带宽高达850 MHz。随着2015年收购XO通信公司5，Verizon获得使用28 GHz频段许可证，计划使用这些28GHz频段初步推出自己的Pre-5G标准，并将这些归纳在5G技术论坛（5G Technical Forum---V5GTF）名下6。
从运营商的角度来看，新技术的可行性取决于由商业模式给出的可实现商业案例。商业案例受两个主要因素影响：所需的资本支出（CAPEX），其次是运营和维护网络的成本（简称OPEX）。CAPEX由所部署的小区站点数量决定，这取决于要求达到的小区边缘性能（即，小区边缘处要达到的数据速率）和可实现的覆盖范围。厘米波和毫米波能够波束赋形，这有助于克服较高的路径损耗，但与低于6GHz的频率（用于无线通信的主要频谱）相比，覆盖范围仍然有限。
图4、 5GTF 同步和波束赋形参考信号。
为确保足够的覆盖范围，链路预算分析至关重要。考虑采用 100MHz 载波带宽的 28GHz 频段，首先计算接收机灵敏度限值。热噪声电平为-174 dBm / Hz，需要根据 5GTF 标准规定，调整到支持的每个分量载波100 MHz 带宽。在此计算中，接收机使用的典型噪声系数为10 dB，这使得总接收机灵敏度限值为-84 dBm / 100 MHz（参见表1）。接下来，确定预期的路径损耗。自由空间路径（传播）损耗基于在理想条件下的视距（LOS）连接。真实情况并非如此。在教育机构的帮助下，各公司开展了广泛的信道探测测量活动，形成了描述不同环境传播的信道模型，并预测了预期的路径损耗。它们通常用于视线（LOS）和非视线（NLOS）类型的连接。对于固定无线接入，通常使用非视线连接模型。在初期，Verizon 及其行业合作伙伴使用他们自己的信道模型，尽管 3GPP 正在为标准化 5G NR 制定信道模型。当然，这些模型之间存在不同。对于这里要考虑的链路预算分析，使用最早的可用模型之一7。
假设为市区宏小区（UMa）部署场景，图
3 显示了在 28 GHz
频段，与自由空间传播损耗相比视线连接和非视线连接的预期路径损耗。从运营商的角度来看，大的小区间站点距离（ISD）更为理想，因为 ISD
越高，所需的小区站点越少，资本支出越低。但是，可实现的 ISD 由链路预算决定。各种出版物显示，1000 米的 ISD 是部署目标。这样的
ISD 对视线连接的路径损耗至少为 133 dB，而对于使用 ABG（Alpha Beta Gamma）信道模型的非视线连接的路径损耗为 156
dB。下一步是确定需要的小区边缘性能，即，需要的数据速率。每个载波的数据速率取决于调制、MIMO 方案和可实现的信噪比。例如，典型要求是，实现
2bps/Hz 的频谱效率，即，对于100MHz 宽的信道，提供 200Mbps 数据速率。为此，需要大约 8dB
的信噪比，这进一步增加了接收机灵敏度限值。然而，由于接收机正在使用天线阵列，可获得波束赋形增益，波束赋形增益由单个天线单元的增益和天线单元的总数决定。
图5、 罗德与施瓦茨公司5GTF覆盖测量系统。
图6、 在现场使用罗德与施瓦茨公司系统。
在 5G 发展的初期，总接收端波束赋形增益的较好近似值是 17 dBi。基于估计的路径损耗，可以确定所需的总等效全向辐射功率（EIRP）和所需的传导发射功率。根据上述计算，发射端所需的总 EIRP 在 40 和 63 dBm 之间（参见表 2）。在 5G 远端射频头上使用更大的天线阵列会产生更大的波束赋形增益是合理的假设。表 3 提供的是理想计算：需要提供多大的传导功率才能提供需要的 EIRP（17 至 40 dBm）。对于毫米波器件，这些都是高输出功率，设计功率放大器和所需的电路来驱动射频前端和天线阵列是业界面临的挑战。由于不是所有基片都能提供如此高的输出功率，因此行业内设计这些射频器件的公司间将面临一场方法之争。其中一个挑战是为器件提供可接受的加电效率以处理散热。
