Основная проблема, с которой сталкивается развертывание 5G, заключается в том, что доступный спектр ниже 6 ГГц не поддерживает задержку и пропускную способность, необходимые для обеспечения оптимальной производительности, требуемой продвинутыми приложениями и одновременными пользователями. Хотя существующие сети 5G с частотой ниже 6 ГГц обеспечивают незначительные улучшения по сравнению с существующими сетями 4G LTE, они не обеспечивают обещанного покрытия 5G, производительности и задержки в условиях плотной городской среды и переполненных мест проведения мероприятий.
Сети 5G, использующие частоты mmWave в диапазоне от 24 до 40 ГГц, наиболее перспективны для подключения 5G с высокой пропускной способностью и низкой задержкой. Сети 5G на миллиметровых волнах обеспечивают повышение пропускной способности на порядки благодаря наличию более широких полос спектра на частотах 28, 39 и 60 ГГц и массовому повторному использованию частот с помощью высоконаправленных антенн.
Однако появление сетей 5G следующего поколения в диапазонах миллиметровых волн также привело к возникновению технических проблем. Внедрение технологии mmWave создает множество проблем с распространением сигнала, блокированием и потерей пути, которые необходимо преодолеть:
1. Более высокие потери при распространении на высоких несущих частотах — с увеличением несущих частот мощность сигнала уменьшается при использовании одиночной антенны размером ≈λ/2, т.е. когда длина антенны приблизительно равна половине длины волны, λ. На миллиметровых частотах антенна меньше, чем на частотах низкого или среднего диапазона, поэтому ее площадь увеличивается пропорционально квадрату длины волны. Полученная мощность масштабируется соответствующим образом. Антенная решетка компенсирует это масштабирование, но фазы сигнала должны быть выровнены с помощью метода, называемого формированием луча.
2. Необходимость в отслеживаемом пути LOS или сильном отражающем пути между передатчиком и приемником — сигналы mmWave обычно либо являются LOS, либо отражаются от объектов. Главным образом из-за того, что длина волны мала по сравнению с краями или шероховатостью объектов, рассеяние меньше. Отсутствие преломления и дифракции в высокочастотных радиосигналах — из-за целенаправленного формирования луча — ограничивает доступность множества каналов связи с трассой LOS или сильными зеркальными отражающими дорожками. Это является основным препятствием для обеспечения стабильных беспроводных подключений, которые должны быть доступны в любом месте и в любое время.
Формирование луча в сочетании с алгоритмами отслеживания луча и управления лучом обеспечивают надежную связь. В сетях 5G на миллиметровых волнах, поскольку обе поляризации инициируются одной и той же антенной и поскольку объекты и стены в основном отражают луч, один и тот же луч передает обе поляризации независимо для поддержки 2 x 2 MIMO. На более низких частотах это не так.
3. Высокие потери при пропускании через материалы на высоких радиочастотах — по сравнению с частотами ниже 6 ГГц сигналы миллиметровых волн демонстрируют очень высокие потери при распространении через типичные материалы, такие как стекло, тонированное стекло, дерево и гипсокартон. Это является дополнительным ограничением доступности и стабильности сигнала.
Для сигнала mmWave хорошо понятны высокие потери при распространении. Для одной и той же области захвата потеря пути может быть компенсирована общепринятым решением. Это решается за счет использования управляемых фазированных решеток и создания больших антенных отверстий за счет совместного фазирования множества небольших антенных элементов. Однако не существует широко согласованных или стандартных методов смягчения последствий для решения второй и третьей проблем, хотя мы сталкивались с аналогичными техническими проблемами в случае спутникового телевидения и Wi-Fi. Эти проблемы были решены с помощью дополнительных точек доступа, ускорителей, ретрансляторов и настройки спутников.
ПРОБЛЕМЫ С РАЗВЕРТЫВАНИЕМ
Рассмотрим три сценария развертывания, в которых решение для ретрансляции может быть разработано для повышения доступности канала:
Отсутствие ЛОС или сильная отражающая дорожка
Рисунок 1 иллюстрирует случай, когда между базовой станцией gNB и пользовательским оборудованием (UE) нет потерь или сильного отражающего пути. Учитывая отражающие свойства распространения на высоких частотах, естественные или пассивные отражатели должны создавать зеркальный путь между источником и пунктом назначения. Как показано на рисунке, без ретранслятора это ограничивает развертывание сценариями LOS или теми, которые могут полагаться на естественные зеркала в среде для закрытия канала.
Рисунок 1. Среда распространения без LOS.
Очень высокая потеря коэффициента пропускания
Рисунок 2 иллюстрирует сценарий развертывания с очень высокой потерей пропускания из-за объектов между gNB и UE. Например, потери при передаче через тонированное стекло могут достигать ≈40 дБ, что сложно предусмотреть в бюджете на один переход по каналу связи.
Рисунок 2. Среда распространения, страдающая от очень высоких потерь пропускания.
Неотслеживаемая изменяющаяся среда и/или отражатели
В идеале алгоритмы отслеживания луча отслеживают движения и изменения в окружающей среде, отражателях и UE и адаптируются к ним. Однако типичные изменения в окружающей среде, такие как блокировка LOS или изменение ориентации UE, может оказаться трудно отследить без потери соединения. Таким образом, для обеспечения надежных соединений для мобильных и изменяющихся сред требуется больше методов смягчения последствий и архитектурных улучшений (см. рисунок 3).
Рис. 3. Среда мобильного распространения со сложными неотслеживаемыми путями и отражателями.
АРХИТЕКТУРА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО РЕТРАНСЛЯТОРА
Активные ретрансляторы могут быть сконструированы для повышения доступности канала mmWave и решения проблем с потерями. Чтобы свести к минимуму задержку, стоимость и сложность, ретранслятор, основанный на архитектуре “без демодулятора”, максимизирует доступную мощность сигнала и устраняет необходимость в традиционных методах демодуляции и ремоделирования.
На рисунке 4 показаны три различных варианта этой архитектуры. Ретранслятор, работающий только в радиочастотном диапазоне, имеет незначительную задержку и наименьшие потери, однако он может усиливать соседние каналы. Радиочастотно-аналоговый ретранслятор имеет незначительную задержку и может подавлять соседние каналы перед передачей. Интеллектуальный ретранслятор подавляет соседние каналы и предоставляет возможность манипулировать сигналом на уровне выборки без заметной задержки. Он может использовать, например, цифровое предварительное искажение для усилителя мощности и цифровое пост- или предварительное выравнивание для компенсации неравномерных характеристик радиочастотного и аналогового блоков.
Рис. 4. Варианты повторителя без демодулятора.
Интеллектуальный ретранслятор, установленный между gNB и UE, может уменьшить отсутствие потерь между gNB и UE. На рисунке 5 обобщены результаты для сценария развертывания, показанного на рисунке 1, с ретранслятором и без него.
Рисунок 5. Использование ретранслятора для устранения отсутствия потерь.
Оригинальный веб-сайт статьи:
https://www.microwavejournal.com/articles/38666-optimizing-active-repeater-architectures-for-distributed-5g-networks
