簡介

本文介紹可供5G網(wǎng)絡(luò)使用的各種回程技術(shù),，重點討論E頻段無線射頻鏈路及其如何支持全球5G網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)部署。我們將對E頻段技術(shù)必需的系統(tǒng)要求進行技術(shù)分析,。然后,，我們將結(jié)果映射到物理無線電設(shè)計中,，同時深入了解毫米波(mmW)信號鏈,。

5G網(wǎng)絡(luò)拓撲

隨著4G長期演進(LTE)技術(shù)的成功推進,，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)的拓撲結(jié)構(gòu),，以幫助我們清晰地理解從接入到回程的無線電網(wǎng)絡(luò),。該拓撲結(jié)構(gòu)描繪了四種場景，每種場景都通過單獨的連接回到核心網(wǎng)絡(luò),。

手機和5G無線互聯(lián)網(wǎng)等用戶設(shè)備(UE)將通過連接到下一代無線接入網(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，更高效地擴大網(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,，例如在體育賽事直播中,，球迷可以在移動設(shè)備上觀看回放。NG-RAN設(shè)備還有一些實例,，可以在FR1和FR2頻段工作,，例如大規(guī)模MIMO無線電、微蜂窩、毫微微蜂窩,、微微蜂窩等,。

回程（也稱回傳）或移動回程是指連接核心網(wǎng)絡(luò)(CN)和無線接入網(wǎng)絡(luò)（5G中的gNodeB）的傳輸網(wǎng)絡(luò)。隨著蜂窩站點密度的增加,，由于需要高容量鏈路來連接核心網(wǎng)絡(luò),，因此移動和固定無線回程顯得愈加重要?！?022年愛立信微波展望》報告顯示,，到2025年，城市蜂窩站點將需要每站點5 Gbps至20 Gbps的回程容量,。在圖1中,，我們將無線回程顯示為微波(μW)和E頻段(mmW)無線電兩種。E頻段無線電可以與μW無線電共置,，或者作為更高數(shù)據(jù)帶寬方案替代μW無線電,。雖然5G帶來了新的商機，但移動運營商由于需要在城市或農(nóng)村地區(qū)快速提供（上市時間）高容量,、低延遲,、可靠、可擴展,、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),。運營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展示了無線接入網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)演進?；貍魇敲糠N解決方案的核心部分,。

· 蜂窩站點RAN：傳統(tǒng)配置，射頻單元(RU)和BBU功能位于蜂窩站點,。單獨的回傳鏈路連接到核心網(wǎng)絡(luò),。

· 集中式RAN（低級拆分）：此模式允許將部分網(wǎng)絡(luò)集中到邊緣站點，這樣做可以提供虛擬化優(yōu)勢(vBBU),。處

理能力將下放到邊緣站點,，蜂窩站點中只有物理層,，因此會降低其復(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),。這有時稱之為低級拆分。

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

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

· 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,，無法與其他供應(yīng)商的設(shè)備實現(xiàn)互操作。

此外,，隨著運營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之間有一個根本區(qū)別：在5G NR中，傳統(tǒng)的EPC（演進分組核心網(wǎng)）在專用硬件上運行,，通常位于基站或蜂窩塔附近,，造成被拆分。這樣各項功能可以在商用成品(COTS)硬件上運行,。因此,，隨著功能轉(zhuǎn)移到邊緣，5G的核心網(wǎng)絡(luò)實際上更加分散。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,，一個切片可以提供高速寬帶,，而另一個切片可以為物聯(lián)網(wǎng)提供機器對機器連接。此外,，這種邊緣云架構(gòu)支持邊緣計算,。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,，而不是費勁地從一個中心位置回傳數(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,。

目前有哪些回程解決方案可用？

光纖回程是移動網(wǎng)絡(luò)運營商(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),，因為許多人口稠密的城市/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1.6 Tbps（160個信號 × 每個信號10 Gbps）,。光纖是MNO的最高容量選擇。然而,，光纖部署存在成本高,、采購難、規(guī)劃審批復(fù)雜和耗時長等問題,。根據(jù)GMSA的數(shù)據(jù),，部署光纖的成本約為7萬美元/千米。資本支出和部署時間始終是阻礙持續(xù)增長的因素,。需要注意的是,，μW/mmW回程和光纖是互為補充的解決方案，它們在網(wǎng)絡(luò)中共存,。無線和光纖為運營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)功能強大,、易于部署且成本相對較低（無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距離鏈路,，覆蓋范圍可達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頻段會遭受嚴重的氧吸收,，在60 GHz處會發(fā)生很大的信號衰減。此外,，各國對該頻段的使用有不同的規(guī)定,。有些國家將部分頻譜許可用于回程，而有些國家則將其留給免許可使用,。歐洲和美國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,、信號衰減更低的解決方案,，從而可實現(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,，只有某些場景才會用到，因此大多數(shù)無線回程是使用許可的μW頻段（6 GHz至42 GHz）實現(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，它與光纖和μW相比如何,？E頻段提供兩個5 GHz頻譜頻段：71 GHz至76 GHz和81 GHz至86 GHz,。這些頻段被細分為多個250 MHz信道。頻譜分配的一個主要優(yōu)點是它可以用于時分雙工或頻分雙工鏈路,。容量也不是問題,，因為在許可的E頻段點對點鏈路中，可以傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量大于60 Gbps1,。E頻段還有望用于點對多點系統(tǒng),，這將進一步提高可用的回程數(shù)據(jù)帶寬。與傳統(tǒng)的μW無線電相比,，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達3千米的鏈路長度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),。銅纜無法輕松擴展以提供4G所需的帶寬，更不用說5G了,。對于室內(nèi)小蜂窩和公共場所來說,，它仍然是一種選擇，但運營商已開始放棄這項技術(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,，延遲是個問題。低地球軌道(LEO)衛(wèi)星改善了延遲,，可能會發(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，因此不斷增多的無線接入點會造成干擾,，而且覆蓋范圍有限也是個問題,。

無線E頻段鏈路如何無線傳輸數(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、雨夾雪和雪會使信號強度以不可預(yù)測的方式衰減,，導(dǎo)致接收器收到的信號水平下降,，進而降低信噪比(SNR)。值得注意的是,，當(dāng)遇到雨衰時,，E頻段無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100毫米/小時的情況下，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,，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1024 QAM的調(diào)制階數(shù)。

· LO的相位噪聲：相位噪聲會限制調(diào)制階數(shù),。LO抖動會導(dǎo)致信噪比(SNR)降低,，因為噪聲會疊加到要上變頻/下變頻的目標(biāo)信號上。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。

表2.E頻段技術(shù)支持的數(shù)字調(diào)制編碼與SNR

E頻段無線電是否比μW無線電更難設(shè)計,？

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

毫無疑問,，76 GHz/86 GHz設(shè)計似乎令人生畏,，因為與較低頻率的RF甚至μW相比，mmW設(shè)計更復(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,。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)備進行裝配,。E頻段SiP使無線電裝配類似于μW無線電裝配。

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)計人員必須仔細考慮增益,、發(fā)射功率,、噪聲系數(shù)和IP3等要求，以滿足5G網(wǎng)絡(luò)運營商的回程要求,。

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)計和裝配挑戰(zhàn)，幫助更多設(shè)計人員輕松開發(fā)E頻段產(chǎn)品,。

E頻段——滿足5G回程需求的下一個重要選項

本文重點說明了E頻段能夠為5G網(wǎng)絡(luò)提供更高的帶寬,，從而擴展了回程選項。它是光纖的出色補充技術(shù),，為運營商規(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)計相關(guān)的大部分繁重工作,。設(shè)計人員不再需要擔(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)計人員提供更易于使用的技術(shù),，以推動這一市場的發(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)細節(jié)。