5G 新空口 (NR) 是增强 5G 无线空中接口的全球标准。 NR 将在低频段(低于 1 GHz)、中频段(1GHz 至 6GHz)和高频段(高于 24GHz 毫米波)提供更快的移动体验。 在本文中，我们将讨论高频段毫米波频谱以上的频率，展示集成接入和回程 (IAB) 如何为更灵活的密集化策略打开大门，使运营商能够使用无线回程快速添加新基站。
扩大 5G NR 毫米波网络覆盖的挑战
广泛扩展 5G NR 毫米波网络覆盖范围的一个关键挑战是部署额外毫米波基站的成本。 以下是其他一些主要的移动 5G 毫米波问题以及如何克服这些问题：
- 这种部署的一个重要方面将需要使用新的无线回程基础设施进行可靠的回程安装，从而使毫米波致密化更具成本效益。
- 将存在路径损耗限制覆盖，这将需要许多小型蜂窝部署; 然而，模拟波束成形将有助于克服路径损耗。
- 毫米波需要视距 (LOS)，这可能会限制信号传播。 先进的波束成形和波束跟踪将通过利用路径分集和反射来提供帮助。
- 毫米波仅适用于固定用途。 这里的解决方案是通过自适应波束控制和切换来克服阻塞的切换。
- 毫米波需要大尺寸，因为它耗电大，而且在小尺寸中存在热挑战。 该解决方案是调制解调器、射频和天线解决方案，通过智能手机的商业化来满足外形尺寸和热限制。
什么是 5G IAB?
最近，3GPP 提出了一个标准化多跳 IAB 网络的过程。 本文将概述 3GPP 第 16 版标准提出的多跳 IAB 的主要特性以及这些设计选择背后的原因。
3GPP 5G 第 16 版引入了 IAB，使基站能够为设备提供无线接入和无线回程连接，从而无需安装成本更高的有线回程。 IAB 是指将接入频谱的一部分用作回程。
部署无线 IAB 与光纤 IAB 的原因
5G 承诺了来自毫米波频段的高频的高带宽能力。但存在一个问题，即高频部署的覆盖范围有限，并且需要更密集的基站布局。这将显着增加部署成本。造成这一成本的一个主要因素是需要在地下安装的光纤的部署。
IAB，其中部分无线频谱用于基站的回程连接而不是光纤，现在成为一种有吸引力的解决方案，可以实现经济上可行的密集部署。
IAB 的一个主要好处是它可以灵活且非常密集地部署新无线电 (NR) 小区，而无需按比例增加传输网络的密度。我们可以设想广泛的部署场景，包括支持室外小型基站部署、覆盖范围扩展、室内部署和固定无线接入 (FWA)。如图 1 所示：
图 1：IAB 用例(Source: Integrated Access Backhauled Networks)
3GPP Release 16 的第一个版本特性：
- 多跳回程，将允许范围扩展的灵活性。
- 服务质量 (QoS) 区分和实施，以便满足 5G QoS，尤其是在多跳情况下。
- 支持网络拓扑适应和冗余连接，可实现最佳回程性能以及快速适应回程无线电链路过载和故障。
- IAB节点的接入(如UE链路)和回程链路(到其他网络节点的链路)分别使用相同或不同的载波频率进行带内和带外中继。
- 支持 IAB 节点的部署需要对用户设备 (UE) 透明的传统终端，因此不需要新的 UE 功能或标准化。
Verizon 的计划是部署无线 IAB 与光纤 IAB 的一个很好的例子
Verizon 已经接受了 IAB 技术的部署。这很重要，因为到目前为止，运营商正在使用大量光纤连接来回传来自其 5G 传输站点的流量。
考虑到这意味着 Verizon 只能将 5G 天线安装到能够接入光纤和电力连接的位置，这是一个成本高昂且可能具有限制性的要求。
通过部署无线 IAB，Verizon 可能会在只有电力而非光纤的位置安装 5G 发射器，因为无线天线可以通过无线链路将其流量回传到附近的接收器。该接收器很可能需要连接到光纤网络。
IAB 部署将允许 Verizon 将 5G 天线安装到铺设光纤电缆可能困难或昂贵的位置。一个很好的例子是在一组火车轨道上嵌入光纤电缆的困难。
IAB 远优于当前的无线回程技术，例如使用 60-90GHz E 频段的技术，因为它不需要单独的天线用于回程链路。正如“集成接入回程”过程中的“集成”术语所示，IAB 既可以支持普通 5G 用户的无线连接，也可以支持使用同一天线的回程链路。
在智慧城市中部署无线 IAB 基础设施
随着人们从农村走向城市，城市化正在迅速发展。这给这些城市地区的基础设施带来了负担。智慧城市的部署可能是城市发展的救星，因为它们将减轻这些负担。
预计 5G 技术将成为一个转折点，将推动智慧城市技术成为主流，同时加速新的部署。 3GPP NR Release 16 制定了无线 IAB，这是新部署的关键部分。
智慧城市是一个框架，主要由信息和通信技术 (ICT) 组成，它使可持续发展实践能够应对日益增长的城市化挑战。
ICT 框架由可以使用无线技术和云传输数据的连接对象和机器的智能网络组成。智慧城市居民将通过智能手机和移动设备以及联网汽车和家庭参与智慧城市生态系统。
在整个智慧城市部署许多物联网 (IoT) 设备将能够监测和管理环境条件以及基础设施。这种努力可能代价高昂。智慧城市的生存将取决于降低成本。
智慧城市需要物联网设备连接到互联网以访问来自这些设备的数据。在这里部署无线 IAB 允许基站为设备提供无线接入和无线回程连接，从而消除对昂贵的有线回程的需求。无线 IAB 还可以更快地部署各种规模的基站，以最及时的方式为社区提供全覆盖。由于 3GPP rel-16，多跳 IAB 网络现在变得标准化。
智慧城市还为优化能源分配、改善垃圾收集、减少车辆交通拥堵以及通过真正的无线通信部署从物联网改善空气质量提供了基础设施。
连接的红绿灯将通过调整灯光节奏的时间来接收来自传感器和汽车的数据，从而在减少交通拥堵的同时对实时交通做出快速反应。
联网汽车将与停车计时器和电动汽车 (EV) 充电座无线连接，将驾驶员引导至最近的可用充电区和停车区。
智能垃圾桶将以无线方式将数据发送到废物管理地点，以优化收集时间。
居民的智能手机变成了带有数字凭证的移动驾驶执照和身份证，可以更快地访问城市和当地政府服务。
因此，通过将毫米波频率上可用的部分大频谱用于无线回程，IAB 将大大降低 5G 网络的部署成本，同时实现与光纤部署相当的性能。
期待 5G 第 17 版
图2：5G3PP Release 17概述(来源:5G3PP)
5G 3GPP 第 17 版(图 2)有一个新的时间表，由于冠状病毒导致面对面会议的取消而延迟了进展。 3GPP 在 2021 年下半年恢复面对面会议。好消息是第17版的内容在2019年12月的会议上得到批准。更多详情，请参阅3GPP网站上同意的第17版时间表。
总结
在本文中，我们探讨了扩大 5G NR 毫米波网络覆盖范围这一艰巨任务所面临的诸多挑战。
在 5G 3GPP 第 16 版出现之前，光纤是一个最初但成本高昂的选择，集成接入和回程作为一种非常可行的低成本选择。我们已经证明，与光纤或任何其他提议相比，无线 IAB 在成本和性能方面是一个更好的解决方案。 Verizon 的解决方案提供了一个很好的例子。
5G 通信部署的一个主要且相对较新的领域是智慧城市。本文展示了无线 IAB 如何成为在 5G 毫米波频率下具有可比性能的密集部署的完美示例，而无需与每个基站建立更昂贵的光纤连接。
