无线通信的未来：克服5G难题的技术

Ali Sadri, Airgain, San Diego, Calif. and Kyei Anim and Kapil Dandekar, Drexel University, Philadelphia, Pa.

在无线通信领域，强大的信号和可靠的覆盖是满足用户严格期望和要求的必要条件。围绕 5G 可靠性及其挑战的讨论仍在继续，许多人认为空中接口仍未达到预期。问题是释放 5G和未来 6G 无线连接的潜力需要什么？本文将讨论新兴技术如何帮助克服当前的一些问题。

尽管政府和私营部门投入了大量资金，但一些国家的移动用户仍会遇到上网速度慢的问题。cable.co.uk¹最近的分析发现，北非是全球平均宽带速率最低的地区，仅为 12.52 Mbps。与此同时，在另一端，冰岛居民可以体验到 279.55 Mbps 的速度，两者之间的巨大差异显而易见。缓慢的下载速度让消费者感到沮丧，并带来更广泛的经济后果。沃达丰公司估计，由于独立 5G 的推广速度太慢，中小型企业每年错失了高达 86 亿英镑的生产力节约。^（2）。如果没有可靠的无线 5G 连接或 5G over Wi-Fi，智能家居、工厂和城市的前景似乎遥不可及。

在美国，连接偏远社区一直是个难题。不过，由于覆盖范围大、速度快，采用率普遍较高，中东的情况更为乐观，巴林、科威特、阿曼、卡塔尔、沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国等国在部署 5G 网络方面一直处于领先地位，其移动互联网速度堪称世界之最。

目前还没有单一的解决方案可以改善 5G 的推出时间表及其性能。然而，天线、中继器和调制解调器方面的创新如今已成为弥合愿景与现实之间差距的桥梁。近年来，有关可重构智能表面（RIS）和智能中继器的讨论已成为热门话题。

无线技术的复杂性

要解决与 5G 连接相关的问题，需要采用全网络方法。工程师和技术开发人员必须将研究、设计和技术能力的重点放在增强用户体验的各个方面，从服务提供商到最终用户。工程师将从 5G 信号的传播入手，了解无线技术固有的复杂性。尽管 5G 可以提供更低的延迟、更大的容量和更快的吞吐量，但由于频率较高，基站的传播距离较短。频谱的 700 MHz 部分可以远距离传输信号，并能更有效地穿透障碍物。不过，由于可用带宽有限，其吞吐量较低，每个运营商的可用带宽约为 10 到 20 MHz。

3.5 GHz左右的 C 波段频谱具有数百MHz的射频信号带宽，可以实现更高的吞吐量。但问题是，该频段的信号传播距离只有 700 MHz 信号的 20%，而且频率越高，传播距离越短。此外，还存在穿透墙壁和建筑物内障碍物的能力有限的问题。这导致覆盖范围出现缺口，影响用户体验、网络可靠性和服务一致性。

人口稠密的城市对 5G 的需求最大，但大气污染、建筑物和人群都会干扰或阻挡高频信号。为了应对这种情况，需要数千个基站或小型基站才能达到最高的覆盖水平。这种规模的网络将耗资数十亿美元，其成本之高令供应商望而却步，而且很可能引起附近居民的反感。

可重新配置的智能表面

RIS 是一种创新解决方案，在提高 5G 性能方面具有巨大潜力。RIS 设计用于在 6 GHz 以下频段（主要是 3.5 GHz 中心频率）运行，由数千个配备可控元件（如变容二极管）的unit cell组成。这些可控元件使表面能够通过操纵传入的电磁（EM）波来重新配置其响应，从而改善覆盖盲区的信号接收。当针对特定方向进行配置时，响应可能会提高 15 dB以上。图1 显示了在 6 GHz以下频段工作的 RIS 板原型。

图1 RIS 原型。资料来源：Drexel Wireless Systems Laboratory。

RIS 技术有望改变游戏规则，确保 5G 和未来 6G 网络的无缝连接。它能够重新配置电磁波并将其引向覆盖较差的区域，从而显著提升 5G 的性能、效率和可靠性。它有可能增强公众对无线通信技术的信心。然而，这项技术距离大规模商业化还有数年时间。尽管具有诸多优势，但 RIS 因设计复杂性、部署成本和能效方面的因素，实施仍面临挑战。

5G 智能中继器

除了 RIS，5G 智能中继器也是另一项潜在的变革性技术。这些中继器可以接收、清理、放大和向下转发信号。中继器可自动检测最佳信号方向，即使基站距离较远，移动设备也能保持保真度和上传/下载速度。智能中继器是一种更为传统的方法，随着无线技术的发展而不断演变。但它们在增强无线通信方面的价值已得到证明。

智能中继器既可靠又实用，可以降低运营商的无线基础设施成本。这些中继器不依赖于宽带电缆回程，只需要接入电源（包括太阳能），因此非常适合那些一直难以获得可靠连接的地区。中继器接收所需的信号，将其从低电平放大并重新传输，确保以最小的失真到达目的地。这种解决方案的适应性使智能中继器能够适应任何通信环境，成为可靠的选择。正因如此，再加上设备易于安装且不影响性能，解决方案提供商正迅速将智能中继器推向家庭和企业市场，并继续迎合移动网络运营商的需求。

网络控制中继器（NCR）在增强信号强度和改善弱区覆盖方面也能发挥重要作用。这些设备通常是一种射频中继器，可以接收和处理来自网络的侧控制信息（SCI）。与传统中继器相比，NCR 可以更有效地放大信号。

NCR 是传统中继器的高级进化版，旨在增强信号强度较弱的无线覆盖范围，例如密集的城市环境、农村地区和室内空间。与放大和转发信号的传统中继器不同，NCR 具有更高的智能水平，可利用实时网络数据和控制机制动态优化信号传播。这是通过 SCI 获取网络"知识"实现的。这种动态控制使 NCR 能够适应不断变化的条件，如不同的用户需求或物理环境，如移动中的车辆、人员或其他物体。这可确保更好的信号质量和覆盖连续性。

NCR 集成了波束赋形、多波束天线系统和干扰消除等智能功能。这使它们能够将信号导向特定用户，更有效地减少信号损失。例如，假设网络检测到某一区域的拥塞程度较高。在这种情况下，NCR 将优化其传输功率或波束赋形方向，以缓解这一问题，确保信号传播更干净、更高效。图2 显示了安装在建筑物侧面的 Airgain NCR 解决方案，用于实现室内/室外智能覆盖。

图2 Airgain Lighthouse^TM 智能 NCR 室内/室外解决方案。

RIS 和 NCR 可发挥巨大的协同作用，共同在具有挑战性的环境中提供更好的覆盖范围和信号质量。主动式 RIS 可与 NCR 进行动态交互，引导信号波束，从而减少干扰并提高吞吐量。最近使用这种协作方法进行的模拟显示了改善覆盖范围的巨大潜力，以及如何将两者集成到未来室内使用的统一系统中。Airvine 与Drexel University的研究人员合作，使用 Wireless InSite® 模型显示了几种网络配置的室外到室内覆盖情况以及完整的 3D 路径损耗。图3a 显示了 3.5 GHz 基站的覆盖结果。图3b 显示了添加智能中继器后路径损耗的变化情况，图3c 显示了 RIS/智能中继器组合的路径损耗曲线。

图3 (a) 基站路径损耗特性。(b) 配备智能中继器的基站路径损耗特性。(c) 配备智能中继器和 RIS 的基站路径损耗特性。资料来源：Drexel University。

Drexel Wireless Systems Laboratory的研究人员部分验证了 RIS 技术与 NCR 在同一网络内智能中继器的共存与合作概念，以实现室内覆盖。他们模拟了 C 波段 n77 波段的 5G网络覆盖。他们的结果来自于 Wireless InSite^（3）中不同场景功能的使用，这是一个商业计算电磁射线追踪系统，采用了三维发射和反弹射线方法。

第一个场景如图3a 所示，说明了 3.5 GHz 5G 新无线电（NR）宏蜂窝从室内到室外的覆盖情况。在 3.5 GHz 频率下，5G 信号在穿透约 1.5 千米外目标办公楼的墙壁和其他障碍物时会出现较高的路径损耗。这导致信号微弱，接收效果不佳，尤其是在远离窗户的较深室内区域，那里经常出现死区。

图3b 演示了使用配备波束赋形功能的 NCR，将其放置在宏基站和目标大楼之间约 40 米处。智能中继器通过接收天线接收来自基站的微弱信号，将其放大并通过其发射天线向目标办公楼重新传输。如图3b 所示，智能中继器被模拟为增益为 15 dB 的发射天线，可将基站信号增强约 30 dB，并通过大楼窗户进行中继。然而，由于智能中继器的视场有限，大楼覆盖范围内存在明显的死区或阴影区。Drexel University的努力不仅仅是一次学术研究。图4 显示了在 n77 波段模拟运行的 Airgain 5G NR 智能中继器解决方案的示例。

图4 Airgain Lighthouse 5G NR 智能中继器。

为了进一步改善信号覆盖范围，确保这些阴影区域的用户接收到更强、更稳定的 5G 信号，还在建筑物内的墙壁上集成并部署了 RIS，以提高信号质量。Wireless InSite 3D 软件使用加拿大通信研究中心（CRC）的射线光学模型^（4）对 RIS 进行建模。^（5）RIS 的散射行为可动态调整，将信号转向 65 度，从而增强来自智能中继器的 5G 信号，并将其最佳地引向远离窗户的角落办公室的阴影区域。如图3c 所示，这减少了信号死区。未来的室内 RIS 有可能通过与表面集成的功率传感器^（6）更有效地调整其状态，并利用织物等新型材料和制造技术更隐蔽地部署在室内环境中。^（7）。使用 RIS/智能中继器的 5G 网络有助于克服 3.5 GHz 5G 网络的室内覆盖难题，确保在办公楼等复杂环境中实现可靠的连接。

楼宇内无线解决方案

在蜂窝通信发展初期，楼宇内无线 (IBW) 覆盖并不是人们关注的首要问题。到 2000 年代中期，随着 3G 和 4G 技术的出现，对可靠的楼宇内覆盖的需求大幅增长。随着 5G 和 6G 的推出，这种需求也在不断加强。IBW 解决方案通过在宏网络无法充分满足需求的地区增强网络覆盖和容量来应对这些挑战。这可能是由于建筑材料的高穿透损耗、低透射率玻璃或建筑结构阻挡了信号。许多正在进行的关于建筑物内解决方案的模拟有助于解决室内 5G 覆盖的复杂性。

分布式天线系统（DAS）是改善 IBW 覆盖范围的常用解决方案。这种方法是在整个建筑物内部署天线网络，从中央位置分配信号。DAS 有多种类型，包括无源 DAS、有源 DAS、混合 DAS 和数字 DAS。根据场地的大小和类型，每种 DAS 类型都有其优势和局限性。

扩大效益

在消费者寻求更好的流媒体体验和连接更多智能家居设备的同时，增强型 5G 连接有可能给各行各业带来革命性的变化。对于电信运营商来说，面临的挑战在于如何利用现有基础设施最大限度地提高网络性能，而无需增加过多的基站。将 5G 的覆盖范围从城市地区扩展到服务不足的地区，对于确保更广泛的可及性也至关重要。不显眼的解决方案，如图5 所示的 Airgain Lighthouse 微型智能中继器，将有助于小型办公室和家庭办公室采用该技术。

图5 Airgain Lighthouse 微型智能中继器。

为此，网络提供商必须采用最新技术来应对这些挑战，并释放 5G 带来的众多优势，如更快的下载和上传速度、更高的可靠性和更低的延迟。RIS、智能中继器和 NCR 等解决方案正在帮助网络运营商优化投资。这些创新利用现有基础设施降低部署成本，同时提高信号质量和覆盖范围，成为行业工具包中的宝贵资产。

对可靠、高速 5G 连接的需求日益增长。这些技术和其他技术是克服信号干扰和运营成本上升等挑战的关键。这些领域的新发展将为更智能、更互联的社区和行业铺平道路，确保 5G 以及最终 6G 的变革承诺在全球实现。

参考资料（略，见英文原文）

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/43117