5G 网络部署

大规模 MIMO、网络切片 、 波束成形 网络功能虚拟化  (NFV) 等 5G 不可或缺的突破性技术要求分阶段地部署新的 5G 网络。它们还需要大量投资,预计未来十年电信运营商将在新的 5G 网络部署上花费超过 1 万亿 美元。这项艰巨的任务提供了各种各样的战略和选择,每一种都有围绕 5G 网络技术和更快速度的固有优点和缺点。

新 5G 部署的承诺已经从图纸变为现实。计划和开发了近十年的下一代无线技术已经开始有限的服务。5G 信号最终将带来更快的速度、更低的延迟和服务改进。使这种部署成为可能的基本架构转换是复杂和多层的。 

5G 部署选项 

在第一个新的 5G 发展周期中,运营商和业内人士对新兴趋势进行了研究。这使得人们达成 共识,认为加快 5G 网络部署服务和标准化是必要的。因此,LTE 无线行业的 45 家主要参与者于 2017 年 3 月召开会议,制定了一项名为“整体 5G-NR eMBB 工作计划的前进方向”的 5G 部署计划。该联盟同意通过承诺进行非独立 (NSA) 5G 试验和部署来加快 5G 的采用。

5G NR

几个月后,3GPP  新无线电 (NR) 非独立规范发布。这一概念的开发是为了在当前 4G/LTE 网络基础设施上引入第一个 5G 覆盖功能。这一创新选项带来了更广泛的潜在 5G 部署场景。

选择独立或非独立连接只是创建 5G 部署计划时要考虑的可变因素之一。

还要考虑虚拟化元素与边缘计算、 前传和回传网络配置的集成。小型蜂窝基站布局策略、MIMO 应用和频谱分配使每个 5G NR 安装都独一无二。这种定制级别需要可扩展、准确且高效的测试解决方案来支持可用的网络部署模型。

5G 部署选项 3GPP

第三代合作伙伴项目 (3GPP) 为独立和非独立 5G 网络部署定义了多个选项。5G 规范第 15 版于 2017 年 12 月发布。此版本主要关注非独立选项。第一份独立规范于 2018 年 6 月发布。

5G 部署选项 1 只是具有演进分组核心 (EPC) 的传统 LTE。选项 2 包括单独与 5G 核心网通信的 NR,无需 LTE 锚点。这一“独立”选项要求在目标区域持续覆盖 NR。3GPP 部署选项 4 、5 和 7 都将现有 LTE 基础设施与新的 5G 功能相结合。这种双重连接是将 5G 和 LTE 的优点结合起来以加快 5G 部署的有效方式。

3GPP 第 15 版规范还定义了 5G 信号的发送和接收方式。高带宽和超可靠的低延迟通信 (URLLC) 是重要的目标。这些目标得到了副载波间隔和快速切换等新的 5G 进步技术的支持。第 15 版定义的下行链路波形与 LTE 正交频分复用 (OFDM) 保持一致。上行链路波形添加了离散傅里叶变换 (DFT) OFDM 以实现更好的灵活性。 

3GPP 5G 规范第 16 版 于 2020 年 7 月定稿。范围内的新主题包括在未经许可的频段上部署 5G 网络、工业物联网和 5G 卫星接入。效率是第 16 版的另一个重要关注领域。唤醒信号 (WUS)、eDual Connectivity 和其他创新结合在一起,提高了 5G 网络功耗。

第 17 版预计将于 2022 年夏季完成,将为网络切片、更高 (≥ 52.6 GHz) 频率下的 NR 操作以及采用 URLLC 的高级物联网定义新的用例和功能。新的 3GPP 版本还将基于从现实世界部署中吸取的重要经验教训,重点改进大规模 MIMO 天线技术、集成接入和回传 (IAB) 以及公共安全通信。

5G 部署选项 3X

5G 非独立部署选项 3 实际上是三个选项合而为一。变体 3、3A 和 3X 包含在选项 3 的范围内。每种选项都使用 LTE 基站作为信令锚,但它们定义的元素之间的流量协议略有不同。迄今为止,5G 部署选项 3X 已被最广泛接受,因为用户数据直接流向基站的 5G gNB 部分。这样提升的数据速率就能得到管理。选项 3X 还在更高频率提供更强大的覆盖,在 LTE 到 5G 移动性中几乎没有固有的中断时间。

5G 部署成功的五大关键

成功部署 5G 网络的关键是让传统最佳实践适应使 5G 脱颖而出的新技术突破。这些原则涉及 5G 网络架构、技术和性能的多个领域。

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  1. 认证所有光纤连接并验证天线的方向/指向校准:
    良好的光纤卫生的重要性随着 5G 大规模 MIMO 固有的天线连接的增加而变得更加重要。对高质量连接和验证的承诺还必须扩展到 sub-6 GHz FR1 频段的同轴电缆安装。超过链路预算会直接导致性能下降和延迟开通。天线指向校准,包括方向和倾斜验证,为优化 5G 蜂窝基站性能和覆盖范围提供了有价值的基准。
  2. 验证载波和 SSB 间隔频率以及副载波间隔:
    在 5G 中相当于 LTE 参考信号的同步信令块 (SSB) 用于识别小区并使其与特定用户设备 (UE) 同步。每个 SSB 可以由称为 SSB 索引的唯一数字标识。UE 将基于具有最高观测信号强度的 SSB 索引锁定特定波束。在 5G 网络部署和调试期间,验证 SSB 功能至关重要。还应该测试每个副载波的性能和间隔。
  3. 验证是否存在所有载波以及每个载波的 PCI:
    稳健的 5G 网络部署计划应包括针对每个载波及其各自的物理小区 ID (PCI) 的信号验证。载波聚合是一种通过向每个用户分配多个频率块或分量载波来提高每个用户的数据速率的技术。通过载波聚合提高利用率是 5G 带宽和用例多样性的重要推动因素。 
  4. 验证每个载波的波束 ID:
    在 LTE 部署中,覆盖范围可以完全按扇区划分。使用 5G NR 技术,每个单独的波束表现得很像一个独立的覆盖区域。5G 的“以波束为中心”理念强调了专用波束指数分析作为 5G 网络部署一部分的重要性。
  5. 验证 5G 站点覆盖范围:
    验证设计到 5G 网络中的小区覆盖输出需要精确的 5G 覆盖映射,以确定给定区域的波束指数、功率和信噪比。这种 5G 部署最佳实践可能很难可靠地实现,特别是对于 5G 和 LTE 组合覆盖区域。动态频谱共享 (DSS) 使 5G 和 LTE 能够协同工作,实现无缝覆盖和快速 5G 部署。最好的 5G 覆盖映射工具现已配置用于同时进行 LTE 和 5G 覆盖评估。

5G 部署挑战

有如此多的选项可供选择,仅仅决定采用哪种第五代方法就是众多部署挑战中的第一个。突破性的 5G 无线技术平台正在突破设计、制造和测试能力的极限。网络功能虚拟化 (NFV) 是核心网络切片、边缘智能和其他基本 5G 信号功能的先决条件。这些技术实现物联网和基于人工智能的服务。标准化、安全性和提供驱动虚拟功能所需的 CPU 能力是 NFV 开发人员正在解决的众多障碍中的一部分。

5G Deployment Challenges
 

毫米波是另一个重要的第五代 组成部分,可能会带来技术和后勤方面的挑战。由于覆盖范围有限,无法通过固体物体传输,所需天线的巨大体积带来了一些障碍,这些障碍只能通过渐进式部署来解决。

以(比特/秒)/赫兹测量的频谱效率目前由 香农极限选通,香农极限定义了数据可以通过任何介质无差错发送的最大速率。 这一理论上限远低于 5G 部署的预期和要求。只有大规模 MIMO 和波束成形,利用大型天线阵列,才能使 5G 有效地绕过这个速度更快的自然限制。

5G 天线部署

 

毫米波和大规模 MIMO 在成功的 5G 网络部署中协同工作。虽然更高的频率需要更大的天线体积,但由于它们的波长较短,因此也允许更小的天线形状因数。部署和正确对准这些复杂的天线阵列可能会带来挑战。 

在蜂窝塔顶部工作的 5G 天线集成商根据射频规划工具规范验证天线阵列配置。如果不能正确完成此验证,可能会导致覆盖差距和服务降级。这有时会被误解为蜂窝基站基础设施水平不足,这是一个昂贵的误诊。

通过可靠的天线指向校准解决方案,实现了对 5G 天线部署的高度信心。VIAVI 3Z RF Vision 天线指向校准工具检测天线传输路径中的障碍物,并验证正确的横滚、倾斜和方位角设置。内置摄像头和增强现实功能可用于生成自动视线测量,并检测天线路径中不可预见的障碍物。

 

5G 无线接口

除了高频操作,5G 无线接口还引入了更大程度的频谱共享。灵活的副载波间隔和命理选项是 5G 无线接口的新元素,还包括动态时分双工 (TDD)。该方法将单个频率用于上行链路和下行链路传输,并划分为单独的时隙。TDD 类似于交通控制方法,即根据高峰时间的需求,在每个方向上开放或关闭车道。使用 TDD,可以智能地重新调整上行链路和下行链路流量,以减少系统延迟。

5G 无线接口创新也可能带来额外的部署和测试挑战。传统的测试实践(如门控扫描例程)仅用于评估单一方向的流量。需要更高的可见度来区分真实信号和干扰,特别是在已经使用 TDD 的情况下。创新的 VIAVI 实时频谱分析仪利用先进的 5G 友好选项。这包括持久性频谱和频谱图特征,可提供更详细的监控频段视图。

5G 的波束成形

大规模 MIMO、波束成形和空间复用的有效组合可以增强 5G 覆盖。 波束成形技术是 5G 网络部署的独特之处,可用于将无线信号聚焦到特定的接收设备。建设性地组合多个信号可以提高带宽和覆盖范围。波束成形的正确应用对于改善 5G 覆盖至关重要,尤其是在 FR2 频段 (24.25–52.6 GHz)。波束成形也给监控、维护和验证带来了独特的挑战。 

Beamforming Basics

相长干扰是一种科学原理,用于通过对来自每个小阵列的信号进行战略性分层来改善 FR2 频段的 5G 覆盖。在部署波束成形基础设施时,对每个天线的相位和幅度进行了优化,以产生更高的总体增益方向。3GPP 标准在波束成形策略和 SSB 位置方面提供了灵活性。这种标准化的缺乏也可能给定义 5G 波束成形测试实践带来挑战。 

在 VIAVI 5G 波束成形配置文件 Rx 博客文章中获取精确 SSB 配置的解决方法。
 

5G 中频段

毫米波被定义为 30GHz 到 300GHz 之间的频谱。低频段频谱位于 1GHz 以下。介于这两个极端之间的是中频段,位于 1GHz - 2.6GHz 和 3.5GHz - 6GHz 之间。尽管强调 5G 毫米波,但低频段和中频段频谱对 5G 容量和可靠性也很重要。高频毫米波容易产生失真,且范围有限。由于可用的频率频谱范围很广,这可以通过 DSS 和 自适应波束切换来解决。例如,可以根据需要将 UE 转移到更稳定、更低的频率,直到建立稳定的高频连接。 

低频段频谱的长距离和对信号失真的免疫力为下一代无线基础设施提供了坚实的基础。由于低频率也意味着更慢的速度和更高的延迟,低频段在 5G 时代的应用较少。 

一些人将 5G 中频段频谱描述为“金发姑娘”频谱,在毫米波速度和信号完整性以及低频范围之间取得了恰到好处的折衷。对于 C 频段频率范围 (3.7-3.98 GHz) 尤其如此。

5G 的中频段频谱如此吸引人,以至于许多运营商正在为 5G“改造”3G 频段。此外,280 MHz 的 C 频段频谱在 2020 年由 FCC 拍卖给私营部门。这些转变将有助于缓解可持续 5G 部署所需的可用中频段频谱不足的问题。

5G 网络部署

与过去无线架构的历史转变不同,5G 代表了现有网络的持续演变, 而不是大规模替换或“叉车式”方法。对于 LTE 部署,批发方式限制了许多运营商的财务回报。5G 网络的增量部署,即在传统架构上分层 5G 元素,通常被视为减少资本支出和最大限度降低财务风险的谨慎方法。 

基于服务的 5G 架构,以及核心网络切片技术,在支持新用例的同时增强了现有用例。5G 网络部署选项取决于运营商的业务需求和偏好。 

增强型移动宽带 (eMBB) 预计将在短期内成为全球最大的 5G 用例。打算利用大规模机器类型通信 (mMTC) 或超低延迟通信 (URLLC) 大幅增长的运营商正在相应地调整其 5G 部署策略。部署模型还取决于目标用例所需的密集度和覆盖范围,以及为每个网络分配的频谱。 

5G 商用部署

预计到 2022 年底,全球 5G 用户数量将达到 10 亿,届时预计将有超过 1000 台商用 5G 设备可用。新的 5G 网络铺设在世界各地继续加速,通过 5G 建立的移动 连接 比例也在不断提高。到 2023 年,这一数字在北美应该会超过 50%。这些同比增长清楚地表明,随着商业运营商努力进入 5G 市场,它们之间的竞争日益激烈。 随着 3GPP 5G 规范第 17 版的完成,应该会加快这一步伐。

就像为标准化 5G 架构而进行的全行业协作一样,运营商、芯片组和基础设施制造商、设备制造商和监管机构之间需要持续合作,才能成功实现 5G 商用部署。随着 5G 业务用例范围的扩大,汽车(包括自动驾驶汽车)、医疗设备、农业和航空航天技术等其他行业也成为不断扩大的利益相关者联盟的一部分。 

5G O-RAN

通过开放式 RAN (O-RAN) 架构引入了一条通向 5G 标准化、演进和用例多样性的道路。开放式 RAN 概念基于 5G RAN 元件的互操作性,包括白盒硬件和开源软件。通过从单一供应商 RAN 模式的转变,加快了 5G 新无线电领域的竞争、效率和创新。

O-RAN 联盟由一个不同的运营商联盟于 2018 年创立,共同目标是实现更开放的 5G RAN 基础设施。该联盟的指导原则是在组件和网络级别嵌入智能。O-RAN 通过允许运营商开发分类的多供应商解决方案来补充 5G 部署。它还降低了新的 5G NR 创新者的进入门槛,同时缩短了上市时间 (TTM)。

5G 专网

与不断扩大的5G 商业足迹相对应的一个重要问题是,对 5G 专网的需求不断增长。3GPP 将 5G 专网称为非公共网络 (NPN),专供私人公司或政府机构使用。5G 专网本质上是下一代局域网 (LAN)。 

5G 专网部署具有不到 1 毫秒的延迟、超高吞吐量和 99.9999% 的可靠性,与以太网、局域网或 LTE 专网相比具有明显的优势。这些优势包括设备密度比 LTE 提高 10 倍,以及改进的安全协议。非常适合这种属性组合的用例包括智能制造(工业 4.0)、医疗物联网和公共安全通信。

5G 专网的部署可以作为独立活动完成,也可以与商业网络的 RAN 和核心一起完成。利用 5G 专网的组织可能会选择一个或两个选项,具体取决于公司规模和资源。许多企业 5G 部署旨在取代或支持现有的专用 WiFi 网络。

5G 部署和光纤

讨论 5G 时,无线技术最受关注,但光纤同样值得考虑。尽管 IAB 技术在将部分可用毫米波频谱用于回传方面取得了进步,但仍将有很大一部分 5G 回传是基于光纤的。下一代核心 (NGC) 和 NR 有源天线之间的连接也是使用光纤通道完成的。

由于 5G 前传和中传应用需要大量连接,PON 架构已被证明是一个有用的选择。PON 可以轻松扩展以满足更高的吞吐量需求。必须完成所有光纤和 PON 连接的验证,这使得先进的 5G  光纤测试解决方案对于 5G 部署期间的光纤卫生至关重要。


PON Architecture

仅仅一个小到 1 微米的灰尘颗粒就可能导致网络安装失败。无线电可能无法获得足够的信号。其他可预防且常见的安装问题包括连接松动、无线电辐射和卷起的“光纤”(安装时发射和接收方向相反)。这些问题中的每一个都可能导致覆盖“漏洞”、吞吐量不佳,最终导致客户不满。

当信号失去连续性时,可视故障定位仪 (VFL) 可以轻松识别故障点。使用  OTDR 对功率电平进行彻底验证并进行详细的损耗测试,可以快速解决 5G 光纤安装问题,从而使 5G 蜂窝基站集成正常进行。

 

5G 部署工具

5G 改变了无线网络基础设施的所有要素。这包括光纤、RAN、传输和资产管理。5G NR 部署的每个阶段现在都需要一个专门的工具包来支持实施。运营商已经制定了他们自己的独立程序方法 (MOP)。更全面的光纤测试、OTA 验证、波束分析、覆盖范围和吞吐量测试方法通常更成功;仅仅一个表现不佳的蜂窝基站就可能推迟整个大规模部署的启动。

 

在新的 5G 网络设备的验证和确认阶段,能够在实验室模拟 5G 核心和真实用户行为的测试解决方案可以帮助在 5G 信号激活之前建立 3GPP 一致性和服务质量。  TM500  网络测试仪可以评估完整的 5G 网络 用户 体验。这包括与其他用户的模拟交互以及移动世界中典型的真实设备行为,如电子邮件和数据流。TM500 还支持每个小区或载波的大量 UE 来评估容量。

在技术部署、激活和扩展阶段,毫米波中 5G 信号的 频谱 和干扰需要准确可靠的射频表征和一致性测试。便携式  CellAdvisor 5G  将实时频谱和干扰分析与 5G 波束分析功能相结合。这使得它成为大规模 MIMO 和天线波束验证的最佳解决方案。CellAdvisor 还包括内置光纤测试和检测功能,增加了 5G 部署的多功能性。 

CellAdvisor 5G

测试的重要性贯穿于保障、 优化 和盈利阶段。在此阶段,体验质量 (QoE) 成为全面运营网络的主要关注点。物联网和自动驾驶汽车等先进应用创造了诱人的盈利机会,容错率非常低。这使得可扩展的实时情报平台(例如  NITRO Mobile )对于捕获、定位和分析移动事件以获得卓越的用户体验洞察力至关重要。

Nitro Fiber

一些人认为 5G 部署是“第六次技术革命”的标志。从历史上看,这将 5G 演进技术 放在与蒸汽动力、流水线或计算机时代曙光同样重要的地位。 

5G 应用的这一历史性成就引领了大规模的基础设施发展和范式转变。这一转变的主要参与者包括世界上许多最优秀的工程师和科学家。基础设施专家已经意识到,大量的新用例需要标准化和灵活性,而这很难同时实现。对新兴基础设施规范的遵守和功能的多功能性使最好的  5G 测试工具 成为不断发展的 5G 部署环境的重要组成部分。

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