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E頻段成5G高速回程新選項　支援最高60Gbps速率(2)

2024-02-20

第五代行動通訊(5G)逐步普及，回程技術成為支援全球5G網路部署的關鍵。本文介紹各種5G網路回程技術，並重點討論E頻段無線射頻鏈路。

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可用回程解決方案

(承前文)光纖回程是行動網路營運業者(MNO)可以使用的最高容量方案。其是目前使用的主流小型基地台回程技術，因為許多人口稠密的城市/室內區域都有光纖可用，而且這些區域都使用小型基地台來增加覆蓋範圍/容量。光纖的容量高達1.6Tbps(160個訊號×每個訊號10Gbps)。光纖是MNO的最高容量選擇。然而，光纖部署存在成本高、採購難、規劃審批複雜和耗時長等問題。根據GMSA的資料，部署光纖的成本約為7萬美元/公里。資本支出和部署時間是阻礙成長的因素。

需要注意的是，μWave/mmWave回程和光纖是互為補充的解決方案，其在網路中共存。無線和光纖為營運業者提供了取代回程技術。理想的回程解決方案需要考慮許多因素，包括部署時間、聯邦/州和城市的許可、獲得通行權、資料頻寬要求、地形和總體擁有成本。μWave和mmWave回程是目前大型基地台的主流回程技術，約占大型基地台回程鏈路的50%。

μWave許可頻段技術功能強大、易於部署且成本相對較低(無需破壞城市街道或開挖溝槽)。其覆蓋6~42GHz的頻率，這些頻段非常適合中長距離鏈路，覆蓋範圍可達25公里。

在V頻段(57~66GHz)和E頻段(76/86GHz)內使用毫米波回程技術已持續多年。然而，V頻段會遭受嚴重的氧吸收，在60GHz處會發生很大的訊號衰減。此外，各國對該頻段的使用有不同的規定。有些國家將部分頻譜授權用於回程，而有些國家則將其留給非授權使用。歐洲和美國是允許非授權使用的地區，並且正在制定規則以減少不同配置的干擾概率。但是，V頻段在提供高品質回程方面仍然不可靠。其用途預計主要是非授權的短距離室內和室外覆蓋解決方案(WiGig)。E頻段提供頻寬更寬、訊號衰減更低的解決方案，可實現高可用性鏈路。

那麼，為何過去沒有在網路中大量使用E頻段呢？在4G網路中，考慮到可用頻寬容量，毫米波回程技術並未得到充分利用，只有某些場景才會用到，因此大多數無線回程是使用許可的μWave頻段(6~42GHz)實現的。隨著5G網路的爆炸式部署和密集化，情況發生了變化，現在需要10Gbps或更高的回程能力。

那麼，使用E頻段有哪些核心優勢，其與光纖和μWave相比如何？E頻段提供兩個5GHz頻譜頻段：71~76GHz和81~86GHz。這些頻段被細分為多個250MHz通道。頻譜分配的一個主要優點是其可以用於分時雙工或分頻雙工鏈路。容量也不是問題，因為在許可的E頻段點對點鏈路中，可以傳輸的最大資料量大於60Gbps。E頻段還有望用於點對多點系統，也將提高可用的回程資料頻寬。

相較於傳統的μWave無線電，通道容量明顯增加。由於頻率可用性問題，傳統μWave無線電鏈路的容量只有大約2.4Gbps。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度的發散角)，因此可以建構高增益(45dBi)、精巧的外型尺寸(30公分天線直徑)的無線電設備，非常適合隱蔽安置在建築物或塔上。即使RF發射功率不高，E頻段通常也能支援長達3公里的鏈路長度。表1比較了常用的幾種回程技術。

銅纜是使用T1/E1協定的傳統技術。銅纜無法輕鬆擴展以提供4G所需的頻寬，更不用說5G了。對於室內小型基地台和公共場所來說，其仍然是一種選擇，但營運業者已開始放棄這項技術。相較於光纖或μWave/mmWave，衛星的使用並不廣泛，原因在於資料速率有限，而且由於地球同步衛星處於非常高的地球軌道，延遲是問題之一。低軌(LEO)衛星改善了延遲，可能會發揮越來越大的作用，但具體情況仍不確定。衛星的主要優勢是將沒有替代方案可用的鄉村地區進行連接。除極少數新興市場外，Wi-Fi並不是一種廣泛使用的回程技術。這些頻段是非授權的，因此不斷增多的無線存取點會造成干擾，而且覆蓋範圍有限也是個問題。

無線E頻段鏈路傳輸架構

E頻段使用傳統的數位調製編碼，例如從BSPK到1024 QAM。但是，限制連結距離的因素有哪些？

惡劣天氣：雨、霧、雨夾雪和雪會使訊號強度以不可預測的方式衰減，導致接收器收到的訊號水準下降，進而降低訊號雜訊比(SNR)。值得注意的是，當遇到雨衰(Rain Fade)時，E頻段無線電鏈路可以使用自我調整調變。這表示鏈路可以轉而使用不太複雜的調變，以防止資料丟失。透過降低這段時間內的容量，高可用性資料連結的連接得以維持。在降雨量高達100mm/小時的情況下，廠商如ADI的系統化封裝(SiP)解決方案可確保1公里鏈路具有99.999%的可用性。
基頻能力：在E頻段頻率工作時，基頻單元成為資料輸送量的瓶頸。典型BBU支援10Gbps的資料輸送量，而可用頻譜可支援超過60Gbps的資料輸送量。
LO的相位雜訊：相位雜訊會限制調變階數。LO抖動會導致訊號雜訊比(SNR)降低，因為雜訊會疊加到要上變頻/下變頻的目標訊號上。

表2顯示了E頻段技術支援的多種調變的預期比特效率和SNR要求。

E頻段無線電設計難度

令人驚訝的是，E頻段無線電可以利用目前μWave無線電基頻卡設計的很大一部分，包括數據機核心、處理器、記憶體模組、時脈恢復/產生、同步1588電路和較低頻率類比前端。這使得μWave無線電供應商可以更輕鬆地轉換到E頻段領域。E頻段前端模組、雙工器和天線是將μWave無線電轉換為E頻段無線電所需的新設計模組。

毫無疑問，76/86GHz設計似乎令人生畏，因為相較於較低頻率的RF甚至μWave，mmWave設計更複雜。如圖4所示，波導轉換現已整合為ADI E頻段SiP的一部分，以儘可能降低天線的射頻損耗，轉換至更高頻率的訊號。