智慧型SLIC中繼器擴展5G專網覆蓋範圍

2023-05-25
作者 David Cutrer,Kumu Networks執行長

具有無線電SLIC的1,000倍增益智慧中繼器具有為企業及其他領域應用解鎖5G專網用例的潛力…

5G專用網路及其技術可為企業實現的應用案例,引起業界極大的興趣。此類網路能夠提供專門打造的最佳化網路方案——具有前所未有的資料傳輸速率、低延遲、安全的連線以及可靠的室內外覆蓋能力,同時確保資料的安全性與隱私。

這種所謂的「5G專網」發展趨勢相當受歡迎,因為多年來,業界公司一直在努力使用Wi-Fi作為傳輸關鍵任務連接的方式,部份原因在於Wi-Fi從未被設計用於行動、室內外、可靠、確定性與低延遲功能的連接。

然而,仍然存在的挑戰在於如何以業界公司所能接受的成本實現更好的覆蓋範圍。實現較低成本的一種方法是盡可能地透過中繼器等低成本元件,取代高成本的無線電網路元素,例如基地台。具有更高增益的智慧型干擾消除中繼器(ICR)有助進一步最佳化成本,因為它所需的中繼器較少。

美國國防部(DoD)較早建置了「自干擾消除」(self-interference cancellation;SLIC)技術,包括其所發起的試點計畫,這也是美國國家頻譜聯盟(National Spectrum Consortium) 5G專網計畫的一部份。

Kumu Networks為此在美國猶他州希爾空軍基地(Hill Air Force Base)為DoD試驗台展示其KR9 5G ICR。多家行動網路營運商目前正在評估這款ICR在電線桿或天線杆上快速部署更高範圍、基礎設施級中繼器的可能性。

針對專用網路最廣泛應用的頻段—美國的CBRS 3.5GHz頻段是個很好的範例——其覆蓋範圍比低頻段(如LTE使用的1.8GHz頻段或Wi-Fi使用的2.4GHz ISM頻段)面臨更大的挑戰,因為較高頻率頻段會隨著距離的增加快速衰減,而且又不像低頻段那樣具有較佳的穿牆能力。

傳統上使用大量基地台(gNBs)來實現覆蓋範圍。行動網路營運商的公共網路使用高傳輸功率的大型基地台(包括大規模MIMO),減少需要設置站點的數量以因應5G覆蓋範圍挑戰。但在大多數專用網路中,這種方法並不可行。這是因為在高塔上安裝大量大型基地台並為其提供回傳網路與千瓦級(kW)電源並非都是可行的。此外,在許多專用網路使用案例中,部份目標在於為室內位置提供服務,並期望為此情況採用替代式架構。

其結果是大多數5G專網多半計劃使用小型基地台技術作為無線電網路。因此,需要為這許多小型基地台站點的每個位置提供高品質的回程技術。

而在許多站點,這種回程網路技術的配置並不具成本效益,設置所需時間長,或可能不可行。在這種情況下,5G中繼器提供了更大的價值,可以為專網覆蓋範圍實現快速且具成本效益的解決方案。在許多用例中,有些專網部署可能因為成本或上市時間而不可行,透過這種5G中繼器可能讓專網部署更出色。

然而,中繼器長久以來也一直存在自身的限制。

特別是使用標準中繼器時,可用的增益受到限制,因為過度增強訊號可能導致中繼器變得不穩定且產生振盪,導致無法使用。當中繼器的增益超過其收訊天線(Donor)與服務天線(Service)之間的隔離時,就會出現這個問題。

對於在近距離(例如在同一根桿子上或靠近窗戶)安裝的Donor天線與Service天線,在sub 6GHz頻段時,即使隔開幾英呎,也很少能達到大於50dB的隔離,因此將中繼器增益限制在約50dB以下。這嚴重限制了中繼器所能提供的覆蓋範圍改善程度。

 

Repeater for 5G private network block diagram.

圖1:5G專用網路中繼器方塊圖。

 

使用Kumu的SLIC技術智慧型ICR可提供比標準中繼器更多1,000倍以上的增益。

 

Kumu 5G SLIC ICR.

圖2:Kumu 5G SLIC ICR。

 

Kumu Networks的SLIC技術一般透過在發射天線之前取樣發射訊號,並產生一個180˚振幅反轉、相移與延遲的「改善方式」(antidote),然後注入到接收器,讓發射機的雜訊(自干擾)在接收器端減少。

對於TDD ICR,當服務單元向終端裝置發送增強訊號時,Kumu的取消器會採集該發射訊號樣本,產生「改善方式」並輸入到Donor天線的接收器中,讓Donor天線的接收靈敏度不受Service天線自干擾的影響而降低。Kumu的消除技術包括同步調整演算法,能夠因應現實世界環境的變化(由於RF環境、通道變化與其他變化所引起)不斷調整其「改善方式」,以便在任何時候都能保持消除的性能。

 

Measured ICR gain with SLIC turned on and off.

圖3:透過SLIC測量ICR增益的開啟與關閉。

 

圖3中的黃線顯示當SLIC開啓時,ICR提供80dB的增益。紫紅色線顯示SLIC關閉時約有55dB增益。在這個例子中,我們看到SLIC關閉時,ICR顯示大約562倍的增益改善。

由於標準的類比中繼器一直以來欠缺用於管理的控制通道,因而未能成為可管理的網路節點。智慧型中繼器為網路提供了配置、控制與管理中繼器節點的方法。在Kumu的智慧型ICR中,使用了邊帶LTE控制通道遠端管理中繼器節點。這些中繼器包括提供即時可見的GUI以及重要的中繼器指標與性能監控,同時讓中繼器具有可配置性與管理功能。其中包括了辨識、授權、發射功率控制、波束成形控制、時序與時分雙工(TDD)配置控制以及透過控制通道的開/關功能。

在特定情況下,管理能力特別有用,例如需要調整中繼器增益以最大化整體網路性能與吞吐量的情況,例如由於在該地區部署了更多小型基地台而導致網路環境發生變化。在專用網路的情況下,這種可管理功能非常重要,因為它能隨時確保網路性能能見度以及可靠的連接能力。

 

Real-time visibility and adjustment of 5G repeater performance.

圖4:5G中繼器性能的即時可見性與調整。

 

智慧型ICR可在專用網路部署中大幅降低總體成本。以一個需要由多個小型gNB基地台達成專網覆蓋為例,每個gNB都需要光纖或Gigabit Ethernet回程網路(如果提供此服務)。對於中繼器而言,「回程網路」的成本對於opex與capex皆不存在。在此情況下,gNB與智慧型ICR的結合有助於達到覆蓋效果,而不至於產生過多的回程網路成本。

在日前一項DoD的5G專網展示中,Kumu Networks逼真地展示了這些優點。此次展示使用了Kumu的KR9 SLIC中繼器,如圖5所示。

 

KR9 SLIC outdoor repeater including antennas.

圖5:整合天線的KR9 SLIC戶外中繼器。

 

由於ICR的高增益特性,圖6顯示覆蓋範圍延伸至三到四個街區之外。

 

Example of coverage extension using SLIC ICR.

圖6:使用SLIC ICR擴展覆蓋範圍的案例。

 

智慧型ICR讓5G專網的部署實現覆蓋,即使是在回程網路不一定易於配置而需要安裝基地台的環境中。透過在5G專網部署中使用ICR作為網路元件之一,賦予企業輕鬆且具成本效益地達到有效覆蓋範圍,同時保留完整網路管理的能力。

(參考原文:DoD Testing Smart Repeaters With SLIC for 5G Networks,by David Cutrer)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年5月號

 

 

 

 

活動簡介

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