基于5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究

毛雅琨

（山西信息規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，大量移動設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，僅2019年就有超過40億臺設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，萬物互聯(lián)的時代已然到來，其互聯(lián)設(shè)備用戶數(shù)量將達到新高度。5G技術(shù)的逐漸普及，其數(shù)據(jù)傳輸速率幾何倍數(shù)增長[1]。移動用戶對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量需求將邁向更高的要求。高速率和多用戶會加速無線頻譜資源的消耗，這種情況下就會面臨無線頻譜資源供不應(yīng)求的問題。通信運營商可利用的頻譜資源有限，成為限制無線通信繼續(xù)發(fā)展的重要障礙。為了獲取更大的網(wǎng)絡(luò)容量、更多的頻譜資源和更高的頻譜效率，必須要結(jié)合5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的特點，構(gòu)建一個全新的5G蜂窩結(jié)構(gòu)，從而為5G網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展創(chuàng)設(shè)良好的環(huán)境。本文以此為背景，探討在5G技術(shù)全面展開的大背景下，如何構(gòu)建新型蜂窩結(jié)構(gòu)，有效拓寬無線頻譜資源，為5G技術(shù)在中國的快速發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 5G通信中的蜂窩結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)布局是以“基站+信號發(fā)送”的形式實現(xiàn)區(qū)域的信號覆蓋。其具體過程為在劃設(shè)的移動通信區(qū)域內(nèi)，在相對中心的位置，安裝通信基站?；菊酵度胫螅ㄟ^該基站向整個小區(qū)內(nèi)的所有設(shè)備發(fā)送無線信號，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋[2]。傳統(tǒng)的通信模式中，信號會由于從室外穿墻進入室內(nèi)時，會有一定的穿透損耗。穿過的墻體越多，其信號衰減程度更高。在其衰減的過程中，信號強度不僅會變?nèi)?，而且還會對頻譜效率、能量效率造成影響。基于此，5G蜂窩結(jié)構(gòu)讓室內(nèi)與室外場景相互獨立，避免信號穿墻導(dǎo)致滲透損失的情況。其原理是借助于DAS和大規(guī)模MIMO技術(shù)，根據(jù)小區(qū)用戶數(shù)量的多少和覆蓋范圍的面積，在一個基站上部署幾十個甚至是上百個不等的分布式天線陣列。然后通過光纖將室外的無線接入點與室內(nèi)的用戶設(shè)備進行連接，在保證了信號強度和傳輸速度的前提下，降低對頻率效率、能源效率的干擾。

2 5G無線蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢

相比于當(dāng)前主流的4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢主要有以下幾點：一是更高的傳輸速度。目前4G網(wǎng)絡(luò)的平均下載速度最快可以達到30Mb/s，而5G網(wǎng)絡(luò)的下載速度最高可以達到1Gb/s，提升了將近35倍。高速網(wǎng)絡(luò)使用戶在移動用戶端有了更多體驗，比如4K影音、遠程同步操作等新功能體驗[3]。高速傳輸不僅減輕了無線通信網(wǎng)絡(luò)的運行負(fù)荷，而且還能夠支持包括VR等前沿信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。二是更廣泛的覆蓋。在4G時代，主要通過部署宏基站的方式，為一定范圍內(nèi)的用戶提供信號。宏基站的體積大、成本高，而且無法高密度部署。這就導(dǎo)致了距離基站較近的地方信號強，而兩臺宏基站中間位置，信號較差。進入5G時代，微基站逐漸替代宏基站，部署更加方便、密集，尤其是在偏遠的深山、封閉的地下車庫等位置，也能夠低成本的建設(shè)基站，真正實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。三是低功耗和低延時。根據(jù)信號強度的不同，4G網(wǎng)絡(luò)延時在10-100ms之間波動，而5G網(wǎng)絡(luò)將延時控制在10ms以下，實現(xiàn)了即時響應(yīng)，優(yōu)化了用戶體驗。

3 5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)是通過構(gòu)建多個天線集成陣列的方式，提高單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸速度。4G網(wǎng)絡(luò)中的基站，通常只設(shè)有2條、4條天線，而利用大規(guī)模MIMO技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)，集成陣列中的天線數(shù)量可以達到上百條。每增加一條天線，無線信道可以容納的數(shù)據(jù)越多，傳輸速度越快。MIMO系統(tǒng)還具有較強的可擴展性，后期隨著網(wǎng)絡(luò)通信需求的增加，可以自由的增加天線數(shù)量，始終保證滿足用戶的通信需求。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)除了在提高數(shù)據(jù)容納能力和加快信息傳輸速度方面有明顯優(yōu)勢外，還具有較強的抗干擾能力，對于保障信號穩(wěn)定也有一定作用。

3.2 空間調(diào)制技術(shù)

空間調(diào)制本質(zhì)上也從屬于MIMO技術(shù)，其創(chuàng)新之處在于它能夠在保留MIMO系統(tǒng)各項優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，進一步簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性。例如，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射天線之間存在交叉連接的情況，而實際運行中容易出現(xiàn)某些發(fā)射天線長期處于空閑狀態(tài)的情況，無形中造成了資源的浪費。空間調(diào)制技術(shù)一方面是將天線獨立開來，保證了天線之間不會出現(xiàn)信號干擾的問題，另一方面則是根據(jù)實際的通信需求，選擇性的激活對應(yīng)的天線，避免了天線被激活后長期等待、閑置的問題。

3.3 綠色通信技術(shù)

5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)在大幅度提升網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的同時，也增加了無線通信系統(tǒng)運行過程中的能耗。在提倡綠色節(jié)能的背景下，5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中也需要應(yīng)用綠色通信技術(shù)。尤其是在未來幾年內(nèi)，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，應(yīng)用綠色通信技術(shù)帶來的節(jié)能效益十分顯著。綠色通信技術(shù)的實現(xiàn)，有賴于各種新型元件、設(shè)備的支持。例如，近幾年出現(xiàn)的毫米波技術(shù)，與目前應(yīng)用較為廣泛的微波相比，具有波束窄、散射小、抗干擾能力強等特點，在滿足通信需求的前提下，能耗僅有微波的5%-10%。此外，還有一些微型的靈敏元件，也具有低功耗的特點，如果能夠在5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中推廣使用，將會帶來可觀的節(jié)能效益。

3.4 移動基站技術(shù)

移動基站在4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中也有使用，但是主要應(yīng)用類型是宏蜂窩。而進入5G網(wǎng)絡(luò)時代，更多的是使用移動基站中的微蜂窩和飛蜂窩（Femtocell）。飛蜂窩可以看作是一個獨立的、可移動的基站，能滿足不同空間、場所內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求，相比于宏蜂窩，其成本更低，還具有使用靈活、安裝方便等一系列優(yōu)勢，可降低運行能耗。

3.5 超密集組網(wǎng)技術(shù)

由于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有高流量密度、高峰值速率的特點，如果仍然沿用4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中瞬時涌入超大流量，而導(dǎo)致通信系統(tǒng)堵塞甚至癱瘓的問題。為此，就需要應(yīng)用UDN（超密集組網(wǎng)）技術(shù)，它能根據(jù)用戶的通信需求，靈活進行組網(wǎng)規(guī)劃部署，例如“宏基站+微基站”聯(lián)合部署，可應(yīng)用于商業(yè)區(qū)或工業(yè)園區(qū)等用戶比較集中且對網(wǎng)速要求較高的地方。而對于小區(qū)用戶則可以采取“微基站+微基站”聯(lián)合部署，既能滿足終端用網(wǎng)需求，又能控制運行成本。

3.6 D2D通信技術(shù)

D2D（終端直通）技術(shù)是將兩個蜂窩用戶直接連接進行通信的一種技術(shù)。4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)是一種分散式網(wǎng)絡(luò)，分散的用戶以基站作為信號的“中轉(zhuǎn)站”，實現(xiàn)用戶之間的信息傳遞。而5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用D2D通信技術(shù)，可以實現(xiàn)用戶與用戶之間直接通信。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：一是通過降低通信網(wǎng)絡(luò)的運行負(fù)載，縮短了通信傳輸?shù)臅r間間隔，優(yōu)化了用戶體驗；二是進一步提高頻譜利用率，對于頻帶資源的占用降低，這也是D2D通信技術(shù)適合在5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的關(guān)鍵。

4 結(jié)束語

最近兩年，我國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)很快，已經(jīng)建成全球最大的5G網(wǎng)絡(luò)，基本實現(xiàn)全國各地城市5G網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，正在真正迎來全民5G時代。通過改良5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以進一步提高系統(tǒng)容量和資源利用率，支持5G網(wǎng)絡(luò)下用戶對于高傳輸速度、低響應(yīng)延遲的需要。大規(guī)模MIMO技術(shù)、D2D通信技術(shù)以及UDN技術(shù)等，都是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。依托這些前沿技術(shù)構(gòu)建5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在實用性能、使用成本、服務(wù)質(zhì)量等方面達到統(tǒng)籌兼顧，讓5G技術(shù)為廣大用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的使用體驗。