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

唐 健

（深圳市中興通訊技術(shù)服務有限責任公司，江蘇 南京 210000）

1 5G異構(gòu)蜂窩體系結(jié)構(gòu)分析

1.1 基本原理

近年來，5G網(wǎng)絡(luò)的加快部署促使無線通信行業(yè)發(fā)展具有廣闊的前景，現(xiàn)有用戶的無線網(wǎng)絡(luò)應用場景多集中在室內(nèi)，室內(nèi)上網(wǎng)需求的擴大對于網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量提出更高的要求。然而受城市規(guī)劃、小區(qū)建筑布局等因素的影響，建筑物墻體遮擋等均會影響到信號傳輸效率與質(zhì)量，并且削弱數(shù)據(jù)傳輸頻譜效率，導致無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下傳遞的能量產(chǎn)生衰減[1]。在此背景下，5G異構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為上述問題的解決提供了有效可靠的方案。基于香農(nóng)理論，將第i個信道的帶寬設(shè)為Bi、信號功率設(shè)為Pi、噪聲功率設(shè)為Np，則系統(tǒng)容量的計算公式為：

1.2 蜂窩結(jié)構(gòu)

5G基站配有大規(guī)模陣列天線（Multiple Input Multiple Output，MIMO），基于分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna System，DAS）實現(xiàn)通信傳輸功能，通過增加發(fā)射、接收天線部署的數(shù)量擴大系統(tǒng)容量[2]。室外基站將大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的天線元件以分布式結(jié)構(gòu)布設(shè)在小區(qū)周圍，通過數(shù)字光纖分別與BS服務基站、室內(nèi)無源分布式天線系統(tǒng)以及MIMO系統(tǒng)建立連接。然而在實際應用環(huán)節(jié)，受室外分布系統(tǒng)天線元件數(shù)量的限值，還需構(gòu)建虛擬天線陣列并在BS附近布置天線陣列，保證MIMO鏈路穩(wěn)定運行[3]。5G異構(gòu)蜂窩體系結(jié)構(gòu)主要包含宏基站、用戶、Pico基站，如圖1所示。在室外利用電纜將分布式天線陣列與無線接入點建立連接，完善基礎(chǔ)設(shè)施配置，從而有效提升小區(qū)吞吐量、頻譜效率以及通信速率等[4]。

圖1 5G異構(gòu)蜂窩體系結(jié)構(gòu)示意圖

2 引領(lǐng)5G移動通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)及其應用

2.1 毫米波技術(shù)

5G移動通信系統(tǒng)針對TDD、FDD兩種雙工制式分別完成頻段劃分，并引入SDL、SUL兩種頻段，在毫米波范圍內(nèi)頻段包含26 GHz、28 GHz、39 GHz等類型，可以有效提升頻譜資源利用率，加快無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸速度[5]。在毫米波通信路徑規(guī)劃上，發(fā)射信號經(jīng)由無線信道進行傳輸，在傳輸過程中易受輻射影響出現(xiàn)信號紊亂等情況。相較于原有網(wǎng)絡(luò)頻段，毫米波通信頻段在信號傳輸過程中允許消耗范圍更大，可在高頻段內(nèi)對接收信號產(chǎn)生約束，用于限制能量損耗。設(shè)波長為d、頻率為f，則在自由空間路徑中信號傳輸產(chǎn)生的損耗為：

在毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)的實際部署與應用環(huán)節(jié)，通過引入一種高度可調(diào)節(jié)的定向傳輸天線完成LOS通道及相應組件的創(chuàng)建，增加系統(tǒng)容量，抑制用戶干擾。但建筑物遮擋、用戶位置移動等均有可能導致鏈路阻塞問題，削弱系統(tǒng)性能，為擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，可采用以下解決方案[6]。

（1）完善DAS系統(tǒng)部署。結(jié)合該系統(tǒng)的傳播路徑特征，可選擇在室外基站或無線基站處部署以16×16天線陣列為代表的集中式MIMO陣列，滿足城市郊區(qū)等的通信覆蓋需求。對于地形起伏大、周圍建筑物較高的城區(qū)，可選取若干個以4×4天線陣列為代表的小型天線陣列進行分布式部署，各天線陣列分別用于覆蓋特定區(qū)域，經(jīng)由光纖實現(xiàn)與公共中控器的連接。根據(jù)毫米波通信系統(tǒng)特征進行DAS系統(tǒng)部署方案的設(shè)計，結(jié)合區(qū)域地形、周圍建筑物分布特征進行部署點位的科學設(shè)計，選取與預期用戶距離較近的點位完成系統(tǒng)接入點的設(shè)置，有效降低信號傳輸過程中的能量損耗，擴大系統(tǒng)覆蓋范圍，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

（2）引入?yún)f(xié)作中繼模式。利用多跳網(wǎng)絡(luò)使信號在LOS信道傳輸過程中繞開阻塞路徑，當期望用戶從特定路徑接收到不同版本的同一信號時，可利用3GPP、LTE等工具進行重分析。當某一通信鏈路發(fā)生信號阻塞問題時，可依托專用中繼站尋找路由，利用室外基站面向期望用戶LOS鏈路中繼進行波束轉(zhuǎn)向調(diào)整，從而完成中繼或路由方案的設(shè)計。例如，當某信號源在向目的地傳輸信號的過程中遇到阻塞問題時，可在信號源、目的地之間設(shè)置中繼終端并分別與兩端LOS鏈路建立連接，配合中繼選擇或路由算法等提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，抑制信道干擾。

2.2 大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)

大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)為5G無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)頻譜效率的提升提供重要支持，以3GPP Rel14為代表的廣播技術(shù)現(xiàn)已使用增強全維MIMO。相應地，發(fā)射、接收天線部署數(shù)量逐漸增多，對于系統(tǒng)部署方案提出了更高的要求[7]。通常mMIMO系統(tǒng)中基站配備的天線數(shù)量較多，在MU-MIMO布置時頻資源時，支持對若干不同終端進行調(diào)度。在此模式下，基站可適應不同終端信道、統(tǒng)一處理天線陣列，通過發(fā)送下行鏈路預編碼方案實現(xiàn)在特定終端集成信號，增強空間聚焦效果，其基本模型如圖2所示。

圖2 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型示意圖

將上述機制與蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，依托大陣列增益實現(xiàn)以發(fā)射天線數(shù)量為基準成倍降低發(fā)射功率，利用特定終端集成發(fā)射信號，規(guī)避多用戶干擾問題。同時，基于信道硬化效應提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，維持鏈路自適應與均衡性。

大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)在TDD模式下具有良好的適用性，為了解決導頻污染問題，依托其高靈敏度使用估計的上行信道對終端執(zhí)行下行波束賦形[8]。具體來說，以小區(qū)A、小區(qū)B兩個相鄰小區(qū)為基準，兩小區(qū)部署的終端A、B均依托同一資源集完成導頻信號的發(fā)送。當室外基站A通過偵聽從終端A處接收到導頻信號后，完成UL信道的估計。由于該估計信道同時兼具布設(shè)在小區(qū)B中的終端B發(fā)送的導頻信號，因此會造成終端A處的導頻信號污染問題。利用室外基站A執(zhí)行波束賦形，經(jīng)由估計信道面向終端A生成下行信號，此時受終端B導頻污染的影響，室外基站A同時也向終端B發(fā)射波束，由此對終端B產(chǎn)生強大的干擾。基于此，在TDD模式下還需采用導頻功控方法進行性能優(yōu)化，以解決多小區(qū)TDD系統(tǒng)中的導頻污染問題。

2.3 移動基站技術(shù)

基站作為5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供信號覆蓋、支持無線信號傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其架構(gòu)與形態(tài)將直接影響到5G通信系統(tǒng)的傳輸性能。現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號頻率大小與傳輸過程中的信號衰減量成正比，普遍引入Massive MIMO、LDPC等先進技術(shù)滿足基站高密度覆蓋與高速率傳輸需求[9]。在5G移動通信基站建設(shè)時，首先應落實科學選址規(guī)劃，引入超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系、低功率頻段、小型化等方案進行基站部署，保證擴大網(wǎng)絡(luò)容量、提升頻譜效率；其次應強化技術(shù)支持，結(jié)合實際基站部署環(huán)境進行解調(diào)環(huán)節(jié)判定手段的選擇，避免網(wǎng)絡(luò)信號出現(xiàn)畸變，提高通信服務質(zhì)量；最后應與LTE網(wǎng)絡(luò)建立協(xié)調(diào)關(guān)系，引入逐步過渡策略進行5G熱點的小范圍部署，逐漸擴大5G信號覆蓋范圍，配合架構(gòu)融合等模式搭建多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低時延。

2.4 其他新空口技術(shù)的應用

在以Massive MIMO為代表的典型技術(shù)基礎(chǔ)上，5G新空口技術(shù)還包含OFDM可擴展波形、5G NR、5G網(wǎng)絡(luò)切片等。其中，基于OFDM的可擴展波形能夠優(yōu)化頻域結(jié)構(gòu)，利用OFDM波形拓展信號覆蓋范圍，輔助5G物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)；5G NR技術(shù)引入承載網(wǎng)提升網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多路徑通達性，通過簡化網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)解決高時延問題，配合對象識別等附屬功能更好地與基站建立高效連接；5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置，支持跨層、跨域協(xié)同，依托不同切片滿足多種業(yè)務需求。將以上新技術(shù)應用在無人機的網(wǎng)絡(luò)連接功能設(shè)計上，可與4K、8K高清視頻傳輸技術(shù)相結(jié)合，滿足安防監(jiān)控管理需求，實現(xiàn)遠程控制目標。依托無人機巡視實現(xiàn)電力巡檢環(huán)節(jié)的無人化作業(yè)，可將上行用戶圖片傳輸速率提升至100 Mb/s，支持全視角對電力設(shè)備、輸電線路進行安全檢查。

2.5 通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路

現(xiàn)階段室外無線通信網(wǎng)絡(luò)主要基于3.5 GHz頻率進行通信傳輸，在此模式下無法保證實現(xiàn)最佳網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，因此可結(jié)合現(xiàn)有頻段進行調(diào)節(jié)，例如選用1.8 GHz頻率進行替換，其頻率接近下行覆蓋水平，可有效滿足室外使用頻率要求。結(jié)合5G無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征，在實際運行環(huán)節(jié)可采用“宏小區(qū)+微小區(qū)”的雙連接模式。選取頂層部署宏小區(qū)，在宏小區(qū)內(nèi)部建立微小區(qū)，分別充當覆蓋小區(qū)和容量小區(qū)，并完成終端部署。利用宏小區(qū)進行用戶控制面數(shù)據(jù)等的處理，微小區(qū)則專用于滿足用戶數(shù)據(jù)面需求[10]。

3 結(jié) 論

5G技術(shù)的推廣應用引領(lǐng)無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的優(yōu)化升級，在此背景下，還應從蜂窩結(jié)構(gòu)出發(fā)進行現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系的持續(xù)優(yōu)化，結(jié)合用戶需求，從實用性能、建設(shè)成本以及服務品質(zhì)等層面加大技術(shù)研發(fā)與應用力度，更好地服務于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療以及現(xiàn)代化教育等領(lǐng)域。