毫米波在5G中的應(yīng)用

鐘 旻

5G的目標(biāo)是能實(shí)現(xiàn)如圖1所示的連接。按照這個(gè)目標(biāo)，5G將推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)信息交互方式的進(jìn)一步升級(jí)，為用戶提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清（3D）視頻、移動(dòng)云等更加身臨其境、前所未有的體驗(yàn)；通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)極大擴(kuò)展通信服務(wù)范圍，從人與人通信延伸到人與物、物與物智能互聯(lián)。這意味著將面臨海量、密集的用戶，巨大的通信容量和速率要求的挑戰(zhàn)，是以前幾代的蜂窩無(wú)線移動(dòng)通信無(wú)法勝任的，于是5G應(yīng)運(yùn)而生，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜皖l譜投入上，通過(guò)新的發(fā)展、開(kāi)拓來(lái)達(dá)到目的。

圖1 5G無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)

1 從單層網(wǎng)絡(luò)向多層網(wǎng)絡(luò)演變

在第一講中，我們介紹了5G的一些應(yīng)用場(chǎng)景，如連接廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接、低時(shí)延高可靠等，滿足不同要求的解決方案是引入多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。在蜂窩移動(dòng)通信中，宏蜂窩小區(qū)覆蓋范圍為1～25km，為適應(yīng)5G的應(yīng)用，在一些超密集用戶分布的地方，嵌入小區(qū)（smal l cell），設(shè)置小區(qū)基站，如圖2 所示。小區(qū)包括微小區(qū)（覆蓋半徑30～300m）、微微小區(qū)（10～30m）、飛蜂窩（超小型，家庭型）等，除網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、大小不同外，可能采用不同的接入技術(shù)，因而稱為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）。由于毫米波具有豐富的頻譜資源，但傳播衰減較大，穿透能力弱，可用來(lái)提供LOS傳輸；而宏蜂窩采用較低的頻段傳輸信號(hào)，從而保證甚至在NLOS條件下，獲得較大的、適當(dāng)?shù)母采w。而且，宏小區(qū)和小區(qū)基站采用不同的頻帶，可避免宏小區(qū)與小區(qū)之間的相互干擾。這種多頻段異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)例子如表1所示[1]。

圖2 5G的多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表1 多頻段異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)舉例

要指出，小區(qū)的設(shè)置可能是離散的，即非無(wú)縫隙連接，這樣會(huì)產(chǎn)生越區(qū)切換的問(wèn)題，在每個(gè)小區(qū)基站中通過(guò)信令信道去實(shí)施是相當(dāng)復(fù)雜的；另外，用戶設(shè)備要配備雙頻段，也增加了復(fù)雜度和成本。一個(gè)解決方案是將用戶（U）和控制（C）平面分離，如圖3示。宏小區(qū)支持C平面和U平面二者的信令，通過(guò)宏小區(qū)通信進(jìn)行管理，利用用戶設(shè)備與宏基站之間進(jìn)行信令交互。小區(qū)僅用于傳遞用戶業(yè)務(wù)。宏基站能對(duì)用戶設(shè)備的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)進(jìn)行中心化集中管理。在典型的蜂窩區(qū)點(diǎn)，有一基帶單元（BBU），用以處理用戶和控制數(shù)據(jù)。

圖3 用戶平面與控制平面的分離

2 用戶接入網(wǎng)

現(xiàn)代通信過(guò)程通常是通過(guò)電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。完整的電信網(wǎng)絡(luò)的組成如圖4所示。其中，核心網(wǎng)是由長(zhǎng)途網(wǎng)和中繼網(wǎng)組成的，而用戶與核心網(wǎng)之間的接續(xù)網(wǎng)絡(luò)，便是接入網(wǎng)（AN，Access Network）。

圖4 現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)的組成

圖4中，CPN為用戶駐地網(wǎng)，UNI為用戶網(wǎng)絡(luò)接口，SNI為業(yè)務(wù)接點(diǎn)接口。

ITU-T G.902給出的接入網(wǎng)的定義是：AN是由業(yè)務(wù)接點(diǎn)接口（SNI）和相關(guān)用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）之間的一系列傳送實(shí)體（如線路設(shè)施和傳輸設(shè)施）所組成的、為傳送電信業(yè)務(wù)提供所需承載能力的實(shí)施系統(tǒng)。提出接入網(wǎng)（AN）的概念，其目的之一是采用多種傳輸媒體來(lái)靈活支持混合的不同接入類(lèi)型與業(yè)務(wù)。按此概念，接入網(wǎng)的物理媒體可以是基于有線（如光纖），也可以是基于無(wú)線的。無(wú)線接入網(wǎng)分為固定無(wú)線接入網(wǎng)和移動(dòng)接入網(wǎng)。

表2是mmMAGIC列出的毫米波移動(dòng)無(wú)線接入網(wǎng)的8種使用情況[2]。

表2 毫米波移動(dòng)無(wú)線接入網(wǎng)的8種使用情況

圖5給出了用戶設(shè)備通過(guò)WiFi中繼接入基站的示意圖。對(duì)于固定的無(wú)線接入，則如圖6所示，圖中的用戶轉(zhuǎn)接設(shè)備也就是無(wú)線路由器。在圖7所示的移動(dòng)用戶接入中，使用了一種稱為“Mobility First” 的路由器，它是采用一種適合移動(dòng)接入的新的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議[3][4]。

圖5 用戶設(shè)備通過(guò)WiFi 中繼的接入

圖6 固定用戶設(shè)備的無(wú)線接入

圖7 移動(dòng)用戶設(shè)備的接入

3 回程（Backhaul）與前向（Fronthaul）鏈路[5][6][7]

在分層的電信網(wǎng)中，回程是核心網(wǎng)或骨干網(wǎng)和處于邊緣或遠(yuǎn)處的小子網(wǎng)之間的中間鏈路，是網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。在5G中，宏蜂窩基站與與小區(qū)基站之間，就是通過(guò)回程鏈路連接的。

在人口和通信設(shè)備密集的市區(qū)，光纖作為回程鏈路得到了廣泛的應(yīng)用，它能提供高的數(shù)據(jù)速率和高的可靠性（達(dá)99.999%）；而在人口較少的郊區(qū)和農(nóng)村，或光纖難以到達(dá)的地方，將采用無(wú)線回程鏈路，它具有高的性價(jià)比，并使運(yùn)營(yíng)商能獲得網(wǎng)絡(luò)端到端的控制，而無(wú)須租用第三方的有線回程連接。選擇微波還是毫米波，其最佳方案取決于傳播環(huán)境，以及系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，如小區(qū)位置、配置密度、所要求的回程容量、干擾條件、成本、覆蓋、硬件要求等。

表3列出了用于5G小區(qū)基本的無(wú)線回程頻譜方案摘要。從表可見(jiàn)，在網(wǎng)絡(luò)密集的市區(qū)，用于回程鏈路的毫米波是更為可取的，下面將進(jìn)一步說(shuō)明。

表3 用于5G小區(qū)基本的無(wú)線回程頻譜方案摘要

在密集、超密集網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)部署在熱點(diǎn)地區(qū)，如辦公大樓、購(gòu)物大廳和公寓等處，通過(guò)高速數(shù)據(jù)率提供來(lái)自宏蜂窩小區(qū)的卸載，以滿足這些熱點(diǎn)對(duì)大業(yè)務(wù)量的需求，因此，宏蜂窩小區(qū)基站與相關(guān)的小區(qū)基站之間的回程，應(yīng)提供大帶寬頻譜，用于可靠的鏈路傳輸，故無(wú)線方式中，毫米波是最好的選擇：

（1）高容量和可接受的成本付出。60GHz頻段和部分E頻段（71-80GHz），可提供潛在的GHz傳輸帶寬，傳送Gb/s級(jí)或更高速的大容量信息。

（2）干擾少。由于自由空間傳播損耗、大氣吸收和雨衰等因素制約，60GHz的傳播距離限于數(shù)百米，適合超密集小區(qū)的覆蓋，有利于頻率復(fù)用，降低小區(qū)間的干擾。

（3）小的“形成系數(shù)”，即設(shè)備的小型化。由于毫米波的波長(zhǎng)甚短，做成大陣列天線很容易安裝在宏蜂窩和小區(qū)基站上。而大天線陣列和波束形成有利于獲得高的天線增益、自適應(yīng)處理的能力。毫米波回程設(shè)備小而緊湊，很容易安裝在廉價(jià)的場(chǎng)所，如電燈柱上、建筑物墻壁上、公交站（圖8）等，安裝時(shí)間也較短。

圖8 毫米波回程設(shè)備安裝舉例

移動(dòng)前向鏈路（Fronthaul）是一種新的無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）架構(gòu)[6][7]，由中心化（集中）的基帶單元（BBU）和獨(dú)立的無(wú)線前端組成。無(wú)線前端（RRH）可安裝在距離數(shù)千米至數(shù)十千米的遠(yuǎn)地小區(qū)處，即BBU與遠(yuǎn)地?zé)o線前端（RRU）的中間鏈路。

圖9 前向鏈路的連接

圖9中，引進(jìn)了基于集中化管理、協(xié)作無(wú)線電和實(shí)時(shí)云計(jì)算架構(gòu)的無(wú)線接入網(wǎng)，簡(jiǎn)稱云—無(wú)線接入。其間，多個(gè)小區(qū)基站作為無(wú)線遠(yuǎn)程前端（RRH），多個(gè)基帶處理單元（BBU）組成“BBU 池”。RHH負(fù)責(zé)射頻信號(hào)下行鏈接移動(dòng)站（用戶設(shè)備），而基帶信號(hào)通過(guò)上行鏈路到BBU池處理，所有RRH可連接到一開(kāi)關(guān)（交換）設(shè)備，以便將來(lái)自單個(gè)或多個(gè)RRH的上行信號(hào)，靈活地、動(dòng)態(tài)地安排給BBU處理；BBU池就成為虛擬的基站，可處理基帶信號(hào)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。