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

汪 黎

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410126）

0 引 言

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信效率的要求不斷提升。各大運(yùn)營商面對(duì)持續(xù)增長的數(shù)據(jù)速率和移動(dòng)性不斷增強(qiáng)的無線應(yīng)用，要進(jìn)一步研發(fā)新的通信系統(tǒng)，以滿足數(shù)據(jù)高速運(yùn)行的要求。目前，我國已經(jīng)對(duì)5G無線通信系統(tǒng)進(jìn)行研究和應(yīng)用，4G網(wǎng)絡(luò)正逐漸向5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化。以蜂窩結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立分布式天線系統(tǒng)，并采用MIMO技術(shù)，實(shí)現(xiàn)容量增益，進(jìn)而優(yōu)化服務(wù)質(zhì)量，滿足用戶的通信需求。

1 5G無線通信蜂窩結(jié)構(gòu)簡述

1.1 5G無線通信

電磁波屬于有限資源，具有不同的頻率特性，且用途也各不相同。不同的電波用處不同，具體用途如表1所示。

表1 各頻率電波用途

2017年11月，工信部通知我國5G初始中頻頻段有兩個(gè)，一個(gè)是3.3～3.6 GHz，另一個(gè)是4.8～5 GHz。如果5G通信使用高頻段，則會(huì)降低通信覆蓋面積，需要大量基站。為了解決這個(gè)問題，微基站應(yīng)運(yùn)而生。微基站可以融入各類環(huán)境，可以廣泛覆蓋，進(jìn)而充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢。此外，5G網(wǎng)絡(luò)還具有Massive MIMO的應(yīng)用優(yōu)勢，MIMO即Multiple-Input Multiple-Output，即發(fā)送和接收都采用多根天線。MIMO技術(shù)是一種已有技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)充分利用該技術(shù)，增加了MIMO的規(guī)模和數(shù)量。將天線陣列布置于基站，利用對(duì)拼信號(hào)相位進(jìn)行控制，在電磁波波瓣相互作用后會(huì)變得十分狹窄，并根據(jù)服務(wù)手機(jī)移動(dòng)方向進(jìn)行方向的轉(zhuǎn)變。這是一種空間復(fù)用技術(shù)，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的全向信號(hào)覆蓋，成為了指向性的精準(zhǔn)服務(wù)模式，波束之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，相同空間的情況下可以發(fā)出多條通信鏈路，進(jìn)而增加基站服務(wù)容量。如果兩個(gè)用戶在同基站的狀態(tài)下通信，數(shù)據(jù)則無需經(jīng)過基站轉(zhuǎn)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)向手機(jī)直接轉(zhuǎn)發(fā)的狀態(tài)。圖1為非D2D與D2D傳輸形式對(duì)比圖。

1.2 蜂窩結(jié)構(gòu)

為了充分發(fā)揮5G通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，需要根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范改變傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)。通常，無線用戶一半以上的時(shí)間處于室內(nèi)，少部分時(shí)間處于室外狀態(tài)。因此，根據(jù)目前的移動(dòng)設(shè)備普及和應(yīng)用狀態(tài)，傳統(tǒng)的小區(qū)結(jié)構(gòu)即1個(gè)室外基站已經(jīng)無法滿足5G通信的需求。室外基站發(fā)出的信號(hào)會(huì)受到門窗、墻體等物質(zhì)的阻礙，造成穿透損耗率過大，從而影響數(shù)據(jù)速度、傳輸能源效率等。為解決該問題，設(shè)計(jì)了兩種場景，室內(nèi)場景和室外場景。利用分布式天線系統(tǒng)和MIMO，在基站中增加分布式天線陣列。早期MIMO系統(tǒng)采用2～4根天線，而規(guī)模較大的MIMO系統(tǒng)則主要采用增加天線陣列來獲取更多容量增益。因此，室外基站配置的天線陣列較多，形成大型天線陣列，基站由光纖進(jìn)行連接。通常，為戶外用戶提供相應(yīng)數(shù)量的天線元件，用戶間能夠達(dá)成相互配合，進(jìn)而形成虛擬大陣列天線，其可以與基站天線陣列形成虛擬MIMO鏈路。設(shè)置外部基站，使其與無線接入點(diǎn)連接，并利用室內(nèi)用戶進(jìn)行通信。短期應(yīng)用會(huì)增加成本，但長期應(yīng)用能夠提升小區(qū)能源效率、頻譜效率等，具有比較長遠(yuǎn)的發(fā)展空間[1]。

圖1 非D2D與D2D傳輸形式對(duì)比圖

2 5G無線通信中應(yīng)用的主要技術(shù)

2.1 空間調(diào)制法

空間調(diào)制法并不是一種全新的技術(shù)，其在MIMO系統(tǒng)出現(xiàn)時(shí)就作為新技術(shù)隨之誕生。該技術(shù)可以保障MIMO系統(tǒng)性能，同時(shí)簡化系統(tǒng)。此外，利用天線對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，部分SM編碼會(huì)傳遞到發(fā)射天線空間。陣列天線主要作用為空間星座圖，較之單天線無線系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)速率更高。某些時(shí)間下，其可運(yùn)行的發(fā)射無線僅有一個(gè)。單個(gè)信息比特塊可以分成兩個(gè)子塊，一個(gè)是 log2（Na） bits，另一個(gè)是 log2（M） bits。其中，Na為發(fā)射天線的量，M為信號(hào)星座圖大小。實(shí)際上，SM是一個(gè)組合的SSK和振幅調(diào)制。SM星座圖與QPSK調(diào)制存在空間坐標(biāo)圖，接收器可以利用ML解碼手機(jī)信號(hào)。空間調(diào)制技術(shù)可以減少系統(tǒng)中的各類負(fù)面影響，如信號(hào)干擾等[2]。

2.2 可見光通信

可見光通信是5G通信的核心技術(shù)，其利用固態(tài)照明發(fā)光二極管作為發(fā)射器，將本征廣電二極管、雪崩光二極管用作信號(hào)采集器。利用VLC可以增加系統(tǒng)的照明功能，也能夠?yàn)閷拵峁o線數(shù)據(jù)鏈接。如果上行不需要照明技術(shù)，則可以采用紅外LED。VLC中，會(huì)根據(jù)信息的強(qiáng)弱程度進(jìn)行采集，射頻通信長采用合成雙極性信號(hào)數(shù)字的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以需要采用嚴(yán)格的調(diào)制方案，技術(shù)人員應(yīng)該預(yù)設(shè)多種修正多載波調(diào)制的方案，如直接檢測、密度調(diào)制等[3]。

2.3 大規(guī)模MIMO

MIMO系統(tǒng)中有許多天線將發(fā)射器和接收器連接在一起，利用天線來容納數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)使頻譜和能源的效率得到了大幅提升。大規(guī)模MIMO中，不論是接收器，還是發(fā)射器都配備了天線元件，且數(shù)量龐大。同時(shí)，不論是一個(gè)設(shè)備還是多個(gè)設(shè)備，接收天線都是附屬。在原有的MIMO系統(tǒng)上，提升頻譜和能源效率，并清除噪音，有效處理快衰落問題。利用線性預(yù)編碼和檢測法可以降低干擾程度。系統(tǒng)中，可采用多用戶MIMO形式來簡化MAC層的調(diào)度算法。此外，BS可以將獨(dú)立信號(hào)傳遞到使用該視頻資源的用戶中。所以該系統(tǒng)會(huì)成為5G通信網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計(jì)應(yīng)用方案之一。

3 結(jié) 論

近年來，我國對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)和5G無線通信的研究不斷深入和加強(qiáng)，全面提升了能源、頻譜的效率，并改善了數(shù)據(jù)傳輸速率，符合現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。利用無線、VLC等技術(shù)，優(yōu)化用戶服務(wù)質(zhì)量，緩解室外基站壓力，同時(shí)掌握各項(xiàng)潛在技術(shù)，滿足了5G性能要求。