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[电子技术应用]毫米波蜂窝网络技术研究

随着VR/AR、物联网、车联网等技术的发展 ， 蜂窝网络流量的需求在以40%～70%的年均增长率快速增长 ， 下一代蜂窝通信系统峰值吞吐率将达到数吉比特每秒 ， 蜂窝边缘网络速率将达到数十兆比特每秒 ， 当前已有的频谱资源难以满足该需求[1] 。
为了应对这样的挑战 ， 越来越多的研究开始关注30GHz～300GHz的频段 。 在这个频段可以获得的带宽远宽于现在的蜂窝网络 。 以28GHz毫米波为例 ， 其理论最大带宽可达1.4GHz ， 与目前4G带宽相比 ， 可达十倍以上的带宽差距 。 更重要的是 ， 毫米波信号具有波长小、方向性强、干扰少等优点 ， 可大幅提高蜂窝网络系统容量和传输速率 。 这些优点和巨大的应用潜力引起了工业界和学术界的巨大兴趣 ， 毫米波频带将在下一代蜂窝系统中发挥巨大的作用[2-5] 。
下一代(5G)蜂窝系统对于毫米波的利用 ， 主要集中在24GHz/28GHz/39GHz/60GHz几个频段之中 。 尽管毫米波蜂窝网络有着巨大的应用潜力 ， 但仍然存在诸多技术障碍 。 根据Friis的传输定律 ， 自由空间全向路径损耗与频率的平方成正比[6] 。 毫米波传输会招致更高的全向路径损耗 ， 需要通过合适的波束赋形和定向传输技术来完全补偿 。 同时 ， 毫米波信号容易受到遮挡的严重影响 ， 导致中断和间歇性的信道质量 。 一些材料(如砖块等)可以衰减信号达到40dB到80dB ， 并且人体本身可以导致20dB到35dB的衰减[7] 。 此外 ， 设备的功耗要能支持大规模MIMO也是一个大的挑战 。
在蜂窝移动通信发展历程中 ， 相较于低频段 ， 由于毫米波传播距离更短 ， 运营商需要实现大规模覆盖需要投入很高成本 。 出于对毫米波蜂窝网络部署成本以及覆盖回报的考量 ， 对于毫米波实际部署的可行性一直存在很大争议 。 直到2017年 ， 高通公司通过一系列实际落地实验 ， 证实了毫米波蜂窝网络在城市环境中大规模部署的可行性 。 相比于6GHz频段以下的LTE网络 ， 毫米波蜂窝网络可将最大可用带宽从100MHz提升至400MHz、传输速率可从下行1Gb/s提高到10Gb/s以上 。 在传统的LTE网络架构中 ， 室内用户与室外基站通信时 ， 信号必须穿越建筑物 ， 从而极大地降低了无线传输的传输速率、频谱效率和能量效率 。 在5G毫米波蜂窝网络中 ， 其关键的设计思想是将户内与户外场景相分离 ， 从而避免无线传输损耗 。 这样的设计思想主要借助分布式天线系统(DAS)和大规模MIMO技术来实现 。 户外的基站配备了带天线元的大规模天线阵 。 这些天线元分布在蜂窝小区周围 ， 并且通过光纤与基站相连 。 户外的移动台配备有一定数量的天线元 ， 并通过相互的协作形成一个虚拟的大型天线阵 。 天线阵可以安装在建筑物外面 ， 既可以与户外的基站通信 ， 也可以通过线缆连接室内的无线接入点 。 在这样的毫米波蜂窝网络架构下 ， 室内用户可以使用多种短距离、高速率通信手段与其他户外用户通信 ， 如WiFi、毫米波等 。 5G毫米波蜂窝架构也可以异构组网 ， 包括宏小区、微小区、中继[1] 。
随着毫米波蜂窝网络商用的日益临近 ， 5G蜂窝系统可以提供很多低时延、高带宽、多连接业务 ， 如4K/8K超高清视频、VR/AR、工业互联网、远程医疗、安防、自动驾驶等 ， 具有广阔的想象空间和应用前景 。
1毫米波蜂窝网络特点及难点
1.1毫米波蜂窝网络特点
1.1.1频带
毫米波通信由于具有频带宽的特点 ， 可以实现高速数据传输 ， 专用通信传输速率可达8～16Gb/s 。 传输速率越高 ， 占用的频带越宽 ， 目前采用的厘米波波段已无法满足不断提高的传输速率要求 。 相比于当前最新的4G网络 ， 毫米波系统在容量上可以高出一个数量级 。 相比于20+20MHz带宽的LTE系统 ， 对于带宽为1GHz的TDD毫米波系统在平均蜂窝吞吐率上可以很容易地提高20倍 。
1.1.2安全保密性
毫米波通信是一种典型的LOS传输方式 ， 传输距离短 ， 难以被窃听；同时 ， 波束很窄 ， 具有很强的方向性 ， 信号被截获概率低 ， 安全保密性好 。 此外 ， 各无线链路在方向上相互隔离、干扰在当前小的蜂窝网络中产生的影响更小 。 因此 ， 传统LTE蜂窝网络中用于干扰消除的技术（比如多点协同、小区间的干扰协同与干扰消除）在毫米波系统中发挥得作用越来越小 。


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