0 引言

    隨著VR/AR、物聯網、車聯網等技術的發(fā)展，蜂窩網絡流量的需求在以40%～70%的年均增長率快速增長，下一代蜂窩通信系統(tǒng)峰值吞吐率將達到數吉比特每秒，蜂窩邊緣網絡速率將達到數十兆比特每秒，當前已有的頻譜資源難以滿足該需求^[1]。

    為了應對這樣的挑戰(zhàn)，越來越多的研究開始關注30 GHz～300 GHz的毫米波頻段。在這個頻段可以獲得的帶寬遠寬于現在的蜂窩網絡。以28 GHz毫米波為例，其理論最大帶寬可達1.4 GHz，與目前4G帶寬相比，可達十倍以上的帶寬差距。更重要的是，毫米波信號具有波長小、方向性強、干擾少等優(yōu)點，可大幅提高蜂窩網絡系統(tǒng)容量和傳輸速率。這些優(yōu)點和巨大的應用潛力引起了工業(yè)界和學術界的巨大興趣，毫米波頻帶將在下一代(5G)蜂窩系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用^[2-5]。

    下一代(5G)蜂窩系統(tǒng)對于毫米波的利用，主要集中在24 GHz/28 GHz/39 GHz/60 GHz幾個頻段之中。盡管毫米波蜂窩網絡有著巨大的應用潛力，但仍然存在諸多技術障礙。根據Friis的傳輸定律，自由空間全向路徑損耗與頻率的平方成正比^[6]。毫米波傳輸會招致更高的全向路徑損耗，需要通過合適的波束賦形和定向傳輸技術來完全補償。同時，毫米波信號容易受到遮擋的嚴重影響，導致中斷和間歇性的信道質量。一些材料(如磚塊等)可以衰減信號達到40 dB到80 dB，并且人體本身可以導致20 dB到35 dB的衰減^[7]。此外，設備的功耗要能支持大規(guī)模MIMO也是一個大的挑戰(zhàn)。

    在蜂窩移動通信發(fā)展歷程中，相較于低頻段，由于毫米波傳播距離更短，運營商需要實現大規(guī)模覆蓋需要投入很高成本。出于對毫米波蜂窩網絡部署成本以及覆蓋回報的考量，對于毫米波實際部署的可行性一直存在很大爭議。直到2017年，高通公司通過一系列實際落地實驗，證實了毫米波蜂窩網絡在城市環(huán)境中大規(guī)模部署的可行性。相比于6 GHz頻段以下的LTE網絡，毫米波蜂窩網絡可將最大可用帶寬從100 MHz提升至400 MHz、傳輸速率可從下行1 Gb/s提高到10 Gb/s以上。在傳統(tǒng)的LTE網絡架構中，室內用戶與室外基站通信時，信號必須穿越建筑物，從而極大地降低了無線傳輸的傳輸速率、頻譜效率和能量效率。在5G毫米波蜂窩網絡中，其關鍵的設計思想是將戶內與戶外場景相分離，從而避免無線傳輸損耗。這樣的設計思想主要借助分布式天線系統(tǒng)(DAS)和大規(guī)模MIMO技術來實現。戶外的基站配備了帶天線元的大規(guī)模天線陣。這些天線元分布在蜂窩小區(qū)周圍，并且通過光纖與基站相連。戶外的移動臺配備有一定數量的天線元，并通過相互的協作形成一個虛擬的大型天線陣。天線陣可以安裝在建筑物外面，既可以與戶外的基站通信，也可以通過線纜連接室內的無線接入點。在這樣的毫米波蜂窩網絡架構下，室內用戶可以使用多種短距離、高速率通信手段與其他戶外用戶通信，如WiFi、毫米波等。5G毫米波蜂窩架構也可以異構組網，包括宏小區(qū)、微小區(qū)、中繼^[1]。

    隨著毫米波蜂窩網絡商用的日益臨近，5G蜂窩系統(tǒng)可以提供很多低時延、高帶寬、多連接業(yè)務，如4K/8K超高清視頻、VR/AR、工業(yè)互聯網、遠程醫(yī)療、安防、自動駕駛等，具有廣闊的想象空間和應用前景。

1 毫米波蜂窩網絡特點及難點

1.1 毫米波蜂窩網絡特點

1.1.1 頻帶

    毫米波通信由于具有頻帶寬的特點，可以實現高速數據傳輸，專用通信傳輸速率可達8～16 Gb/s。傳輸速率越高，占用的頻帶越寬，目前采用的厘米波波段已無法滿足不斷提高的傳輸速率要求。相比于當前最新的4G網絡，毫米波系統(tǒng)在容量上可以高出一個數量級。相比于20+20 MHz帶寬的LTE系統(tǒng)，對于帶寬為1 GHz的TDD毫米波系統(tǒng)在平均蜂窩吞吐率上可以很容易地提高20倍。

1.1.2 安全保密性

    毫米波通信是一種典型的LOS傳輸方式，傳輸距離短，難以被竊聽；同時，波束很窄，具有很強的方向性，信號被截獲概率低，安全保密性好。此外，各無線鏈路在方向上相互隔離、干擾在當前小的蜂窩網絡中產生的影響更小。因此，傳統(tǒng)LTE蜂窩網絡中用于干擾消除的技術（比如多點協同、小區(qū)間的干擾協同與干擾消除）在毫米波系統(tǒng)中發(fā)揮得作用越來越小。

1.1.3 傳輸質量

    由于毫米波通信所處頻段較高，通信干擾源很少、電磁頻譜干凈，可實現極低誤碼率的可靠穩(wěn)定傳輸，可實現與光纜相當的傳輸質量。此外，相比于激光和紅外，毫米波對沙塵和煙霧的穿透力很強，可以幾乎無影響地穿透煙塵等。即使面對爆炸場景造成的嚴重散射，在出現短暫衰落后可快速恢復，不會對毫米波通信構成嚴重影響。

1.1.4 元器件尺寸

    隨著CMOS RF和數字處理領域的進展，低成本、可商業(yè)化的毫米波芯片不斷涌現^[8]。同時，在功率放大器和自由空間自適應陣列組合領域取得的技術進步開始伴隨著60 GHz無線LAN和PAN系統(tǒng)的增長而不斷發(fā)展。更重要的是，在毫米波通信中采用的大型陣列天線可以被壓縮至小于1～2 cm²的范圍以內。為了能提供路徑分集，一些陣列天線陣列甚至可以遍布整個移動設備表面。

1.2 毫米波蜂窩網絡難點

1.2.1 毫米波信道的不穩(wěn)定傳輸

    由于在給定移動速度下，信道變化時間與載頻呈線性關系，因此，在毫米波頻段，運動時所產生的信道變化遠快于當前的蜂窩網絡。同時，由于毫米波易受到遮擋的影響，會導致路徑損耗的波動更加劇烈，因此，毫米波蜂窩網絡需要適應高度間歇性連接。

1.2.2 處理功耗

    在毫米波蜂窩系統(tǒng)中，由于采用了Massive MIMO等技術，面臨的一大挑戰(zhàn)是模數轉換的功耗問題。根據測算，功耗一般與采樣率呈線性關系、與采樣比特數呈指數關系^[9-10]，使得寬帶高精度量化與大規(guī)模天線陣技術難以應用于低功耗、低成本設備。

2 毫米波蜂窩網絡關鍵技術及發(fā)展趨勢

2.1 關鍵技術

2.1.1 Massive MIMO技術

    MIMO系統(tǒng)的發(fā)端和收端均由很多天線構成，通過提供空間分集增益可以大幅提高傳輸可靠性、頻譜效率和能量效率，從而可以容納更多的信息數據。在Massive MIMO系統(tǒng)中，通過合理地使用多用戶MIMO技術，可以避免復雜的調度算法、簡化介質訪問控制協議的設計；可以使用同樣的時間和頻率資源，發(fā)送不同的信號給各個用戶。Massive MIMO系統(tǒng)在保持傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢基礎上，進一步提高頻譜效率和能量效率，是5G毫米波蜂窩網絡中采用的重要技術之一。

2.1.2 異構網絡技術

    為了實現可靠、統(tǒng)一覆蓋，支持異構網絡已成為目前毫米波蜂窩標準的關鍵設計目標之一。與目前的蜂窩網絡相比，毫米波蜂窩標準對異構網絡的支持將要求蜂窩選擇和路徑切換的速度更快。這主要是因為，毫米波信號容易受到遮擋的影響，會隨著用戶的動作或者用戶的環(huán)境而發(fā)生快速的變化。用戶載波聚合技術是解決該問題的途徑之一，可以使移動臺同時連接到多個基站，從而提供宏分集，進而提高網絡峰值吞吐率。圖1所示為典型的毫米波異構網絡架構。

2.1.3 移動蜂窩技術

    移動蜂窩技術是下一代蜂窩通信系統(tǒng)中一項有前景的技術，將移動中繼與移動蜂窩相結合。移動蜂窩可以動態(tài)移動并且可以動態(tài)改變與運營商核心網絡的連接?？刹渴鹩诎ü卉嚒⒒疖?、輪船、飛機甚至是私人汽車，從而提高對移動用戶的服務質量。對于毫米波蜂窩網絡的建設而言，一方面，移動蜂窩技術可以改善整體網絡的頻譜效率。另一方面，移動蜂窩技術可以使得移動蜂窩小區(qū)代表所有相關用戶實施握手，從而減少了移動小區(qū)用戶單方面的握手活動、有助于網絡信號開銷的降低，同時也降低了所有用戶的能量消耗。

2.1.4 綠色通信技術

    下一代毫米波蜂窩網絡的發(fā)展目標之一是降低整體網絡能耗，實現綠色通信。室內通信技術可以取得更高的能量效率，因為收、發(fā)之間短距離通信有著更好的通信信道質量。室內通信可以選擇微波、毫米波和可見光等多種高速通信手段。可見光通信系統(tǒng)(VLC)通過將信息比特調制在LED可見光上來傳輸，在傳輸同等密度的數據時，所消耗的能量遠低于基于射頻的通信系統(tǒng)。同時，將室內與室外數據流分離后，宏蜂窩的基站在無線資源分配上的壓力更小，并且可以通過更低的功耗來發(fā)射信號，從而大幅降低能耗。

2.2 發(fā)展趨勢

    隨著下一代毫米波蜂窩網絡技術的發(fā)展，其發(fā)展趨勢表現出以下幾個特點。

2.2.1 密集化

    一方面，隨著CMOS RF和數字處理領域的發(fā)展，低成本、小型化的毫米波芯片不斷普及。由于非常小的波長，大型陣列天線可以被不斷壓縮至很小的范圍以內。同時，由于毫米波容易受到人體的阻擋，為了獲得空間分集增益，一些天線陣列甚至可以密集地遍布整個移動設備表面。另一方面，隨著毫米波技術的應用，蜂窩網絡在不斷朝更小的、超密集蜂窩小區(qū)演進。在很多密集的城市區(qū)域和大型建筑物中，蜂窩小區(qū)半徑通常小于100 m，這處于毫米波信號的通信范圍內。當前網絡增長的容量要求需要更大的小區(qū)密度。對于非常高密度的部署，寬帶毫米波信號對通過極大提高單一小區(qū)容量的小區(qū)分裂提供了一種選擇。對無線運營商帶來較大成本的后傳也可以通過毫米波來實現，以進一步降低成本。

2.2.2 虛擬化+智能化

    蜂窩網絡技術在不斷走向虛擬化。隨著未來無線接入網中用戶流量需求的迅猛增長，云無線接入網(C-RANs)架構成為跨越4G網絡后的關鍵推動因素，可以極大地降低成本，提供高級協同、協作處理能力及復用增益。移動前傳鏈路是C-RANs架構中的重要組成部分，需要具備高容量、低延時的要求。通過在上層(如BBU池)集中基帶處理功能并通過更低一層的網絡邊緣基帶功能層(如RRH)來發(fā)射，以實現更具成本優(yōu)勢的網絡設計。

    此外，運營商們在不斷優(yōu)化頻譜的使用效率，進一步改善用戶體驗。以認知無線電和網絡功能虛擬化的成果為基礎，利用大數據技術、機器學習等人工智能工具構建“智慧網絡”，從而預測網絡和用戶需求，精準配置資源，并顯著提高網絡容量和用戶服務體驗。

2.2.3 光與無線融合

    隨著蜂窩通信業(yè)務的快速增長，如何提供更大的帶寬來滿足用戶流量需求的快速增長是接入網面臨的重大挑戰(zhàn)。光接入網是目前接入網的主流技術，最后一英里將會是無線毫米波或者光纖回路。光纖接入不僅具有帶寬大的特點，還可利用微波光子技術實現光纖與無線的融合，充分結合光纖與無線接入各自的優(yōu)勢，既可以滿足移動蜂窩網絡日益增長的帶寬需求，也能簡化網絡部署、降低網絡部署成本，是當前國內外毫米波蜂窩網絡技術的研究熱點之一。

3 結論

    本文介紹了毫米波蜂窩網絡技術的國內外發(fā)展現狀，同時詳細地對毫米波蜂窩網絡技術特點及其難點等進行了介紹。最后介紹了毫米波蜂窩網絡中的關鍵技術并指出了其未來的發(fā)展趨勢。 

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作者信息:

劉科潤，劉青龍

(電子科技大學中山學院 電信學院，廣東 中山528402)