蜂窩結構與5G 無線通信網絡關鍵技術探討

汪 黎

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410126）

0 引 言

隨著大數據時代的到來，人們對網絡通信效率的要求不斷提升。各大運營商面對持續增長的數據速率和移動性不斷增強的無線應用，要進一步研發新的通信系統，以滿足數據高速運行的要求。目前，我國已經對5G無線通信系統進行研究和應用，4G網絡正逐漸向5G網絡轉化。以蜂窩結構為基礎，建立分布式天線系統，并采用MIMO技術，實現容量增益，進而優化服務質量，滿足用戶的通信需求。

1 5G無線通信蜂窩結構簡述

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，一個是3.3～3.6 GHz，另一個是4.8～5 GHz。如果5G通信使用高頻段，則會降低通信覆蓋面積，需要大量基站。為了解決這個問題，微基站應運而生。微基站可以融入各類環境，可以廣泛覆蓋，進而充分發揮5G網絡的應用優勢。此外，5G網絡還具有Massive MIMO的應用優勢，MIMO即Multiple-Input Multiple-Output，即發送和接收都采用多根天線。MIMO技術是一種已有技術，5G網絡充分利用該技術，增加了MIMO的規模和數量。將天線陣列布置于基站，利用對拼信號相位進行控制，在電磁波波瓣相互作用后會變得十分狹窄，并根據服務手機移動方向進行方向的轉變。這是一種空間復用技術，轉變了傳統的全向信號覆蓋，成為了指向性的精準服務模式，波束之間不會產生干擾，相同空間的情況下可以發出多條通信鏈路，進而增加基站服務容量。如果兩個用戶在同基站的狀態下通信，數據則無需經過基站轉發，可以實現手機向手機直接轉發的狀態。圖1為非D2D與D2D傳輸形式對比圖。

1.2 蜂窩結構

為了充分發揮5G通信系統的優勢，需要根據相關的技術規范改變傳統的蜂窩結構。通常，無線用戶一半以上的時間處于室內，少部分時間處于室外狀態。因此，根據目前的移動設備普及和應用狀態，傳統的小區結構即1個室外基站已經無法滿足5G通信的需求。室外基站發出的信號會受到門窗、墻體等物質的阻礙，造成穿透損耗率過大，從而影響數據速度、傳輸能源效率等。為解決該問題，設計了兩種場景，室內場景和室外場景。利用分布式天線系統和MIMO，在基站中增加分布式天線陣列。早期MIMO系統采用2～4根天線，而規模較大的MIMO系統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，基站由光纖進行連接。通常，為戶外用戶提供相應數量的天線元件，用戶間能夠達成相互配合，進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。設置外部基站，使其與無線接入點連接，并利用室內用戶進行通信。短期應用會增加成本，但長期應用能夠提升小區能源效率、頻譜效率等，具有比較長遠的發展空間[1]。

圖1 非D2D與D2D傳輸形式對比圖

2 5G無線通信中應用的主要技術

2.1 空間調制法

空間調制法并不是一種全新的技術，其在MIMO系統出現時就作為新技術隨之誕生。該技術可以保障MIMO系統性能，同時簡化系統。此外，利用天線對各個數據流進行傳輸，部分SM編碼會傳遞到發射天線空間。陣列天線主要作用為空間星座圖，較之單天線無線系統，其數據速率更高。某些時間下，其可運行的發射無線僅有一個。單個信息比特塊可以分成兩個子塊，一個是 log2（Na） bits，另一個是 log2（M） bits。其中，Na為發射天線的量，M為信號星座圖大小。實際上，SM是一個組合的SSK和振幅調制。SM星座圖與QPSK調制存在空間坐標圖，接收器可以利用ML解碼手機信號。空間調制技術可以減少系統中的各類負面影響，如信號干擾等[2]。

2.2 可見光通信

可見光通信是5G通信的核心技術，其利用固態照明發光二極管作為發射器，將本征廣電二極管、雪崩光二極管用作信號采集器。利用VLC可以增加系統的照明功能，也能夠為寬帶提供無線數據鏈接。如果上行不需要照明技術，則可以采用紅外LED。VLC中，會根據信息的強弱程度進行采集，射頻通信長采用合成雙極性信號數字的方式進行調節，所以需要采用嚴格的調制方案，技術人員應該預設多種修正多載波調制的方案，如直接檢測、密度調制等[3]。

2.3 大規模MIMO

MIMO系統中有許多天線將發射器和接收器連接在一起，利用天線來容納數據信息。該系統使頻譜和能源的效率得到了大幅提升。大規模MIMO中，不論是接收器，還是發射器都配備了天線元件，且數量龐大。同時，不論是一個設備還是多個設備，接收天線都是附屬。在原有的MIMO系統上，提升頻譜和能源效率，并清除噪音，有效處理快衰落問題。利用線性預編碼和檢測法可以降低干擾程度。系統中，可采用多用戶MIMO形式來簡化MAC層的調度算法。此外，BS可以將獨立信號傳遞到使用該視頻資源的用戶中。所以該系統會成為5G通信網絡的主要設計應用方案之一。

3 結 論

近年來，我國對蜂窩結構和5G無線通信的研究不斷深入和加強，全面提升了能源、頻譜的效率，并改善了數據傳輸速率，符合現代通信網絡的發展趨勢。利用無線、VLC等技術，優化用戶服務質量，緩解室外基站壓力，同時掌握各項潛在技術，滿足了5G性能要求。