基于5G無線通信網絡的蜂窩結構關鍵技術研究

毛雅琨

（山西信息規劃設計院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

在“互聯網+”時代，大量移動設備接入互聯網，有統計數據顯示，僅2019年就有超過40億臺設備接入互聯網。隨著物聯網技術的飛速發展，萬物互聯的時代已然到來，其互聯設備用戶數量將達到新高度。5G技術的逐漸普及，其數據傳輸速率幾何倍數增長[1]。移動用戶對網絡質量需求將邁向更高的要求。高速率和多用戶會加速無線頻譜資源的消耗，這種情況下就會面臨無線頻譜資源供不應求的問題。通信運營商可利用的頻譜資源有限，成為限制無線通信繼續發展的重要障礙。為了獲取更大的網絡容量、更多的頻譜資源和更高的頻譜效率，必須要結合5G無線通信網絡的特點，構建一個全新的5G蜂窩結構，從而為5G網絡的未來發展創設良好的環境。本文以此為背景，探討在5G技術全面展開的大背景下，如何構建新型蜂窩結構，有效拓寬無線頻譜資源，為5G技術在中國的快速發展奠定堅實的基礎。

1 5G通信中的蜂窩結構

傳統的蜂窩結構布局是以“基站+信號發送”的形式實現區域的信號覆蓋。其具體過程為在劃設的移動通信區域內，在相對中心的位置，安裝通信基站。基站正式投入之后，通過該基站向整個小區內的所有設備發送無線信號，實現網絡覆蓋[2]。傳統的通信模式中，信號會由于從室外穿墻進入室內時，會有一定的穿透損耗。穿過的墻體越多，其信號衰減程度更高。在其衰減的過程中，信號強度不僅會變弱，而且還會對頻譜效率、能量效率造成影響。基于此，5G蜂窩結構讓室內與室外場景相互獨立，避免信號穿墻導致滲透損失的情況。其原理是借助于DAS和大規模MIMO技術，根據小區用戶數量的多少和覆蓋范圍的面積，在一個基站上部署幾十個甚至是上百個不等的分布式天線陣列。然后通過光纖將室外的無線接入點與室內的用戶設備進行連接，在保證了信號強度和傳輸速度的前提下，降低對頻率效率、能源效率的干擾。

2 5G無線蜂窩結構的應用優勢

相比于當前主流的4G蜂窩網絡，5G蜂窩網絡的應用優勢主要有以下幾點：一是更高的傳輸速度。目前4G網絡的平均下載速度最快可以達到30Mb/s，而5G網絡的下載速度最高可以達到1Gb/s，提升了將近35倍。高速網絡使用戶在移動用戶端有了更多體驗，比如4K影音、遠程同步操作等新功能體驗[3]。高速傳輸不僅減輕了無線通信網絡的運行負荷，而且還能夠支持包括VR等前沿信息技術的發展與應用。二是更廣泛的覆蓋。在4G時代，主要通過部署宏基站的方式，為一定范圍內的用戶提供信號。宏基站的體積大、成本高，而且無法高密度部署。這就導致了距離基站較近的地方信號強，而兩臺宏基站中間位置，信號較差。進入5G時代，微基站逐漸替代宏基站，部署更加方便、密集，尤其是在偏遠的深山、封閉的地下車庫等位置，也能夠低成本的建設基站，真正實現了無線網絡的全覆蓋。三是低功耗和低延時。根據信號強度的不同，4G網絡延時在10-100ms之間波動，而5G網絡將延時控制在10ms以下，實現了即時響應，優化了用戶體驗。

3 5G無線通信網絡的關鍵技術

3.1 大規模MIMO技術

MIMO（多輸入多輸出）技術是通過構建多個天線集成陣列的方式，提高單位時間內數據的傳輸速度。4G網絡中的基站，通常只設有2條、4條天線，而利用大規模MIMO技術的5G網絡，集成陣列中的天線數量可以達到上百條。每增加一條天線，無線信道可以容納的數據越多，傳輸速度越快。MIMO系統還具有較強的可擴展性，后期隨著網絡通信需求的增加，可以自由的增加天線數量，始終保證滿足用戶的通信需求。大規模MIMO系統除了在提高數據容納能力和加快信息傳輸速度方面有明顯優勢外，還具有較強的抗干擾能力，對于保障信號穩定也有一定作用。

3.2 空間調制技術

空間調制本質上也從屬于MIMO技術，其創新之處在于它能夠在保留MIMO系統各項優勢的基礎上，進一步簡化了系統的復雜性。例如，大規模MIMO系統中，發射天線之間存在交叉連接的情況，而實際運行中容易出現某些發射天線長期處于空閑狀態的情況，無形中造成了資源的浪費。空間調制技術一方面是將天線獨立開來，保證了天線之間不會出現信號干擾的問題，另一方面則是根據實際的通信需求，選擇性的激活對應的天線，避免了天線被激活后長期等待、閑置的問題。

3.3 綠色通信技術

5G蜂窩網絡在大幅度提升網絡傳輸速度的同時，也增加了無線通信系統運行過程中的能耗。在提倡綠色節能的背景下，5G蜂窩網絡設計中也需要應用綠色通信技術。尤其是在未來幾年內，隨著5G網絡的全面覆蓋，應用綠色通信技術帶來的節能效益十分顯著。綠色通信技術的實現，有賴于各種新型元件、設備的支持。例如，近幾年出現的毫米波技術，與目前應用較為廣泛的微波相比，具有波束窄、散射小、抗干擾能力強等特點，在滿足通信需求的前提下，能耗僅有微波的5%-10%。此外，還有一些微型的靈敏元件，也具有低功耗的特點，如果能夠在5G蜂窩網絡系統中推廣使用，將會帶來可觀的節能效益。

3.4 移動基站技術

移動基站在4G網絡系統中也有使用，但是主要應用類型是宏蜂窩。而進入5G網絡時代，更多的是使用移動基站中的微蜂窩和飛蜂窩（Femtocell）。飛蜂窩可以看作是一個獨立的、可移動的基站，能滿足不同空間、場所內的網絡覆蓋要求，相比于宏蜂窩，其成本更低，還具有使用靈活、安裝方便等一系列優勢，可降低運行能耗。

3.5 超密集組網技術

由于5G蜂窩網絡具有高流量密度、高峰值速率的特點，如果仍然沿用4G蜂窩網絡，可能會導致網絡中瞬時涌入超大流量，而導致通信系統堵塞甚至癱瘓的問題。為此，就需要應用UDN（超密集組網）技術，它能根據用戶的通信需求，靈活進行組網規劃部署，例如“宏基站+微基站”聯合部署，可應用于商業區或工業園區等用戶比較集中且對網速要求較高的地方。而對于小區用戶則可以采取“微基站+微基站”聯合部署，既能滿足終端用網需求，又能控制運行成本。

3.6 D2D通信技術

D2D（終端直通）技術是將兩個蜂窩用戶直接連接進行通信的一種技術。4G蜂窩網絡是一種分散式網絡，分散的用戶以基站作為信號的“中轉站”，實現用戶之間的信息傳遞。而5G蜂窩網絡中應用D2D通信技術，可以實現用戶與用戶之間直接通信。其優勢主要體現在兩個方面：一是通過降低通信網絡的運行負載，縮短了通信傳輸的時間間隔，優化了用戶體驗；二是進一步提高頻譜利用率，對于頻帶資源的占用降低，這也是D2D通信技術適合在5G蜂窩網絡中應用的關鍵。

4 結束語

最近兩年，我國5G網絡建設很快，已經建成全球最大的5G網絡，基本實現全國各地城市5G網絡的全面覆蓋，正在真正迎來全民5G時代。通過改良5G蜂窩網絡結構，可以進一步提高系統容量和資源利用率，支持5G網絡下用戶對于高傳輸速度、低響應延遲的需要。大規模MIMO技術、D2D通信技術以及UDN技術等，都是5G網絡的關鍵技術。依托這些前沿技術構建5G蜂窩網絡，在實用性能、使用成本、服務質量等方面達到統籌兼顧，讓5G技術為廣大用戶提供更加優質的使用體驗。