蜂窩結構與5G無線通信網絡關鍵技術分析

唐 健

（深圳市中興通訊技術服務有限責任公司，江蘇 南京 210000）

1 5G異構蜂窩體系結構分析

1.1 基本原理

近年來，5G網絡的加快部署促使無線通信行業發展具有廣闊的前景，現有用戶的無線網絡應用場景多集中在室內，室內上網需求的擴大對于網絡信號質量提出更高的要求。然而受城市規劃、小區建筑布局等因素的影響，建筑物墻體遮擋等均會影響到信號傳輸效率與質量，并且削弱數據傳輸頻譜效率，導致無線網絡環境下傳遞的能量產生衰減[1]。在此背景下，5G異構蜂窩結構的出現為上述問題的解決提供了有效可靠的方案。基于香農理論，將第i個信道的帶寬設為Bi、信號功率設為Pi、噪聲功率設為Np，則系統容量的計算公式為：

1.2 蜂窩結構

5G基站配有大規模陣列天線（Multiple Input Multiple Output，MIMO），基于分布式天線系統（Distributed Antenna System，DAS）實現通信傳輸功能，通過增加發射、接收天線部署的數量擴大系統容量[2]。室外基站將大規模MIMO系統的天線元件以分布式結構布設在小區周圍，通過數字光纖分別與BS服務基站、室內無源分布式天線系統以及MIMO系統建立連接。然而在實際應用環節，受室外分布系統天線元件數量的限值，還需構建虛擬天線陣列并在BS附近布置天線陣列，保證MIMO鏈路穩定運行[3]。5G異構蜂窩體系結構主要包含宏基站、用戶、Pico基站，如圖1所示。在室外利用電纜將分布式天線陣列與無線接入點建立連接，完善基礎設施配置，從而有效提升小區吞吐量、頻譜效率以及通信速率等[4]。

圖1 5G異構蜂窩體系結構示意圖

2 引領5G移動通信發展的關鍵技術及其應用

2.1 毫米波技術

5G移動通信系統針對TDD、FDD兩種雙工制式分別完成頻段劃分，并引入SDL、SUL兩種頻段，在毫米波范圍內頻段包含26 GHz、28 GHz、39 GHz等類型，可以有效提升頻譜資源利用率，加快無線通信網絡傳輸速度[5]。在毫米波通信路徑規劃上，發射信號經由無線信道進行傳輸，在傳輸過程中易受輻射影響出現信號紊亂等情況。相較于原有網絡頻段，毫米波通信頻段在信號傳輸過程中允許消耗范圍更大，可在高頻段內對接收信號產生約束，用于限制能量損耗。設波長為d、頻率為f，則在自由空間路徑中信號傳輸產生的損耗為：

在毫米波蜂窩網絡的實際部署與應用環節，通過引入一種高度可調節的定向傳輸天線完成LOS通道及相應組件的創建，增加系統容量，抑制用戶干擾。但建筑物遮擋、用戶位置移動等均有可能導致鏈路阻塞問題，削弱系統性能，為擴大網絡覆蓋范圍，可采用以下解決方案[6]。

（1）完善DAS系統部署。結合該系統的傳播路徑特征，可選擇在室外基站或無線基站處部署以16×16天線陣列為代表的集中式MIMO陣列，滿足城市郊區等的通信覆蓋需求。對于地形起伏大、周圍建筑物較高的城區，可選取若干個以4×4天線陣列為代表的小型天線陣列進行分布式部署，各天線陣列分別用于覆蓋特定區域，經由光纖實現與公共中控器的連接。根據毫米波通信系統特征進行DAS系統部署方案的設計，結合區域地形、周圍建筑物分布特征進行部署點位的科學設計，選取與預期用戶距離較近的點位完成系統接入點的設置，有效降低信號傳輸過程中的能量損耗，擴大系統覆蓋范圍，提高網絡吞吐量。

（2）引入協作中繼模式。利用多跳網絡使信號在LOS信道傳輸過程中繞開阻塞路徑，當期望用戶從特定路徑接收到不同版本的同一信號時，可利用3GPP、LTE等工具進行重分析。當某一通信鏈路發生信號阻塞問題時，可依托專用中繼站尋找路由，利用室外基站面向期望用戶LOS鏈路中繼進行波束轉向調整，從而完成中繼或路由方案的設計。例如，當某信號源在向目的地傳輸信號的過程中遇到阻塞問題時，可在信號源、目的地之間設置中繼終端并分別與兩端LOS鏈路建立連接，配合中繼選擇或路由算法等提高網絡吞吐量，抑制信道干擾。

2.2 大規模MIMO傳輸技術

大規模MIMO傳輸技術為5G無線通信網絡系統頻譜效率的提升提供重要支持，以3GPP Rel14為代表的廣播技術現已使用增強全維MIMO。相應地，發射、接收天線部署數量逐漸增多，對于系統部署方案提出了更高的要求[7]。通常mMIMO系統中基站配備的天線數量較多，在MU-MIMO布置時頻資源時，支持對若干不同終端進行調度。在此模式下，基站可適應不同終端信道、統一處理天線陣列，通過發送下行鏈路預編碼方案實現在特定終端集成信號，增強空間聚焦效果，其基本模型如圖2所示。

圖2 大規模MIMO系統模型示意圖

將上述機制與蜂窩網絡結構相結合，依托大陣列增益實現以發射天線數量為基準成倍降低發射功率，利用特定終端集成發射信號，規避多用戶干擾問題。同時，基于信道硬化效應提升網絡傳輸效率，維持鏈路自適應與均衡性。

大規模MIMO傳輸技術在TDD模式下具有良好的適用性，為了解決導頻污染問題，依托其高靈敏度使用估計的上行信道對終端執行下行波束賦形[8]。具體來說，以小區A、小區B兩個相鄰小區為基準，兩小區部署的終端A、B均依托同一資源集完成導頻信號的發送。當室外基站A通過偵聽從終端A處接收到導頻信號后，完成UL信道的估計。由于該估計信道同時兼具布設在小區B中的終端B發送的導頻信號，因此會造成終端A處的導頻信號污染問題。利用室外基站A執行波束賦形，經由估計信道面向終端A生成下行信號，此時受終端B導頻污染的影響，室外基站A同時也向終端B發射波束，由此對終端B產生強大的干擾。基于此，在TDD模式下還需采用導頻功控方法進行性能優化，以解決多小區TDD系統中的導頻污染問題。

2.3 移動基站技術

基站作為5G網絡環境下提供信號覆蓋、支持無線信號傳輸的核心設備，其架構與形態將直接影響到5G通信系統的傳輸性能。現有5G網絡系統的信號頻率大小與傳輸過程中的信號衰減量成正比，普遍引入Massive MIMO、LDPC等先進技術滿足基站高密度覆蓋與高速率傳輸需求[9]。在5G移動通信基站建設時，首先應落實科學選址規劃，引入超密集異構網絡體系、低功率頻段、小型化等方案進行基站部署，保證擴大網絡容量、提升頻譜效率；其次應強化技術支持，結合實際基站部署環境進行解調環節判定手段的選擇，避免網絡信號出現畸變，提高通信服務質量；最后應與LTE網絡建立協調關系，引入逐步過渡策略進行5G熱點的小范圍部署，逐漸擴大5G信號覆蓋范圍，配合架構融合等模式搭建多層次網絡結構，降低時延。

2.4 其他新空口技術的應用

在以Massive MIMO為代表的典型技術基礎上，5G新空口技術還包含OFDM可擴展波形、5G NR、5G網絡切片等。其中，基于OFDM的可擴展波形能夠優化頻域結構，利用OFDM波形拓展信號覆蓋范圍，輔助5G物聯網建設；5G NR技術引入承載網提升網絡結構的多路徑通達性，通過簡化網絡層次結構解決高時延問題，配合對象識別等附屬功能更好地與基站建立高效連接；5G網絡切片技術可實現對網絡資源的優化配置，支持跨層、跨域協同，依托不同切片滿足多種業務需求。將以上新技術應用在無人機的網絡連接功能設計上，可與4K、8K高清視頻傳輸技術相結合，滿足安防監控管理需求，實現遠程控制目標。依托無人機巡視實現電力巡檢環節的無人化作業，可將上行用戶圖片傳輸速率提升至100 Mb/s，支持全視角對電力設備、輸電線路進行安全檢查。

2.5 通信網絡建設思路

現階段室外無線通信網絡主要基于3.5 GHz頻率進行通信傳輸，在此模式下無法保證實現最佳網絡覆蓋效果，因此可結合現有頻段進行調節，例如選用1.8 GHz頻率進行替換，其頻率接近下行覆蓋水平，可有效滿足室外使用頻率要求。結合5G無線通信網絡系統的異構網絡結構特征，在實際運行環節可采用“宏小區+微小區”的雙連接模式。選取頂層部署宏小區，在宏小區內部建立微小區，分別充當覆蓋小區和容量小區，并完成終端部署。利用宏小區進行用戶控制面數據等的處理，微小區則專用于滿足用戶數據面需求[10]。

3 結 論

5G技術的推廣應用引領無線通信網絡領域的優化升級，在此背景下，還應從蜂窩結構出發進行現有網絡體系的持續優化，結合用戶需求，從實用性能、建設成本以及服務品質等層面加大技術研發與應用力度，更好地服務于工業互聯網、智慧醫療以及現代化教育等領域。