文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191319
中文引用格式: 劉科潤,劉青龍. 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2020,,46(3):38-41.
英文引用格式: Liu Kerun,Liu Qinglong. Research on millimeter wave cellular network technology[J]. Application of Electronic Technique,,2020,,46(3):38-41.
0 引言
隨著VR/AR,、物聯(lián)網(wǎng),、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展,,蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(shù)吉比特每秒,蜂窩邊緣網(wǎng)絡(luò)速率將達到數(shù)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(yīng)對這樣的挑戰(zhàn),越來越多的研究開始關(guān)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(xiàn)在的蜂窩網(wǎng)絡(luò),。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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量和傳輸速率,。這些優(yōu)點和巨大的應(yīng)用潛力引起了工業(yè)界和學術(shù)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(wǎng)絡(luò)有著巨大的應(yīng)用潛力,,但仍然存在諸多技術(shù)障礙,。根據(jù)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(shù)來完全補償。同時,,毫米波信號容易受到遮擋的嚴重影響,,導(dǎo)致中斷和間歇性的信道質(zhì)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(dǎo)致20 dB到35 dB的衰減[7],。此外,設(shè)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(xiàn)大規(guī)模覆蓋需要投入很高成本,。出于對毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò),,毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,,室內(nèi)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?shù)膫鬏斔俾?、頻譜效率和能量效率,。在5G毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,其關(guān)鍵的設(shè)計思想是將戶內(nèi)與戶外場景相分離,,從而避免無線傳輸損耗,。這樣的設(shè)計思想主要借助分布式天線系統(tǒng)(DAS)和大規(guī)模MIMO技術(shù)來實現(xiàn)。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(shù)量的天線元,,并通過相互的協(xié)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(nèi)的無線接入點,。在這樣的毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,室內(nèi)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(gòu)也可以異構(gòu)組網(wǎng),,包括宏小區(qū)、微小區(qū),、中繼[1],。
隨著毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(wù),如4K/8K超高清視頻,、VR/AR,、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療、安防,、自動駕駛等,,具有廣闊的想象空間和應(yīng)用前景。
1 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)特點及難點
1.1 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)高速數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò),,毫米波系統(tǒng)在容量上可以高出一個數(shù)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(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的影響更小,。因此,,傳統(tǒng)LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)中用于干擾消除的技術(shù)(比如多點協(xié)同、小區(qū)間的干擾協(xié)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(zhì)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(xiàn)極低誤碼率的可靠穩(wěn)定傳輸,,可實現(xiàn)與光纜相當?shù)膫鬏斮|(zhì)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(xiàn)短暫衰落后可快速恢復(fù),不會對毫米波通信構(gòu)成嚴重影響。
1.1.4 元器件尺寸
隨著CMOS RF和數(shù)字處理領(lǐng)域的進展,,低成本,、可商業(yè)化的毫米波芯片不斷涌現(xiàn)[8]。同時,,在功率放大器和自由空間自適應(yīng)陣列組合領(lǐng)域取得的技術(shù)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(nèi),。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(shè)備表面。
1.2 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(guān)系,,因此,在毫米波頻段,,運動時所產(chǎn)生的信道變化遠快于當前的蜂窩網(wǎng)絡(luò),。同時,由于毫米波易受到遮擋的影響,,會導(dǎo)致路徑損耗的波動更加劇烈,,因此,毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)需要適應(yīng)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(shù),面臨的一大挑戰(zhàn)是模數(shù)轉(zhuǎn)換的功耗問題,。根據(jù)測算,,功耗一般與采樣率呈線性關(guān)系、與采樣比特數(shù)呈指數(shù)關(guān)系[9-10],,使得寬帶高精度量化與大規(guī)模天線陣技術(shù)難以應(yīng)用于低功耗,、低成本設(shè)備。
2 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢
2.1 關(guān)鍵技術(shù)
2.1.1 Massive MIMO技術(shù)
MIMO系統(tǒng)的發(fā)端和收端均由很多天線構(gòu)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(shù)據(jù),。在Massive MIMO系統(tǒng)中,,通過合理地使用多用戶MIMO技術(shù),可以避免復(fù)雜的調(diào)度算法,、簡化介質(zhì)訪問控制協(xié)議的設(shè)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(chǔ)上,,進一步提高頻譜效率和能量效率,,是5G毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)中采用的重要技術(shù)之一。
2.1.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
為了實現(xiàn)可靠,、統(tǒng)一覆蓋,,支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已成為目前毫米波蜂窩標準的關(guān)鍵設(shè)計目標之一。與目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比,,毫米波蜂窩標準對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(wǎng)絡(luò)峰值吞吐率,。圖1所示為典型的毫米波異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),。
2.1.3 移動蜂窩技術(shù)
移動蜂窩技術(shù)是下一代蜂窩通信系統(tǒng)中一項有前景的技術(shù),將移動中繼與移動蜂窩相結(jié)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(wǎng)絡(luò)的連接,。可部署于包括公交車,、火車,、輪船、飛機甚至是私人汽車,,從而提高對移動用戶的服務(wù)質(zhì)量,。對于毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)而言,一方面,,移動蜂窩技術(shù)可以改善整體網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率,。另一方面,移動蜂窩技術(shù)可以使得移動蜂窩小區(qū)代表所有相關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(shù)
下一代毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標之一是降低整體網(wǎng)絡(luò)能耗,,實現(xiàn)綠色通信。室內(nèi)通信技術(shù)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(zhì)量。室內(nèi)通信可以選擇微波,、毫米波和可見光等多種高速通信手段,??梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)(VLC)通過將信息比特調(diào)制在LED可見光上來傳輸,在傳輸同等密度的數(shù)據(jù)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(nèi)與室外數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,,其發(fā)展趨勢表現(xiàn)出以下幾個特點。
2.2.1 密集化
一方面,,隨著CMOS RF和數(shù)字處理領(lǐng)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(nèi)。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(shè)備表面,。另一方面,,隨著毫米波技術(shù)的應(yīng)用,蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(nèi),。當前網(wǎng)絡(luò)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(xiàn),以進一步降低成本,。
2.2.2 虛擬化+智能化
蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在不斷走向虛擬化,。隨著未來無線接入網(wǎng)中用戶流量需求的迅猛增長,云無線接入網(wǎng)(C-RANs)架構(gòu)成為跨越4G網(wǎng)絡(luò)后的關(guān)鍵推動因素,,可以極大地降低成本,,提供高級協(xié)同、協(xié)作處理能力及復(fù)用增益,。移動前傳鏈路是C-RANs架構(gòu)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(wǎng)絡(luò)邊緣基帶功能層(如RRH)來發(fā)射,,以實現(xiàn)更具成本優(yōu)勢的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的成果為基礎(chǔ),利用大數(shù)據(jù)技術(shù),、機器學習等人工智能工具構(gòu)建“智慧網(wǎng)絡(luò)”,,從而預(yù)測網(wǎng)絡(luò)和用戶需求,精準配置資源,,并顯著提高網(wǎng)絡(luò)容量和用戶服務(wù)體驗,。
2.2.3 光與無線融合
隨著蜂窩通信業(yè)務(wù)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(wǎng)面臨的重大挑戰(zhàn),。光接入網(wǎng)是目前接入網(wǎng)的主流技術(shù),,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(shù)實現(xiàn)光纖與無線的融合,,充分結(jié)合光纖與無線接入各自的優(yōu)勢,,既可以滿足移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)日益增長的帶寬需求,,也能簡化網(wǎng)絡(luò)部署、降低網(wǎng)絡(luò)部署成本,,是當前國內(nèi)外毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究熱點之一,。
3 結(jié)論
本文介紹了毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,同時詳細地對毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點及其難點等進行了介紹,。最后介紹了毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)并指出了其未來的發(fā)展趨勢,。
參考文獻
[1] WANG C X,HAIDER F,,GAO X,,et al.Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J].IEEE Communications Magazine,2014,,52(2):122-130.
[2] ZHANG L,,ZHAO H,HOU S,,et al.A survey on 5G millimeter wave communications for UAV-assisted wireless networks[J].IEEE Access,,2019,7:117460-117504.
[3] BUSARI S A,,MUMTAZ S,,AL-RUBAYE S,,et al.5G millimeter-wave mobile broadband:performance and challenges[J].IEEE Communications Magazine,2018,,56(6):137-143.
[4] MATEO P J,,F(xiàn)IANDRINO C,WIDMER J.Analysis of TCP performance in 5G mm-wave mobile networks[C].2019 IEEE International Conference on Communications(ICC),,IEEE,,2019.
[5] LOMBARDI R.Millimeter-wave technology and research trends for 5G access and wireless transmission applications an industry view[C].13th European Conference on Antennas and Propagation(EuCAP),IEEE,,2019.
[6] RAPPAPORT T S.Wireless communications: principles and practice[M].2nd ed.Upper Saddle River,,NJ:Prentice Hall,2002.
[7] LU J S,,STEINBACH D,,CABROL P,et al.Modeling human blockers in millimeter wave radio links[J].ZTE Communications,,2012,,10(4):23-28.
[8] DOAN C,EMAMI S,,NIKNEJAD A,,et al.Millimeter-wave CMOS design[J].IEEE Journal Solid-State Circuts,2005,,40(1):144–155.
[9] CHO T B,,CLINE D W,CONROY C S G,,et al.Design considerations for low-power, high-speed CMOS analog/digital converters[C].Proceedings of the IEEE Symposium on Low Power Electronics,,1994:70-73.
[10] MURDOCK J N,RAPPAPORT T S. Consumption factor and power-efficiency factor:a theory for evaluating the energy efficiency of cascaded communication systems[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,,2013,,32(2):221-236.
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)