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(zhǎng)率快速增長(zhǎng),，下一代蜂窩通信系統(tǒng)峰值吞吐率將達(dá)到數(shù)吉比特每秒,，蜂窩邊緣網(wǎng)絡(luò)速率將達(dá)到數(shù)十兆比特每秒，當(dāng)前已有的頻譜資源難以滿足該需求^[1],。

    為了應(yīng)對(duì)這樣的挑戰(zhàn),，越來(lái)越多的研究開(kāi)始關(guān)注30 GHz～300 GHz的毫米波頻段。在這個(gè)頻段可以獲得的帶寬遠(yuǎn)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(dá)1.4 GHz，與目前4G帶寬相比,，可達(dá)十倍以上的帶寬差距,。更重要的是，毫米波信號(hào)具有波長(zhǎng)小,、方向性強(qiáng)、干擾少等優(yōu)點(diǎn),，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(diǎn)和巨大的應(yīng)用潛力引起了工業(yè)界和學(xué)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(duì)于毫米波的利用,，主要集中在24 GHz/28 GHz/39 GHz/60 GHz幾個(gè)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(huì)招致更高的全向路徑損耗,，需要通過(guò)合適的波束賦形和定向傳輸技術(shù)來(lái)完全補(bǔ)償。同時(shí),，毫米波信號(hào)容易受到遮擋的嚴(yán)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(hào)達(dá)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(gè)大的挑戰(zhàn),。

    在蜂窩移動(dòng)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(yùn)營(yíng)商需要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模覆蓋需要投入很高成本,。出于對(duì)毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署成本以及覆蓋回報(bào)的考量，對(duì)于毫米波實(shí)際部署的可行性一直存在很大爭(zhēng)議。直到2017年,，高通公司通過(guò)一系列實(shí)際落地實(shí)驗(yàn),，證實(shí)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(shí),，信號(hào)必須穿越建筑物，從而極大地降低了無(wú)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(jì)思想是將戶內(nèi)與戶外場(chǎng)景相分離,，從而避免無(wú)線傳輸損耗,。這樣的設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)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(guò)光纖與基站相連。戶外的移動(dòng)臺(tái)配備有一定數(shù)量的天線元,，并通過(guò)相互的協(xié)作形成一個(gè)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(guò)線纜連接室內(nèi)的無(wú)線接入點(diǎn),。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(shí)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(yuǎn)程醫(yī)療、安防,、自動(dòng)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(diǎn)及難點(diǎn)

1.1 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

1.1.1 頻帶

    毫米波通信由于具有頻帶寬的特點(diǎn),，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,，專用通信傳輸速率可達(dá)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(wú)法滿足不斷提高的傳輸速率要求。相比于當(dāng)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(gè)數(shù)量級(jí),。相比于20+20 MHz帶寬的LTE系統(tǒng)，對(duì)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(tīng),；同時(shí),，波束很窄，具有很強(qiáng)的方向性,，信號(hào)被截獲概率低，安全保密性好,。此外,，各無(wú)線鏈路在方向上相互隔離、干擾在當(dāng)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(diǎn)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(lái)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(shí)現(xiàn)極低誤碼率的可靠穩(wěn)定傳輸,，可實(shí)現(xiàn)與光纜相當(dāng)?shù)膫鬏斮|(zhì)量。此外,，相比于激光和紅外,，毫米波對(duì)沙塵和煙霧的穿透力很強(qiáng)，可以幾乎無(wú)影響地穿透煙塵等,。即使面對(duì)爆炸場(chǎng)景造成的嚴(yán)重散射,，在出現(xiàn)短暫衰落后可快速恢復(fù)，不會(huì)對(duì)毫米波通信構(gòu)成嚴(yán)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(jìn)展,，低成本,、可商業(yè)化的毫米波芯片不斷涌現(xiàn)^[8]。同時(shí),，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(jìn)步開(kāi)始伴隨著60 GHz無(wú)線LAN和PAN系統(tǒng)的增長(zhǎng)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(gè)移動(dòng)設(shè)備表面。

1.2 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)難點(diǎn)

1.2.1 毫米波信道的不穩(wěn)定傳輸

    由于在給定移動(dòng)速度下,，信道變化時(shí)間與載頻呈線性關(guān)系,，因此，在毫米波頻段,，運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的信道變化遠(yuǎn)快于當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)絡(luò),。同時(shí)，由于毫米波易受到遮擋的影響,，會(huì)導(dǎo)致路徑損耗的波動(dòng)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(wèn)題,。根據(jù)測(cè)算,，功耗一般與采樣率呈線性關(guān)系、與采樣比特?cái)?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(shì)

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(guò)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(guò)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(jiǎn)化介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議的設(shè)計(jì),；可以使用同樣的時(shí)間和頻率資源，發(fā)送不同的信號(hào)給各個(gè)用戶,。Massive MIMO系統(tǒng)在保持傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上,，進(jìn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。與目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比,，毫米波蜂窩標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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?yàn)椋撩撞ㄐ盘?hào)容易受到遮擋的影響,，會(huì)隨著用戶的動(dòng)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(wèn)題的途徑之一，可以使移動(dòng)臺(tái)同時(shí)連接到多個(gè)基站,，從而提供宏分集,，進(jìn)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(dòng)蜂窩技術(shù)

    移動(dòng)蜂窩技術(shù)是下一代蜂窩通信系統(tǒng)中一項(xiàng)有前景的技術(shù),，將移動(dòng)中繼與移動(dòng)蜂窩相結(jié)合。移動(dòng)蜂窩可以動(dòng)態(tài)移動(dòng)并且可以動(dòng)態(tài)改變與運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)絡(luò)的連接,?？刹渴鹩诎ü卉嚒⒒疖?、輪船,、飛機(jī)甚至是私人汽車，從而提高對(duì)移動(dòng)用戶的服務(wù)質(zhì)量,。對(duì)于毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)而言,，一方面，移動(dòng)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(dòng)蜂窩技術(shù)可以使得移動(dòng)蜂窩小區(qū)代表所有相關(guān)用戶實(shí)施握手,，從而減少了移動(dòng)小區(qū)用戶單方面的握手活動(dòng),、有助于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)開(kāi)銷的降低，同時(shí)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(biāo)之一是降低整體網(wǎng)絡(luò)能耗,，實(shí)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?yàn)槭?、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(jiàn)光等多種高速通信手段,?？梢?jiàn)光通信系統(tǒng)(VLC)通過(guò)將信息比特調(diào)制在LED可見(jiàn)光上來(lái)傳輸，在傳輸同等密度的數(shù)據(jù)時(shí),，所消耗的能量遠(yuǎn)低于基于射頻的通信系統(tǒng),。同時(shí)，將室內(nèi)與室外數(shù)據(jù)流分離后,，宏蜂窩的基站在無(wú)線資源分配上的壓力更小,，并且可以通過(guò)更低的功耗來(lái)發(fā)射信號(hào)，從而大幅降低能耗,。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

    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(shì)表現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)。

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(zhǎng),，大型陣列天線可以被不斷壓縮至很小的范圍以內(nèi)。同時(shí),，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(gè)移動(dòng)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(jìn),。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(hào)的通信范圍內(nèi),。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)的容量要求需要更大的小區(qū)密度。對(duì)于非常高密度的部署,，寬帶毫米波信號(hào)對(duì)通過(guò)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(duì)無(wú)線運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)較大成本的后傳也可以通過(guò)毫米波來(lái)實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)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(lái)無(wú)線接入網(wǎng)中用戶流量需求的迅猛增長(zhǎng)，云無(wú)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(dòng)因素,，可以極大地降低成本,，提供高級(jí)協(xié)同、協(xié)作處理能力及復(fù)用增益,。移動(dòng)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(shí)的要求。通過(guò)在上層(如BBU池)集中基帶處理功能并通過(guò)更低一層的網(wǎng)絡(luò)邊緣基帶功能層(如RRH)來(lái)發(fā)射,，以實(shí)現(xiàn)更具成本優(yōu)勢(shì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),。

    此外，運(yùn)營(yíng)商們?cè)诓粩鄡?yōu)化頻譜的使用效率,，進(jìn)一步改善用戶體驗(yàn),。以認(rèn)知無(wú)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(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能工具構(gòu)建“智慧網(wǎng)絡(luò)”,，從而預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和用戶需求，精準(zhǔn)配置資源,，并顯著提高網(wǎng)絡(luò)容量和用戶服務(wù)體驗(yàn),。

2.2.3 光與無(wú)線融合

    隨著蜂窩通信業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，如何提供更大的帶寬來(lái)滿足用戶流量需求的快速增長(zhǎng)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(huì)是無(wú)線毫米波或者光纖回路。光纖接入不僅具有帶寬大的特點(diǎn),，還可利用微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖與無(wú)線的融合,，充分結(jié)合光纖與無(wú)線接入各自的優(yōu)勢(shì)，既可以滿足移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)的帶寬需求,，也能簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)部署,、降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究熱點(diǎn)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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,，同時(shí)詳細(xì)地對(duì)毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)及其難點(diǎn)等進(jìn)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì),。 

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作者信息:

劉科潤(rùn)，劉青龍

(電子科技大學(xué)中山學(xué)院 電信學(xué)院,，廣東 中山528402)