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(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(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，毫米波信號具有波長小、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(bǔ)償。同時，毫米波信號容易受到遮擋的嚴(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(yùn)營商需要實(shí)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(bào)的考量，對于毫米波實(shí)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(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，信號必須穿越建筑物，從而極大地降低了無線傳輸?shù)膫鬏斔俾省㈩l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)與戶外場景相分離，從而避免無線傳輸損耗。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(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(qiáng)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(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，毫米波對沙塵和煙霧的穿透力很強(qiáng)，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(yán)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(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，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(diǎn)

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(yùn)動時所產(chǎn)生的信道變化遠(yuǎn)快于當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。同時，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?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

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(jì)；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(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盘柸菀资艿秸趽醯挠绊懀瑫S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(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(xiàng)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(yùn)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(jī)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(shí)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(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)槭铡l(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。可見光通信系統(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(yuǎn)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(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，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(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，這處于毫米波信號的通信范圍內(nèi)。當(dāng)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(yùn)營商帶來較大成本的后傳也可以通過毫米波來實(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(shí)現(xiàn)更具成本優(yōu)勢的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

    此外，運(yùn)營商們在不斷優(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(diǎn)，還可利用微波光子技術(shù)實(shí)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(dāng)前國內(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)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，同時詳細(xì)地對毫米波蜂窩網(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)并指出了其未來的發(fā)展趨勢。 

參考文獻(xiàn)

[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(xué)中山學(xué)院 電信學(xué)院，廣東 中山528402)