基于5G无线通信网络的蜂窝结构关键技术研究

毛雅琨

（山西信息规划设计院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

在“互联网+”时代，大量移动设备接入互联网，有统计数据显示，仅2019年就有超过40亿台设备接入互联网。随着物联网技术的飞速发展，万物互联的时代已然到来，其互联设备用户数量将达到新高度。5G技术的逐渐普及，其数据传输速率几何倍数增长[1]。移动用户对网络质量需求将迈向更高的要求。高速率和多用户会加速无线频谱资源的消耗，这种情况下就会面临无线频谱资源供不应求的问题。通信运营商可利用的频谱资源有限，成为限制无线通信继续发展的重要障碍。为了获取更大的网络容量、更多的频谱资源和更高的频谱效率，必须要结合5G无线通信网络的特点，构建一个全新的5G蜂窝结构，从而为5G网络的未来发展创设良好的环境。本文以此为背景，探讨在5G技术全面展开的大背景下，如何构建新型蜂窝结构，有效拓宽无线频谱资源，为5G技术在中国的快速发展奠定坚实的基础。

1 5G通信中的蜂窝结构

传统的蜂窝结构布局是以“基站+信号发送”的形式实现区域的信号覆盖。其具体过程为在划设的移动通信区域内，在相对中心的位置，安装通信基站。基站正式投入之后，通过该基站向整个小区内的所有设备发送无线信号，实现网络覆盖[2]。传统的通信模式中，信号会由于从室外穿墙进入室内时，会有一定的穿透损耗。穿过的墙体越多，其信号衰减程度更高。在其衰减的过程中，信号强度不仅会变弱，而且还会对频谱效率、能量效率造成影响。基于此，5G蜂窝结构让室内与室外场景相互独立，避免信号穿墙导致渗透损失的情况。其原理是借助于DAS和大规模MIMO技术，根据小区用户数量的多少和覆盖范围的面积，在一个基站上部署几十个甚至是上百个不等的分布式天线阵列。然后通过光纤将室外的无线接入点与室内的用户设备进行连接，在保证了信号强度和传输速度的前提下，降低对频率效率、能源效率的干扰。

2 5G无线蜂窝结构的应用优势

相比于当前主流的4G蜂窝网络，5G蜂窝网络的应用优势主要有以下几点：一是更高的传输速度。目前4G网络的平均下载速度最快可以达到30Mb/s，而5G网络的下载速度最高可以达到1Gb/s，提升了将近35倍。高速网络使用户在移动用户端有了更多体验，比如4K影音、远程同步操作等新功能体验[3]。高速传输不仅减轻了无线通信网络的运行负荷，而且还能够支持包括VR等前沿信息技术的发展与应用。二是更广泛的覆盖。在4G时代，主要通过部署宏基站的方式，为一定范围内的用户提供信号。宏基站的体积大、成本高，而且无法高密度部署。这就导致了距离基站较近的地方信号强，而两台宏基站中间位置，信号较差。进入5G时代，微基站逐渐替代宏基站，部署更加方便、密集，尤其是在偏远的深山、封闭的地下车库等位置，也能够低成本的建设基站，真正实现了无线网络的全覆盖。三是低功耗和低延时。根据信号强度的不同，4G网络延时在10-100ms之间波动，而5G网络将延时控制在10ms以下，实现了即时响应，优化了用户体验。

3 5G无线通信网络的关键技术

3.1 大规模MIMO技术

MIMO（多输入多输出）技术是通过构建多个天线集成阵列的方式，提高单位时间内数据的传输速度。4G网络中的基站，通常只设有2条、4条天线，而利用大规模MIMO技术的5G网络，集成阵列中的天线数量可以达到上百条。每增加一条天线，无线信道可以容纳的数据越多，传输速度越快。MIMO系统还具有较强的可扩展性，后期随着网络通信需求的增加，可以自由的增加天线数量，始终保证满足用户的通信需求。大规模MIMO系统除了在提高数据容纳能力和加快信息传输速度方面有明显优势外，还具有较强的抗干扰能力，对于保障信号稳定也有一定作用。

3.2 空间调制技术

空间调制本质上也从属于MIMO技术，其创新之处在于它能够在保留MIMO系统各项优势的基础上，进一步简化了系统的复杂性。例如，大规模MIMO系统中，发射天线之间存在交叉连接的情况，而实际运行中容易出现某些发射天线长期处于空闲状态的情况，无形中造成了资源的浪费。空间调制技术一方面是将天线独立开来，保证了天线之间不会出现信号干扰的问题，另一方面则是根据实际的通信需求，选择性的激活对应的天线，避免了天线被激活后长期等待、闲置的问题。

3.3 绿色通信技术

5G蜂窝网络在大幅度提升网络传输速度的同时，也增加了无线通信系统运行过程中的能耗。在提倡绿色节能的背景下，5G蜂窝网络设计中也需要应用绿色通信技术。尤其是在未来几年内，随着5G网络的全面覆盖，应用绿色通信技术带来的节能效益十分显著。绿色通信技术的实现，有赖于各种新型元件、设备的支持。例如，近几年出现的毫米波技术，与目前应用较为广泛的微波相比，具有波束窄、散射小、抗干扰能力强等特点，在满足通信需求的前提下，能耗仅有微波的5%-10%。此外，还有一些微型的灵敏元件，也具有低功耗的特点，如果能够在5G蜂窝网络系统中推广使用，将会带来可观的节能效益。

3.4 移动基站技术

移动基站在4G网络系统中也有使用，但是主要应用类型是宏蜂窝。而进入5G网络时代，更多的是使用移动基站中的微蜂窝和飞蜂窝（Femtocell）。飞蜂窝可以看作是一个独立的、可移动的基站，能满足不同空间、场所内的网络覆盖要求，相比于宏蜂窝，其成本更低，还具有使用灵活、安装方便等一系列优势，可降低运行能耗。

3.5 超密集组网技术

由于5G蜂窝网络具有高流量密度、高峰值速率的特点，如果仍然沿用4G蜂窝网络，可能会导致网络中瞬时涌入超大流量，而导致通信系统堵塞甚至瘫痪的问题。为此，就需要应用UDN（超密集组网）技术，它能根据用户的通信需求，灵活进行组网规划部署，例如“宏基站+微基站”联合部署，可应用于商业区或工业园区等用户比较集中且对网速要求较高的地方。而对于小区用户则可以采取“微基站+微基站”联合部署，既能满足终端用网需求，又能控制运行成本。

3.6 D2D通信技术

D2D（终端直通）技术是将两个蜂窝用户直接连接进行通信的一种技术。4G蜂窝网络是一种分散式网络，分散的用户以基站作为信号的“中转站”，实现用户之间的信息传递。而5G蜂窝网络中应用D2D通信技术，可以实现用户与用户之间直接通信。其优势主要体现在两个方面：一是通过降低通信网络的运行负载，缩短了通信传输的时间间隔，优化了用户体验；二是进一步提高频谱利用率，对于频带资源的占用降低，这也是D2D通信技术适合在5G蜂窝网络中应用的关键。

4 结束语

最近两年，我国5G网络建设很快，已经建成全球最大的5G网络，基本实现全国各地城市5G网络的全面覆盖，正在真正迎来全民5G时代。通过改良5G蜂窝网络结构，可以进一步提高系统容量和资源利用率，支持5G网络下用户对于高传输速度、低响应延迟的需要。大规模MIMO技术、D2D通信技术以及UDN技术等，都是5G网络的关键技术。依托这些前沿技术构建5G蜂窝网络，在实用性能、使用成本、服务质量等方面达到统筹兼顾，让5G技术为广大用户提供更加优质的使用体验。