蜂窝结构与5G无线通信网络关键技术分析

2021-02-25唐健

通信电源技术 2021年17期

唐健

（深圳市中兴通讯技术服务有限责任公司，江苏南京 210000）

1 5G异构蜂窝体系结构分析

1.1 基本原理

近年来，5G网络的加快部署促使无线通信行业发展具有广阔的前景，现有用户的无线网络应用场景多集中在室内，室内上网需求的扩大对于网络信号质量提出更高的要求。然而受城市规划、小区建筑布局等因素的影响，建筑物墙体遮挡等均会影响到信号传输效率与质量，并且削弱数据传输频谱效率，导致无线网络环境下传递的能量产生衰减[1]。在此背景下，5G异构蜂窝结构的出现为上述问题的解决提供了有效可靠的方案。基于香农理论，将第i个信道的带宽设为Bi、信号功率设为Pi、噪声功率设为Np，则系统容量的计算公式为：

1.2 蜂窝结构

5G基站配有大规模阵列天线（Multiple Input Multiple Output，MIMO），基于分布式天线系统（Distributed Antenna System，DAS）实现通信传输功能，通过增加发射、接收天线部署的数量扩大系统容量[2]。室外基站将大规模MIMO系统的天线元件以分布式结构布设在小区周围，通过数字光纤分别与BS服务基站、室内无源分布式天线系统以及MIMO系统建立连接。然而在实际应用环节，受室外分布系统天线元件数量的限值，还需构建虚拟天线阵列并在BS附近布置天线阵列，保证MIMO链路稳定运行[3]。5G异构蜂窝体系结构主要包含宏基站、用户、Pico基站，如图1所示。在室外利用电缆将分布式天线阵列与无线接入点建立连接，完善基础设施配置，从而有效提升小区吞吐量、频谱效率以及通信速率等[4]。

图1 5G异构蜂窝体系结构示意图

2 引领5G移动通信发展的关键技术及其应用

2.1 毫米波技术

5G移动通信系统针对TDD、FDD两种双工制式分别完成频段划分，并引入SDL、SUL两种频段，在毫米波范围内频段包含26 GHz、28 GHz、39 GHz等类型，可以有效提升频谱资源利用率，加快无线通信网络传输速度[5]。在毫米波通信路径规划上，发射信号经由无线信道进行传输，在传输过程中易受辐射影响出现信号紊乱等情况。相较于原有网络频段，毫米波通信频段在信号传输过程中允许消耗范围更大，可在高频段内对接收信号产生约束，用于限制能量损耗。设波长为d、频率为f，则在自由空间路径中信号传输产生的损耗为：

在毫米波蜂窝网络的实际部署与应用环节，通过引入一种高度可调节的定向传输天线完成LOS通道及相应组件的创建，增加系统容量，抑制用户干扰。但建筑物遮挡、用户位置移动等均有可能导致链路阻塞问题，削弱系统性能，为扩大网络覆盖范围，可采用以下解决方案[6]。

（1）完善DAS系统部署。结合该系统的传播路径特征，可选择在室外基站或无线基站处部署以16×16天线阵列为代表的集中式MIMO阵列，满足城市郊区等的通信覆盖需求。对于地形起伏大、周围建筑物较高的城区，可选取若干个以4×4天线阵列为代表的小型天线阵列进行分布式部署，各天线阵列分别用于覆盖特定区域，经由光纤实现与公共中控器的连接。根据毫米波通信系统特征进行DAS系统部署方案的设计，结合区域地形、周围建筑物分布特征进行部署点位的科学设计，选取与预期用户距离较近的点位完成系统接入点的设置，有效降低信号传输过程中的能量损耗，扩大系统覆盖范围，提高网络吞吐量。

（2）引入协作中继模式。利用多跳网络使信号在LOS信道传输过程中绕开阻塞路径，当期望用户从特定路径接收到不同版本的同一信号时，可利用3GPP、LTE等工具进行重分析。当某一通信链路发生信号阻塞问题时，可依托专用中继站寻找路由，利用室外基站面向期望用户LOS链路中继进行波束转向调整，从而完成中继或路由方案的设计。例如，当某信号源在向目的地传输信号的过程中遇到阻塞问题时，可在信号源、目的地之间设置中继终端并分别与两端LOS链路建立连接，配合中继选择或路由算法等提高网络吞吐量，抑制信道干扰。

2.2 大规模MIMO传输技术

大规模MIMO传输技术为5G无线通信网络系统频谱效率的提升提供重要支持，以3GPP Rel14为代表的广播技术现已使用增强全维MIMO。相应地，发射、接收天线部署数量逐渐增多，对于系统部署方案提出了更高的要求[7]。通常mMIMO系统中基站配备的天线数量较多，在MU-MIMO布置时频资源时，支持对若干不同终端进行调度。在此模式下，基站可适应不同终端信道、统一处理天线阵列，通过发送下行链路预编码方案实现在特定终端集成信号，增强空间聚焦效果，其基本模型如图2所示。

图2 大规模MIMO系统模型示意图

将上述机制与蜂窝网络结构相结合，依托大阵列增益实现以发射天线数量为基准成倍降低发射功率，利用特定终端集成发射信号，规避多用户干扰问题。同时，基于信道硬化效应提升网络传输效率，维持链路自适应与均衡性。

大规模MIMO传输技术在TDD模式下具有良好的适用性，为了解决导频污染问题，依托其高灵敏度使用估计的上行信道对终端执行下行波束赋形[8]。具体来说，以小区A、小区B两个相邻小区为基准，两小区部署的终端A、B均依托同一资源集完成导频信号的发送。当室外基站A通过侦听从终端A处接收到导频信号后，完成UL信道的估计。由于该估计信道同时兼具布设在小区B中的终端B发送的导频信号，因此会造成终端A处的导频信号污染问题。利用室外基站A执行波束赋形，经由估计信道面向终端A生成下行信号，此时受终端B导频污染的影响，室外基站A同时也向终端B发射波束，由此对终端B产生强大的干扰。基于此，在TDD模式下还需采用导频功控方法进行性能优化，以解决多小区TDD系统中的导频污染问题。

2.3 移动基站技术

基站作为5G网络环境下提供信号覆盖、支持无线信号传输的核心设备，其架构与形态将直接影响到5G通信系统的传输性能。现有5G网络系统的信号频率大小与传输过程中的信号衰减量成正比，普遍引入Massive MIMO、LDPC等先进技术满足基站高密度覆盖与高速率传输需求[9]。在5G移动通信基站建设时，首先应落实科学选址规划，引入超密集异构网络体系、低功率频段、小型化等方案进行基站部署，保证扩大网络容量、提升频谱效率；其次应强化技术支持，结合实际基站部署环境进行解调环节判定手段的选择，避免网络信号出现畸变，提高通信服务质量；最后应与LTE网络建立协调关系，引入逐步过渡策略进行5G热点的小范围部署，逐渐扩大5G信号覆盖范围，配合架构融合等模式搭建多层次网络结构，降低时延。

2.4 其他新空口技术的应用

在以Massive MIMO为代表的典型技术基础上，5G新空口技术还包含OFDM可扩展波形、5G NR、5G网络切片等。其中，基于OFDM的可扩展波形能够优化频域结构，利用OFDM波形拓展信号覆盖范围，辅助5G物联网建设；5G NR技术引入承载网提升网络结构的多路径通达性，通过简化网络层次结构解决高时延问题，配合对象识别等附属功能更好地与基站建立高效连接；5G网络切片技术可实现对网络资源的优化配置，支持跨层、跨域协同，依托不同切片满足多种业务需求。将以上新技术应用在无人机的网络连接功能设计上，可与4K、8K高清视频传输技术相结合，满足安防监控管理需求，实现远程控制目标。依托无人机巡视实现电力巡检环节的无人化作业，可将上行用户图片传输速率提升至100 Mb/s，支持全视角对电力设备、输电线路进行安全检查。

2.5 通信网络建设思路

现阶段室外无线通信网络主要基于3.5 GHz频率进行通信传输，在此模式下无法保证实现最佳网络覆盖效果，因此可结合现有频段进行调节，例如选用1.8 GHz频率进行替换，其频率接近下行覆盖水平，可有效满足室外使用频率要求。结合5G无线通信网络系统的异构网络结构特征，在实际运行环节可采用“宏小区+微小区”的双连接模式。选取顶层部署宏小区，在宏小区内部建立微小区，分别充当覆盖小区和容量小区，并完成终端部署。利用宏小区进行用户控制面数据等的处理，微小区则专用于满足用户数据面需求[10]。