【原】【学术论文】毫米波蜂窝网络技术研究

   摘 要 ： 

毫米波技术可大幅提高蜂窝网络系统容量和传输速率，是下一代(5G)蜂窝系统中的关键技术之一。随着网络流量需求的迅猛增加，毫米波蜂窝网络的超密集组网可有效提高系统的频谱效率和无线资源利用率。针对毫米波蜂窝网络的技术特点，首先对毫米波蜂窝网络技术国内外当前的研究状况进行了总结和概括；对毫米波蜂窝网络的技术特点进行了详尽介绍并指出其设计难点；最后介绍了毫米波蜂窝网络中的关键技术并指明了其未来的发展趋势。

中文引用格式： 刘科润，刘青龙. 毫米波蜂窝网络技术研究[J].电子技术应用，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

随着VR/AR、物联网、车联网等技术的发展，蜂窝网络流量的需求在以40%～70%的年均增长率快速增长，下一代蜂窝通信系统峰值吞吐率将达到数吉比特每秒，蜂窝边缘网络速率将达到数十兆比特每秒，当前已有的频谱资源难以满足该需求^[1]。

为了应对这样的挑战，越来越多的研究开始关注30 GHz～300 GHz的毫米波频段。在这个频段可以获得的带宽远宽于现在的蜂窝网络。以28 GHz毫米波为例，其理论最大带宽可达1.4 GHz，与目前4G带宽相比，可达十倍以上的带宽差距。更重要的是，毫米波信号具有波长小、方向性强、干扰少等优点，可大幅提高蜂窝网络系统容量和传输速率。这些优点和巨大的应用潜力引起了工业界和学术界的巨大兴趣，毫米波频带将在下一代(5G)蜂窝系统中发挥巨大的作用^[2-5]。

下一代(5G)蜂窝系统对于毫米波的利用，主要集中在24 GHz/28 GHz/39 GHz/60 GHz几个频段之中。尽管毫米波蜂窝网络有着巨大的应用潜力，但仍然存在诸多技术障碍。根据Friis的传输定律，自由空间全向路径损耗与频率的平方成正比^[6]。毫米波传输会招致更高的全向路径损耗，需要通过合适的波束赋形和定向传输技术来完全补偿。同时，毫米波信号容易受到遮挡的严重影响，导致中断和间歇性的信道质量。一些材料(如砖块等)可以衰减信号达到40 dB到80 dB，并且人体本身可以导致20 dB到35 dB的衰减^[7]。此外，设备的功耗要能支持大规模MIMO也是一个大的挑战。

在蜂窝移动通信发展历程中，相较于低频段，由于毫米波传播距离更短，运营商需要实现大规模覆盖需要投入很高成本。出于对毫米波蜂窝网络部署成本以及覆盖回报的考量，对于毫米波实际部署的可行性一直存在很大争议。直到2017年，高通公司通过一系列实际落地实验，证实了毫米波蜂窝网络在城市环境中大规模部署的可行性。相比于6 GHz频段以下的LTE网络，毫米波蜂窝网络可将最大可用带宽从100 MHz提升至400 MHz、传输速率可从下行1 Gb/s提高到10 Gb/s以上。在传统的LTE网络架构中，室内用户与室外基站通信时，信号必须穿越建筑物，从而极大地降低了无线传输的传输速率、频谱效率和能量效率。在5G毫米波蜂窝网络中，其关键的设计思想是将户内与户外场景相分离，从而避免无线传输损耗。这样的设计思想主要借助分布式天线系统(DAS)和大规模MIMO技术来实现。户外的基站配备了带天线元的大规模天线阵。这些天线元分布在蜂窝小区周围，并且通过光纤与基站相连。户外的移动台配备有一定数量的天线元，并通过相互的协作形成一个虚拟的大型天线阵。天线阵可以安装在建筑物外面，既可以与户外的基站通信，也可以通过线缆连接室内的无线接入点。在这样的毫米波蜂窝网络架构下，室内用户可以使用多种短距离、高速率通信手段与其他户外用户通信，如WiFi、毫米波等。5G毫米波蜂窝架构也可以异构组网，包括宏小区、微小区、中继^[1]。

随着毫米波蜂窝网络商用的日益临近，5G蜂窝系统可以提供很多低时延、高带宽、多连接业务，如4K/8K超高清视频、VR/AR、工业互联网、远程医疗、安防、自动驾驶等，具有广阔的想象空间和应用前景。

1

毫米波蜂窝网络

特点及难点

1.1 毫米波蜂窝网络特点

1.1.1 频带

毫米波通信由于具有频带宽的特点，可以实现高速数据传输，专用通信传输速率可达8～16 Gb/s。传输速率越高，占用的频带越宽，目前采用的厘米波波段已无法满足不断提高的传输速率要求。相比于当前最新的4G网络，毫米波系统在容量上可以高出一个数量级。相比于20+20 MHz带宽的LTE系统，对于带宽为1 GHz的TDD毫米波系统在平均蜂窝吞吐率上可以很容易地提高20倍。

1.1.2 安全保密性

毫米波通信是一种典型的LOS传输方式，传输距离短，难以被窃听；同时，波束很窄，具有很强的方向性，信号被截获概率低，安全保密性好。此外，各无线链路在方向上相互隔离、干扰在当前小的蜂窝网络中产生的影响更小。因此，传统LTE蜂窝网络中用于干扰消除的技术（比如多点协同、小区间的干扰协同与干扰消除）在毫米波系统中发挥得作用越来越小。

1.1.3 传输质量

由于毫米波通信所处频段较高，通信干扰源很少、电磁频谱干净，可实现极低误码率的可靠稳定传输，可实现与光缆相当的传输质量。此外，相比于激光和红外，毫米波对沙尘和烟雾的穿透力很强，可以几乎无影响地穿透烟尘等。即使面对爆炸场景造成的严重散射，在出现短暂衰落后可快速恢复，不会对毫米波通信构成严重影响。

1.1.4 元器件尺寸

随着CMOS RF和数字处理领域的进展，低成本、可商业化的毫米波芯片不断涌现^[8]。同时，在功率放大器和自由空间自适应阵列组合领域取得的技术进步开始伴随着60 GHz无线LAN和PAN系统的增长而不断发展。更重要的是，在毫米波通信中采用的大型阵列天线可以被压缩至小于1～2 cm²的范围以内。为了能提供路径分集，一些阵列天线阵列甚至可以遍布整个移动设备表面。

1.2 毫米波蜂窝网络难点

1.2.1 毫米波信道的不稳定传输

由于在给定移动速度下，信道变化时间与载频呈线性关系，因此，在毫米波频段，运动时所产生的信道变化远快于当前的蜂窝网络。同时，由于毫米波易受到遮挡的影响，会导致路径损耗的波动更加剧烈，因此，毫米波蜂窝网络需要适应高度间歇性连接。

1.2.2 处理功耗

在毫米波蜂窝系统中，由于采用了Massive MIMO等技术，面临的一大挑战是模数转换的功耗问题。根据测算，功耗一般与采样率呈线性关系、与采样比特数呈指数关系^[9-10]，使得宽带高精度量化与大规模天线阵技术难以应用于低功耗、低成本设备。

2

毫米波蜂窝网络

关键技术及发展趋势

2.1 关键技术

2.1.1 Massive MIMO技术

MIMO系统的发端和收端均由很多天线构成，通过提供空间分集增益可以大幅提高传输可靠性、频谱效率和能量效率，从而可以容纳更多的信息数据。在Massive MIMO系统中，通过合理地使用多用户MIMO技术，可以避免复杂的调度算法、简化介质访问控制协议的设计；可以使用同样的时间和频率资源，发送不同的信号给各个用户。Massive MIMO系统在保持传统MIMO系统的优势基础上，进一步提高频谱效率和能量效率，是5G毫米波蜂窝网络中采用的重要技术之一。

2.1.2 异构网络技术

为了实现可靠、统一覆盖，支持异构网络已成为目前毫米波蜂窝标准的关键设计目标之一。与目前的蜂窝网络相比，毫米波蜂窝标准对异构网络的支持将要求蜂窝选择和路径切换的速度更快。这主要是因为，毫米波信号容易受到遮挡的影响，会随着用户的动作或者用户的环境而发生快速的变化。用户载波聚合技术是解决该问题的途径之一，可以使移动台同时连接到多个基站，从而提供宏分集，进而提高网络峰值吞吐率。图1所示为典型的毫米波异构网络架构。

2.1.3 移动蜂窝技术

移动蜂窝技术是下一代蜂窝通信系统中一项有前景的技术，将移动中继与移动蜂窝相结合。移动蜂窝可以动态移动并且可以动态改变与运营商核心网络的连接。可部署于包括公交车、火车、轮船、飞机甚至是私人汽车，从而提高对移动用户的服务质量。对于毫米波蜂窝网络的建设而言，一方面，移动蜂窝技术可以改善整体网络的频谱效率。另一方面，移动蜂窝技术可以使得移动蜂窝小区代表所有相关用户实施握手，从而减少了移动小区用户单方面的握手活动、有助于网络信号开销的降低，同时也降低了所有用户的能量消耗。

2.1.4 绿色通信技术

下一代毫米波蜂窝网络的发展目标之一是降低整体网络能耗，实现绿色通信。室内通信技术可以取得更高的能量效率，因为收、发之间短距离通信有着更好的通信信道质量。室内通信可以选择微波、毫米波和可见光等多种高速通信手段。可见光通信系统(VLC)通过将信息比特调制在LED可见光上来传输，在传输同等密度的数据时，所消耗的能量远低于基于射频的通信系统。同时，将室内与室外数据流分离后，宏蜂窝的基站在无线资源分配上的压力更小，并且可以通过更低的功耗来发射信号，从而大幅降低能耗。

2.2 发展趋势

随着下一代毫米波蜂窝网络技术的发展，其发展趋势表现出以下几个特点。

2.2.1 密集化

一方面，随着CMOS RF和数字处理领域的发展，低成本、小型化的毫米波芯片不断普及。由于非常小的波长，大型阵列天线可以被不断压缩至很小的范围以内。同时，由于毫米波容易受到人体的阻挡，为了获得空间分集增益，一些天线阵列甚至可以密集地遍布整个移动设备表面。另一方面，随着毫米波技术的应用，蜂窝网络在不断朝更小的、超密集蜂窝小区演进。在很多密集的城市区域和大型建筑物中，蜂窝小区半径通常小于100 m，这处于毫米波信号的通信范围内。当前网络增长的容量要求需要更大的小区密度。对于非常高密度的部署，宽带毫米波信号对通过极大提高单一小区容量的小区分裂提供了一种选择。对无线运营商带来较大成本的后传也可以通过毫米波来实现，以进一步降低成本。

2.2.2 虚拟化+智能化

蜂窝网络技术在不断走向虚拟化。随着未来无线接入网中用户流量需求的迅猛增长，云无线接入网(C-RANs)架构成为跨越4G网络后的关键推动因素，可以极大地降低成本，提供高级协同、协作处理能力及复用增益。移动前传链路是C-RANs架构中的重要组成部分，需要具备高容量、低延时的要求。通过在上层(如BBU池)集中基带处理功能并通过更低一层的网络边缘基带功能层(如RRH)来发射，以实现更具成本优势的网络设计。

此外，运营商们在不断优化频谱的使用效率，进一步改善用户体验。以认知无线电和网络功能虚拟化的成果为基础，利用大数据技术、机器学习等人工智能工具构建“智慧网络”，从而预测网络和用户需求，精准配置资源，并显著提高网络容量和用户服务体验。

2.2.3 光与无线融合

随着蜂窝通信业务的快速增长，如何提供更大的带宽来满足用户流量需求的快速增长是接入网面临的重大挑战。光接入网是目前接入网的主流技术，最后一英里将会是无线毫米波或者光纤回路。光纤接入不仅具有带宽大的特点，还可利用微波光子技术实现光纤与无线的融合，充分结合光纤与无线接入各自的优势，既可以满足移动蜂窝网络日益增长的带宽需求，也能简化网络部署、降低网络部署成本，是当前国内外毫米波蜂窝网络技术的研究热点之一。

3

结论

本文介绍了毫米波蜂窝网络技术的国内外发展现状，同时详细地对毫米波蜂窝网络技术特点及其难点等进行了介绍。最后介绍了毫米波蜂窝网络中的关键技术并指出了其未来的发展趋势。 

参考文献

[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，FIANDRINO 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:

刘科润，刘青龙

(电子科技大学中山学院 电信学院，广东 中山528402)

原创声明：此内容为AET网站原创，未经授权禁止转载。