5G毫米波的技术分析、使用场景及网络结构研究

　　摘要：在频谱资源越来越紧缺的情况下，毫米波的大带宽优势使其成为第五代移动通信技术的重点。目前，我国5G建设正如火如荼的进行着。毫米波作为我国5G候选频段，对5G发展的重要性不言而喻。本文从分析毫米波的传输特性入手，通过介绍其优劣势和MassiveMIMO技术的结合，进而引入5G毫米波在未来移动通信系统的应用场景及组网架构，为5G毫米波落地实施提供参考。

　　关键词：毫米波； 5G; Massive MIMO; 超密集组网；

　　Abstract:With the increasingly scarce spectrum resources, the large bandwidth advantage of millimeter wave makes it the focus of the fifth generation mobile communication technology. At present, China's 5 G construction is in full swing. As a 5 G candidate frequency band in China, millimeter wave is of great importance to the development of 5 G. This article starts with analyzing the transmission characteristics of millimeter wave, introduces its advantages, disadvantages and the combination of Mossive MIMO technology, and then introduces the application scenarios and networking architecture of 5 G millimeter wave in future mobile communication systems, providing a reference for the implementation of 5 G millimeter wave.

　　Keyword:millimeter wave; 5G; Mossive MIMO; ultra-dense network;

　　为应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信技术（5G）应运而生。

　　移动通信发展以来，毫米波因其传播距离短和穿透性差等缺点一直被视为移动通信的"荒芜之地".但随着技术的进步与5G的到来，毫米波的频谱宽、稳定性高和方向性好等优势也逐渐被移动行业发现与利用。同时，5G时代给予移动行业足够并且合适的5G频谱资源，将有效的促进社会经济效益，也为5G未来持续发展指明了方向。因此，毫米波成为5G网络不可或缺的一部分。

　　根据3GPP协议规定，5G网络主要使用FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450 MHz~6 GHz,又称Sub 6 GHz频段；FR2频段的频率范围是24.25~52.6 GHz,通常被称为毫米波。目前，各运营商的5G网络正如火如荼的建设，且均按照我国5G发展策略采用FR1频段。国内已批准5G毫米波频谱24.75~27.5 GHz和37~42.5 GHz作为实验频段。5G毫米波技术已趋于成熟，关键技术验证已基本完成，相信5G毫米波商用指日可待。

　　1 毫米波传输特性分析

　　1.1 毫米波劣势及解决方案

　　影响毫米波传播特性的因素主要有大气吸收（包括大气分子、尘埃、烟雾等悬浮物），降水（包括雨雪雾等），以及环境（包括地面、建筑物等），再加上毫米波高频率特性，致使其传输性能比较差，主要体现在如下3个方面。

　　（1）覆盖距离短，在全向发射时这些频谱的能量发散比较快，容易衰弱，无法传播到很远。

　　（2）穿透性差，容易被楼宇或人体等阻挡、反射和折射，这里可以想像一下比毫米波波长更短，频率更高的可见光，它就很难穿过大部分物体。

　　（3）毫米波信号衰减大，它还受限于很多空间因素，其中一个主要因素就是水分子对于这些频谱的吸收程度很高，信号衰弱非常快。

　　但是，只要做好足够的链路预算，并不会导致毫米波数据链路中断。我们在进行网络规划时，可根据不同地区的历史最大降雨量来预算毫米波无线链路损耗，确定毫米波的最大传输距离。

　　（1）利用墙体反射或者加装反射装置，就是用非视距（NLOS）链路替代视距（LOS）链路。这一办法的缺点是功耗大、能效低和衰减大，影响传输速率，且复杂的建筑环境影响反射装置部署。

　　（2）利用空间分集技术，在波束赋形过程中，沿着多个路径，同时发送多个波束，来减轻NLOS衰减，提高连接稳定性，但这增加了波束赋形处理的复杂性。更优化的办法是引入智能波束搜索和跟踪算法，发现并切换到主导波束路径上。

　　（3）利用中继节点保持连接性。部署多个中继节点，形成多跳和网状的链路结构，一旦某一节点被建筑物阻挡，可灵活选择另一个未被阻挡节点来迂回路由，保持连接可靠性。

　　1.2 毫米波优势

　　在克服毫米波劣势的同时，毫米波的技术优势也是显而易见的。

　　（1）极宽的带宽。通常认为毫米波频率范围为26.5~300 GHz,带宽高达273.5 GHz,超过从直流到微波全部带宽的10倍，配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量，适用于高速多媒体传输业务，这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。

　　（2）波束窄。在相同天线尺寸下，毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个12 cm的天线，在9.4 GHz时波束宽度为18°，而94 GHz时波束宽度仅1.8°。因此可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节。

　　（3）安全性高。窄波束本身由于传播距离短，被远距离截获的可能性将变得更低，在通信安全方面，也有着无可比拟的优势。

　　（4）方向性好。毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大，传播距离短，在整个传播路径下，毫米波信号间受到干扰的可能性将变得更小，传播的精度有所提高，使得它的定向性将会更具优势。

　　此外，毫米波高频率的技术"缺陷"现如今也能成为优势。要知道频段越高，对于接收天线的尺寸要求就会越低，这意味着对于支持毫米波的终端而言，机身内部的接收天线可以做得比以往更小，而对于没有尺寸限制的终端，也可以在原先的技术上容纳更多的高频段天线，从而获得更好的接收效果。

　　2 基于Mossive MIMO的5G毫米波技术分析

　　众所周知，MIMO通过空间分集、波束赋形、空间复用等技术使其具有提高系统可靠性和扩大系统容量的技术优势，如图1所示。且随着用户对数据流量需求的爆炸性增长，基于4G网络的MIMO技术已普遍应用。MIMO技术的升级版Mossive MIMO技术则是集成更多天线形成大规模天线阵列，这就意味着基站可同时向更多用户发送、接收信号，能够更大的提高系统的容量，同时能降低误码率，也是目前5G关键技术研究的一个重要组成部分。

　　根据毫米波的技术特性，引入Mossive MIMO技术不仅能克服其技术劣势，还能更好的发挥其技术优势。一方面，由于无线通信系统中天线尺寸与信号波长成正比，毫米波的波长使得其对应的天线尺寸大大降低，适合在基站端和接收端部署大量的天线，从而使系统获得较高的天线阵列增益。另一方面，毫米波的频段资源分布较广，可以为通信系统提供丰富的带宽。

　　毫米波与Massive MIMO技术的完美结合因其充裕的带宽资源、更高的数据传输速率和能量效率成为了当前通信领域的研究热点。

　　图1 MIMO技术特点   

　　3 5G毫米波的应用场景及网络结构分析

　　3.1 5G毫米波应用场景分析

　　3.1.1 毫米波小基站场景

　　从各运营商的部署来看，在毫米波基站成熟商用之前，未来几年将采用4G/5G协同的方法进行目标网建网，而且5G的建设也是采用Sub 6 GHz频段，以宏站覆盖为主。但是随着更多的物物连接接入网络，立体组网的密度将会大大增加，引入毫米波频段已成为移动通信热点关注的话题。由于毫米波的传输距离短，覆盖范围有限，因此未来无线接入网必然会出现大量小基站场景。

　　3.1.2 毫米波基站回传

　　基站回传要求网络具有稳定、可靠和高速率等性能指标，传统无线接入网很难满足上述特性。因此目前基站回传基本采用光纤布缆的有线传输方式，但是随着光缆布放难度逐渐增大，光纤资源愈发紧缺的情况下，无线回传又重回通信人的视野中。

　　5G毫米波系统可以提供很大带宽及很高的峰值速率，同时毫米波的频点较高、波长较短，可以在相同面积实现更多天线阵列布防，波束能量更集中。由此可见，5G毫米波可以满足基站回传的各种网络特性，以解决一些场景无法布放光纤或布放光纤代价过高的问题。采用毫米波基站回传方式，一是可以将其作为基站为终端提供服务，二是可以通过站间对打实现无线回传。这种方式可以解决一些场景无法布放光纤或布放光纤代价过高的问题。

　　3.1.3 毫米波垂直行业专网

　　5G毫米波不仅可以与低频段系统混合组网，提供大带宽和高速率的公网服务，还可以将部分频点单独规划，提供面向行业用户的业务专网服务。另外，随着移动边缘计算（MEC）和人工智能（AI）技术的快速发展，与5G毫米波系统相结合，可以更好的释放各自的技术优势，为行业专网提供大容量、高速率和本地化的智能解决方案，满足行业大带宽、低时延和安全可靠的网络需求。

　　3.2 5G毫米波超密集异构网络分析

　　根据以上对应用场景的分析，未来5G毫米波基站密度越来越大，实现的功能越来越多。4G/5G协同组网的方式长期并存，要在传统的多种无线接入技术叠加型异构网基础上，引入超密集组网（UDN）方案，即采用更加密集的小区进行立体网络覆盖的部署技术，以提升5G网络总体性能。因此，基于5G毫米波的超密集异构网会成为后期移动通信网络的基本架构，如图2所示。

　　基于5G毫米波的超密集异构网存在如下特点。

　　（1）多层超密集异构小区重叠覆盖。低频高功率宏小区提供连续广覆盖能力，毫米波低功率微小区则满足热点高容量需求。多个微小区的覆盖面均处在宏小区的覆盖面内。

　　图2 基于5G毫米波的超密集异构网示意图

　　（2）毫米波微小区可按需灵活部署。微小区可以根据实际业务需求形成点覆盖或线覆盖，微小区的接入和关闭不影响宏小区网络的整体拓扑。

　　（3）传统的小区间频率复用仍适用于毫米波微小区。通过合理的频率隔离，可以有效减少微小区间的同频干扰。

　　（4）相对于传统移动通信网络，当用户终端移动到宏小区边缘，仍可以获得由其位置所在的微小区提供的高速数据传输服务。

　　超密集异构网的上述特点导致其面临如下几方面的挑战。

　　（1）干扰。由于小基站更密集的部署，大功率宏基站重叠覆盖，将会导致十分严重的干扰问题，主要体现在低功率基站间同层干扰及宏站与低功率基站间的跨层干扰。当然，目前的抗干扰技术有很多种且已成熟运用，典型的包括频率复用技术、小区边缘扩展技术、小区间干扰协调技术和功率控制的干扰协调技术等。干扰抑制的新手段层出不穷的出现，抗干扰技术难题相继解决，为超密集异构组网提供了有力支撑。

　　（2）频繁切换。为解决这一问题，超级异构网可采用小区虚拟化技术。宏基站小区作为虚拟层，虚拟宏小区承载广播和寻呼等控制信令，负责移动性管理。实体微基站小区作为实体层，微小区承载数据传输，如图3所示。该技术以用户为核心，能够突破小区边界限制，提供无边界无线接入。虚拟小区在用户移动之下快速更新，保障虚拟小区和终端之间一直都有很好的链路质量，让用户可以在超密集部署区域中不管怎样移动都能够获得一致的高Qo S.当用户在同个虚拟层中移动时，不会发生小区重选或是切换，因此不影响用户体验。

　　（3）多用户接入及资源配置不均衡。在超密集异构无线网络中，用户可以根据业务需要和网络状态等情况随时选择同时接入多个不同的网络，满足用户灵活多变的个性化业务需求。因此，用户面临的一个重要问题就是如何选择需要接入的基站，这是实现联合无线资源分配的基础，也是满足用户业务需求的关键。在多接入选择方式中，需要考虑信号强度、覆盖范围和网络负责等多种因素，同时需要综合考虑用户和网络运营商双边的利益，如果用户接入的基站不合理，不仅不能保障用户实现多种通信业务的服务质量，还会造成系统资源的浪费。因此，业界一般通过设计有效的接入判决算法来解决这一问题。

　　图3 虚拟化小区技术 

　　4 结束语

　　5 G技术的发展影响了人工智能、物联网和自动驾驶等新兴产业，未来业务市场的不同需求，不同的应用场景，对频谱的需求也不一样。5G毫米波的高带宽、高速率和低时延等特点，可帮助释放这些新型产业的发展潜能，为各行各业带来技术变革，为创新型驱动的经济创造新动能。

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