毫米波在5G中的应用

钟 旻

5G的目标是能实现如图1所示的连接。按照这个目标，5G将推动人类社会信息交互方式的进一步升级，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清（3D）视频、移动云等更加身临其境、前所未有的体验；通过物联网极大扩展通信服务范围，从人与人通信延伸到人与物、物与物智能互联。这意味着将面临海量、密集的用户，巨大的通信容量和速率要求的挑战，是以前几代的蜂窝无线移动通信无法胜任的，于是5G应运而生，在网络拓扑和频谱投入上，通过新的发展、开拓来达到目的。

图1 5G无线移动网络的目标

1 从单层网络向多层网络演变

在第一讲中，我们介绍了5G的一些应用场景，如连接广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠等，满足不同要求的解决方案是引入多层网络架构，如图2所示。在蜂窝移动通信中，宏蜂窝小区覆盖范围为1～25km，为适应5G的应用，在一些超密集用户分布的地方，嵌入小区（smal l cell），设置小区基站，如图2 所示。小区包括微小区（覆盖半径30～300m）、微微小区（10～30m）、飞蜂窝（超小型，家庭型）等，除网络规模、大小不同外，可能采用不同的接入技术，因而称为异构网络（HetNet）。由于毫米波具有丰富的频谱资源，但传播衰减较大，穿透能力弱，可用来提供LOS传输；而宏蜂窝采用较低的频段传输信号，从而保证甚至在NLOS条件下，获得较大的、适当的覆盖。而且，宏小区和小区基站采用不同的频带，可避免宏小区与小区之间的相互干扰。这种多频段异构网络的一个例子如表1所示[1]。

图2 5G的多层网络架构

表1 多频段异构网络举例

要指出，小区的设置可能是离散的，即非无缝隙连接，这样会产生越区切换的问题，在每个小区基站中通过信令信道去实施是相当复杂的；另外，用户设备要配备双频段，也增加了复杂度和成本。一个解决方案是将用户（U）和控制（C）平面分离，如图3示。宏小区支持C平面和U平面二者的信令，通过宏小区通信进行管理，利用用户设备与宏基站之间进行信令交互。小区仅用于传递用户业务。宏基站能对用户设备的移动性和业务进行中心化集中管理。在典型的蜂窝区点，有一基带单元（BBU），用以处理用户和控制数据。

图3 用户平面与控制平面的分离

2 用户接入网

现代通信过程通常是通过电信网络实现的。完整的电信网络的组成如图4所示。其中，核心网是由长途网和中继网组成的，而用户与核心网之间的接续网络，便是接入网（AN，Access Network）。

图4 现代电信网络的组成

图4中，CPN为用户驻地网，UNI为用户网络接口，SNI为业务接点接口。

ITU-T G.902给出的接入网的定义是：AN是由业务接点接口（SNI）和相关用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设施和传输设施）所组成的、为传送电信业务提供所需承载能力的实施系统。提出接入网（AN）的概念，其目的之一是采用多种传输媒体来灵活支持混合的不同接入类型与业务。按此概念，接入网的物理媒体可以是基于有线（如光纤），也可以是基于无线的。无线接入网分为固定无线接入网和移动接入网。

表2是mmMAGIC列出的毫米波移动无线接入网的8种使用情况[2]。

表2 毫米波移动无线接入网的8种使用情况

图5给出了用户设备通过WiFi中继接入基站的示意图。对于固定的无线接入，则如图6所示，图中的用户转接设备也就是无线路由器。在图7所示的移动用户接入中，使用了一种称为“Mobility First” 的路由器，它是采用一种适合移动接入的新的互联网通信协议[3][4]。

图5 用户设备通过WiFi 中继的接入

图6 固定用户设备的无线接入

图7 移动用户设备的接入

3 回程（Backhaul）与前向（Fronthaul）链路[5][6][7]

在分层的电信网中，回程是核心网或骨干网和处于边缘或远处的小子网之间的中间链路，是网络的关键。在5G中，宏蜂窝基站与与小区基站之间，就是通过回程链路连接的。

在人口和通信设备密集的市区，光纤作为回程链路得到了广泛的应用，它能提供高的数据速率和高的可靠性（达99.999%）；而在人口较少的郊区和农村，或光纤难以到达的地方，将采用无线回程链路，它具有高的性价比，并使运营商能获得网络端到端的控制，而无须租用第三方的有线回程连接。选择微波还是毫米波，其最佳方案取决于传播环境，以及系统的相关参数，如小区位置、配置密度、所要求的回程容量、干扰条件、成本、覆盖、硬件要求等。

表3列出了用于5G小区基本的无线回程频谱方案摘要。从表可见，在网络密集的市区，用于回程链路的毫米波是更为可取的，下面将进一步说明。

表3 用于5G小区基本的无线回程频谱方案摘要

在密集、超密集网络中，小区部署在热点地区，如办公大楼、购物大厅和公寓等处，通过高速数据率提供来自宏蜂窝小区的卸载，以满足这些热点对大业务量的需求，因此，宏蜂窝小区基站与相关的小区基站之间的回程，应提供大带宽频谱，用于可靠的链路传输，故无线方式中，毫米波是最好的选择：

（1）高容量和可接受的成本付出。60GHz频段和部分E频段（71-80GHz），可提供潜在的GHz传输带宽，传送Gb/s级或更高速的大容量信息。

（2）干扰少。由于自由空间传播损耗、大气吸收和雨衰等因素制约，60GHz的传播距离限于数百米，适合超密集小区的覆盖，有利于频率复用，降低小区间的干扰。

（3）小的“形成系数”，即设备的小型化。由于毫米波的波长甚短，做成大阵列天线很容易安装在宏蜂窝和小区基站上。而大天线阵列和波束形成有利于获得高的天线增益、自适应处理的能力。毫米波回程设备小而紧凑，很容易安装在廉价的场所，如电灯柱上、建筑物墙壁上、公交站（图8）等，安装时间也较短。

图8 毫米波回程设备安装举例

移动前向链路（Fronthaul）是一种新的无线接入网（RAN）架构[6][7]，由中心化（集中）的基带单元（BBU）和独立的无线前端组成。无线前端（RRH）可安装在距离数千米至数十千米的远地小区处，即BBU与远地无线前端（RRU）的中间链路。

图9 前向链路的连接

图9中，引进了基于集中化管理、协作无线电和实时云计算架构的无线接入网，简称云—无线接入。其间，多个小区基站作为无线远程前端（RRH），多个基带处理单元（BBU）组成“BBU 池”。RHH负责射频信号下行链接移动站（用户设备），而基带信号通过上行链路到BBU池处理，所有RRH可连接到一开关（交换）设备，以便将来自单个或多个RRH的上行信号，灵活地、动态地安排给BBU处理；BBU池就成为虚拟的基站，可处理基带信号和进行网络的优化。