蜂窝结构与5G 无线通信网络关键技术探讨

汪 黎

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410126）

0 引 言

随着大数据时代的到来，人们对网络通信效率的要求不断提升。各大运营商面对持续增长的数据速率和移动性不断增强的无线应用，要进一步研发新的通信系统，以满足数据高速运行的要求。目前，我国已经对5G无线通信系统进行研究和应用，4G网络正逐渐向5G网络转化。以蜂窝结构为基础，建立分布式天线系统，并采用MIMO技术，实现容量增益，进而优化服务质量，满足用户的通信需求。

1 5G无线通信蜂窝结构简述

1.1 5G无线通信

电磁波属于有限资源，具有不同的频率特性，且用途也各不相同。不同的电波用处不同，具体用途如表1所示。

表1 各频率电波用途

2017年11月，工信部通知我国5G初始中频频段有两个，一个是3.3～3.6 GHz，另一个是4.8～5 GHz。如果5G通信使用高频段，则会降低通信覆盖面积，需要大量基站。为了解决这个问题，微基站应运而生。微基站可以融入各类环境，可以广泛覆盖，进而充分发挥5G网络的应用优势。此外，5G网络还具有Massive MIMO的应用优势，MIMO即Multiple-Input Multiple-Output，即发送和接收都采用多根天线。MIMO技术是一种已有技术，5G网络充分利用该技术，增加了MIMO的规模和数量。将天线阵列布置于基站，利用对拼信号相位进行控制，在电磁波波瓣相互作用后会变得十分狭窄，并根据服务手机移动方向进行方向的转变。这是一种空间复用技术，转变了传统的全向信号覆盖，成为了指向性的精准服务模式，波束之间不会产生干扰，相同空间的情况下可以发出多条通信链路，进而增加基站服务容量。如果两个用户在同基站的状态下通信，数据则无需经过基站转发，可以实现手机向手机直接转发的状态。图1为非D2D与D2D传输形式对比图。

1.2 蜂窝结构

为了充分发挥5G通信系统的优势，需要根据相关的技术规范改变传统的蜂窝结构。通常，无线用户一半以上的时间处于室内，少部分时间处于室外状态。因此，根据目前的移动设备普及和应用状态，传统的小区结构即1个室外基站已经无法满足5G通信的需求。室外基站发出的信号会受到门窗、墙体等物质的阻碍，造成穿透损耗率过大，从而影响数据速度、传输能源效率等。为解决该问题，设计了两种场景，室内场景和室外场景。利用分布式天线系统和MIMO，在基站中增加分布式天线阵列。早期MIMO系统采用2～4根天线，而规模较大的MIMO系统则主要采用增加天线阵列来获取更多容量增益。因此，室外基站配置的天线阵列较多，形成大型天线阵列，基站由光纤进行连接。通常，为户外用户提供相应数量的天线元件，用户间能够达成相互配合，进而形成虚拟大阵列天线，其可以与基站天线阵列形成虚拟MIMO链路。设置外部基站，使其与无线接入点连接，并利用室内用户进行通信。短期应用会增加成本，但长期应用能够提升小区能源效率、频谱效率等，具有比较长远的发展空间[1]。

图1 非D2D与D2D传输形式对比图

2 5G无线通信中应用的主要技术

2.1 空间调制法

空间调制法并不是一种全新的技术，其在MIMO系统出现时就作为新技术随之诞生。该技术可以保障MIMO系统性能，同时简化系统。此外，利用天线对各个数据流进行传输，部分SM编码会传递到发射天线空间。阵列天线主要作用为空间星座图，较之单天线无线系统，其数据速率更高。某些时间下，其可运行的发射无线仅有一个。单个信息比特块可以分成两个子块，一个是 log2（Na） bits，另一个是 log2（M） bits。其中，Na为发射天线的量，M为信号星座图大小。实际上，SM是一个组合的SSK和振幅调制。SM星座图与QPSK调制存在空间坐标图，接收器可以利用ML解码手机信号。空间调制技术可以减少系统中的各类负面影响，如信号干扰等[2]。

2.2 可见光通信

可见光通信是5G通信的核心技术，其利用固态照明发光二极管作为发射器，将本征广电二极管、雪崩光二极管用作信号采集器。利用VLC可以增加系统的照明功能，也能够为宽带提供无线数据链接。如果上行不需要照明技术，则可以采用红外LED。VLC中，会根据信息的强弱程度进行采集，射频通信长采用合成双极性信号数字的方式进行调节，所以需要采用严格的调制方案，技术人员应该预设多种修正多载波调制的方案，如直接检测、密度调制等[3]。

2.3 大规模MIMO

MIMO系统中有许多天线将发射器和接收器连接在一起，利用天线来容纳数据信息。该系统使频谱和能源的效率得到了大幅提升。大规模MIMO中，不论是接收器，还是发射器都配备了天线元件，且数量庞大。同时，不论是一个设备还是多个设备，接收天线都是附属。在原有的MIMO系统上，提升频谱和能源效率，并清除噪音，有效处理快衰落问题。利用线性预编码和检测法可以降低干扰程度。系统中，可采用多用户MIMO形式来简化MAC层的调度算法。此外，BS可以将独立信号传递到使用该视频资源的用户中。所以该系统会成为5G通信网络的主要设计应用方案之一。

3 结 论

近年来，我国对蜂窝结构和5G无线通信的研究不断深入和加强，全面提升了能源、频谱的效率，并改善了数据传输速率，符合现代通信网络的发展趋势。利用无线、VLC等技术，优化用户服务质量，缓解室外基站压力，同时掌握各项潜在技术，满足了5G性能要求。