13、5G及未来毫米波蜂窝网络技术解析

5G及未来毫米波蜂窝网络技术解析

1. 5G无线通信面临的挑战与新技术探索

近年来，智能手机、笔记本电脑的普及以及各类多媒体服务（如视频通话、游戏、电子邮件和社交网络）的流行，使得对高数据速率的需求急剧上升。2017年，移动网络的平均连接速度为8.7Mbps，预计到2022年将达到28.5Mbps，是2017年的三倍。同时，过去几年中第三代和第四代蜂窝系统的快速部署，增加了蜂窝网络的功耗、资本和运营成本。目前，大多数无线标准都在许可的超高频（UHF）频段运行，导致许可频段拥堵，网络运营商成本高昂。

高数据速率需求的多媒体设备和服务数量的爆炸性增长，要求5G无线通信系统有更广泛的频谱支持。因此，更好的连接性、频谱不足以及不断增长的运营和资本成本，是服务提供商面临的关键挑战。为应对这些挑战，电信行业和学术界开始探索新的范式，以高效利用无线电频谱、寻找其他可能的频段来增强网络容量，并改进现有的物理层通信技术。近年来，以下新技术成为满足5G及未来无线高数据速率需求的突出方法：
- 向现有蜂窝网络中部署小基站；
- 机会性频谱利用；
- 利用未充分利用的毫米波（mmWave）频段；
- 支持非正交多址接入的无线网络。

2. 蜂窝网络的异构部署与建模

从实际部署和不同的运营特性来看，蜂窝网络的理论建模对研究界来说一直是一项挑战。各种信道损伤，如路径损耗、多径衰落和阴影，会显著影响系统性能，增加了建模的复杂性。此外，由于低功率节点的随机放置和不同的覆盖范围，异构蜂窝网络的空间建模与传统的同构蜂窝网络不同。

早期，确定性网格模型（如六边形网格模型）被用于分析和设计传统蜂窝系统。该模型假设基站位于小区中心，且所有基