5G移動通信關鍵技術探索

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摘要:文章研究了地空微波傳播的特性，分析在海上衛星移動通信中微波傳播損耗的原因，并計算由平靜海面反射與散射信號造成的衰落。仿真計算結果表明平靜海面造成的信號衰落值比較小，在設計衛星通信鏈路時在信號自由空間傳播損耗的基礎上留出一定余量即可。

關鍵詞:地空微波通信；傳輸損耗；信號衰落

受地理條件等因素限制，地面蜂窩通信系統不可能做到全球無縫覆蓋。如：海洋、極區、沙漠、山區還沒有地面通信網的覆蓋，因而野外勘探、飛機飛行、船艦航行、旅游探險、海上或野外緊急搜救等活動需要一種不受地域等條件限制的通信手段，在這方面衛星通信獨具優勢。衛星通信具有超大覆蓋范圍、超遠通信距離、通信容量大、不受地理條件限制、性能穩定等優點，能解決航空、航海與偏遠地區用戶通信需求。衛星通信幾乎包括地面通信業務的所有類型[1]。衛星通信的無線電信號要穿越大氣層中對流層、同溫層、電離層，所以衛星通信中主要使用微波頻段。衛星通信是微波通信的一種方式，微波的傳播特性決定衛星通信的效果，分析研究微波傳播特性對于衛星通信有著重要的意義。本文根據微波傳播特點，分析衛星移動通信中微波在海上傳播的損耗，探索精確預測海上衛星移動通信中微波傳播衰減的方法[2]。

1衛星通信系統

衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電波，在兩個和多個地球站之間進行的通信。它是在微波通信和航天技術基礎上發展起來的無線通信技術[3]。1.1世界衛星通信系統低軌道衛星通信系統（LEO）距地面700km～1500km。低軌道衛星通信系統由于衛星軌道低，信號傳播時延短，其鏈路損耗小。中軌道衛星通信系統(MEO)距地面10000km左右，傳輸時延要大于低軌道衛星，但覆蓋范圍也更大。高橢圓軌道(HEO)距地面最近點為10000km～21000km左右，最遠點為40000km～50000km。同步軌道衛星通信系統(GEO)距地面35786km，即同步靜止軌道[4]。凡是移動的衛星和固定的終端、固定的衛星和移動的終端或二者均移動的通信系統，均稱為衛星移動通信系統。已建成并投入應用的通信系統主要有：銥星(Iridium)系統、全球星(Globalstar)系統、軌道通信(Orbcomm)系統、國際移動衛星(Inmarsat)系統等。1.2國內衛星通信系統1970年我國第一顆衛星(DFH-1)發射成功，1984年發射第一顆試驗通信衛星，1997年我國發射第三代通信衛星(DFH-3)。到2005年，我國已建成國內衛星通信網，初步解決邊遠地區通信問題。繼衛星通信系統后，我國開始建設衛星導航系統。北斗衛星導航系統(BeidouNavigationSatelliteSystem)已經有20多年開發歷史，預計2020年完成。其優點有：定位與通信相結合，定位與位置報告同時完成。中國北斗通信鏈路可組成任意形式的差分信息，滿足高精度用戶需求。北斗衛星導航系統不僅具有與GPS系統相同的全球導航定位功能，而且還具有全球搜尋援救SAR(searchandrescue)功能。北斗衛星導航系統由27顆MEO衛星+5顆GEO衛星+3顆IGSO衛星構成，共有35顆衛星，以提供全球覆蓋[5-6]。

2微波傳播特性

衛星通信的主要頻段屬于微波頻段。微波頻段從300MHz～300GHz，包括很寬的頻率域。微波頻段又分成若干個子頻段，如：L頻段的頻率范圍為：1.12GHz～1.70GHz，C頻段的頻率范圍為：3.95gHz～5.85GHz，Ku頻段的頻率范圍為：12.4GHz～18.0GHz，Ka頻段的頻率范圍為：26.5GHz～40.0GHz等。衛星微波通信主要采用空間直射波，即無線電波的傳播路徑中完全沒有任何阻礙。在衛星通信中，無線電波穿過大氣層沿傾斜路徑傳播[2]。2.1引起微波傳播損耗的因素。影響微波傳播的因素主要是大氣層中的對流層，對流層中的氣體成分(特別是水汽)、水凝體（雨、霧、雪、雹）、沙塵等因素會引起微波衰減。如果忽略空氣的影響，可以認為無線電波是在自由空間中傳播，要計算自由空間傳播損耗。如果考慮大氣層對無線電波的折射、吸收、散射等作用，傳輸損耗還要包括大氣吸收損耗、降雨損耗和電離層閃爍造成的損耗等[2-4]。2.1.1自由空間傳播損耗衛星發射的信號經過自由空間傳播后，地球接收站接收到的功率為24rttrPPGGdλπ=（1）其中是Pt為天線發射功率，Gt為發射天線增益，Gr為接收天線增益，λ為波長，d為距離。24πdλ為自由空間傳播損耗，通常表示為：32.4520lg20lgsL=+f+d(dB)（2）Ls為傳輸損耗，單位：dB；f為工作頻率，單位：MHz；d為發射點與接收點之間的距離，單位：km。地球站與衛星間的距離一般取40000km[2-4]。2.1.2大氣吸收損耗微波在大氣中傳播時，大氣中的水汽和氧氣會吸收微波的能量，造成衰減。大氣吸收主要發生在10GHz以上的頻段。當頻率低于10GHz，仰角大于5度，大氣吸收影響基本可以忽略。2.1.3降雨損耗雨滴是造成衛星通信系統性能降低的主要原因之一。降雨會吸收與散射無線電波，削弱信號電平、增加噪聲溫度、削弱交叉極化鑒別。對于10GHz以上的頻率，雨衰減是嚴重的，對10GHz以下的無線電波雨衰減效應比較小。目前，寬帶衛星通信系統主要采用Ka、Ku頻段以獲得較寬的可用帶寬和較小的地面站天線口徑，但這些頻帶的電波傳播特性受降雨損耗的影響較大[1]。2.1.4電離層閃爍造成的損耗電離層的電子密度不均勻且隨時變化，會引起穿越電離層的無線電波聚焦與散焦，造成無線電信號的振幅、相位、到達角、極化狀態等發生不規則變化，形成電離層閃爍現象。電離層閃爍在地磁赤道地區、極區比較嚴重。在超短波頻段，電離層閃爍損耗是比較嚴重的。在1GHz以上的頻段，電離層閃爍損耗基本上可以忽略[2-4]。2.1.5多普勒頻移造成的損耗當衛星與用戶終端、衛星與基站之間、衛星與衛星之間存在相對運動時，接收端收到的信號發生頻移。圓軌道多普勒頻移表達式：DcosDCvffc=⋅⋅θ（3）其中Dv為衛星與用戶的相對運動速度，Cf為信號頻率，c為光速，θ為衛星與用戶連線和速度Dv方向的夾角。表1列出了GEO、MEO和LEO衛星系統工作在C頻段時的最大多普勒頻移的典型值[3-4]。由表2可知，在1GHz～10GHz頻段，信號受到的各種衰減比較小，因而衛星通信的主要頻段是1GHz～10GHz頻段。此時衛星鏈路的傳輸損耗主要是自由空間傳播損耗，這部分損耗占整個傳輸損耗的絕大部分。

3海上衛星移動通信的傳播損耗仿真研究

海上通信過去一般采用短波通信，但短波通信存在嚴重衰落現象，抗干擾能力差。1976年衛星通信開始在海上使用，建立了海事衛星通信系統。海上衛星移動通信的特點是：海面較為平坦時(浪高小于3米)，鏡面反射強烈，海面漫反射相對較弱，船舶在海上的活動范圍較大。船舶在接收衛星通信的信號時，海面反射和散射引起信號衰落。相對陸地而言，海面反射波引起接收信號衰減較強，海面散射波引起接收信號衰減較弱，所以在海上衛星通信主要考慮由反射波與直達波相干疊加產生的干涉衰落[2-4]。在衛星海上移動通信中，使用圓極化波。在海面地空傳播引起的T%時間不被超過的衰落深度F(T)計算公式如下：(2),,10()()10lg(110).rSrkPRRGPkFTAT=++ϕ==++（4）其中，ϕ為地空射線仰角；G(2ϕ)是反射線方向的天線相對增益；R為海面鏡反射系數，單位：dB；SR為歸一化海面漫反射系數（漫反射分量與平靜海面反射系數之比），單位：dB；rP是海面反射波相對于直接波的平均非相干功率，單位：dB[2]。1引言當前智能天線、多輸入多輸出、基帶芯片等技術的快速發展，有力地促進了5G移動網絡的應用普及，基于5G移動網絡開發了在線學習、手機銀行、移動社交、生活繳費等移動軟件，提高了社會移動數據共享和業務操作能力。目前，5G移動通信網絡雖未開展大規模商用，但是雄安新區、廣州、深圳、上海、杭州、北京等重要城市及地區都開始建設試驗性質的5G移動網絡，以便能夠利用實際應用場景檢測網絡應用性能，從而為以后大規模商用建設提供參考資料。截至到2018年12月底，中國移動、中國聯通已經在數十個城市建設了5G基站，比如湖北移動已經建設完成100多個5G基站，分布于漢口江灘、光谷、漢口火車站；北京聯通了“5GNEXT”計劃，在大興國際機場、密云古鎮、王府井大街、南鑼鼓巷等建設了數百個5G基站，這些基站可以有效地支持多場景、復雜結構的城市人群通信傳輸。本文結合筆者多年的工作實踐，詳細地描述5G移動通信關鍵技術應用現狀及發展趨勢，為5G通信建設提供支撐。25G移動通信關鍵技術應用現狀目前，5G移動通信多部署于城市人口密集場所，比如商業超市、體育廣場、地鐵交通、高層住宅和密集社區等，這些區域承載的業務多、用戶多，也是各個運營商的經濟利潤區和重點建設區，5G移動網絡建設采取的方式可以為宏站或直放站。一些運營商在4G移動通信信號的基礎上，利用小型基站完成對5G移動基站的部署和通信，直放站可以部署于商業超市、體育會館等；一些運營商采用宏站，構建一個大型的基站，部署于鐵塔、樓頂，實現對5G信號的發射和接收。5G移動網絡承載的業務軟件也大大增多，不僅可以實現傳統移動應用，同時還可以支持VR、GPS定位功能，這些應用需要依賴高速的數據傳輸通道，以便能夠提高應用的實時性，5G網絡也引入了許多先進的技術，比如SON技術、D2D技術、異構超密集部署分析技術和SDN技術。設備到設備（Device-to-Device，D2D）技術可以支持移動終端設備復用小區資源，提高5G小區的資源利用率和網絡容量，也可以進一步提高移動頻譜資源利用效果，提高網絡基礎設施的魯棒性。D2D也是當前5G網絡發展的重要趨勢，可以更好地適用于物聯網、車聯網等萬物互聯場景。自組織網絡（Self-OrganizingNetwork，SON）可以實現5G網絡部署和運營的自動化，比如可以實現網絡的自動化優化、自動愈合，自我調整5G網絡參數，提高網絡性能和質量，大大地提高網絡的運行效率，SON可以降低網絡人工參與度，同時可以提高5G移動網絡的運營效率。異構超密集網絡是為了解決通信小區半徑持續縮小、小區密度大規模增加提出的關鍵技術，利用密集化機制可以為5G移動通信帶來一千倍的增益，形成一個超密集網絡（UDN，UltraDenseNetwork），這樣就可以接入更多的移動智能設備和用戶，無線網絡流量也會增加萬倍，可以有效滿足當前數以億計的用戶接入需求，滿足多元化和多樣化通信需求。軟件定義網絡（SoftwareDefinedNetwork，SDN）是一種新型的、先進的網絡創新架構，其可以實現5G移動網絡的虛擬化，利用核心技術OpenFlow可以實現網絡設備的控制面與數據面分離，靈活控制5G移動網絡的流量，將5G網絡升級為一個更加智能的管道，為5G核心網絡與應用創新提供良好的控制平臺。35G移動通信關鍵技術未來發展趨勢隨著5G移動通信技術的應用和發展，越來越多的科研機構和企業研究5G技術。未來5G通信關鍵技術發展趨勢包括兩個方面：一是帶寬更高容量更大；二是通信組網更加智能。5G移動通信將會引入更多的關鍵技術，比如帶寬動態分配、分時分組調用、通信頻段復用技術，增大5G移動通信技術的用戶容量。帶寬動態分配可以根據接入用戶數量和數據傳輸需求，實時地調整分時分組狀態，為帶寬需求較大的用戶分配較多的帶寬，同時還可以提高頻段復用水平，利用頻段復用可以提高通信信道利用率，具有重要的作用和意義。通信組網引入深度學習、模式識別等技術進行優化，利用這些機器學習技術可以對海量的組網數據進行分析和挖掘，識別網絡組網的優缺點，提高5G網絡建設的有效性，也可以為網絡優化提供輔助知識，這樣就可以提高5G網絡組建的智能化水平，方便設計和建設人員運行維護。

4結束語

5G移動通信作為當前研發和應用的重點，其可以承載更多的用戶，實現高達20G的傳輸速率。但是，5G移動通信自身存在一些固有的缺陷，比如穿透力比較差，因此需要在未來大規模商用建設中進一步深入研究，根據實際的應用需求保持靈活的組網結構，利用先進通信技術實現無縫覆蓋，強化數據通信的可靠性和連續性。

參考文獻

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作者:胡亞霖 單位:安徽三聯學院