5G移动通信关键技术探索

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摘要:文章研究了地空微波传播的特性，分析在海上卫星移动通信中微波传播损耗的原因，并计算由平静海面反射与散射信号造成的衰落。仿真计算结果表明平静海面造成的信号衰落值比较小，在设计卫星通信链路时在信号自由空间传播损耗的基础上留出一定余量即可。

关键词:地空微波通信；传输损耗；信号衰落

受地理条件等因素限制，地面蜂窝通信系统不可能做到全球无缝覆盖。如：海洋、极区、沙漠、山区还没有地面通信网的覆盖，因而野外勘探、飞机飞行、船舰航行、旅游探险、海上或野外紧急搜救等活动需要一种不受地域等条件限制的通信手段，在这方面卫星通信独具优势。卫星通信具有超大覆盖范围、超远通信距离、通信容量大、不受地理条件限制、性能稳定等优点，能解决航空、航海与偏远地区用户通信需求。卫星通信几乎包括地面通信业务的所有类型[1]。卫星通信的无线电信号要穿越大气层中对流层、同温层、电离层，所以卫星通信中主要使用微波频段。卫星通信是微波通信的一种方式，微波的传播特性决定卫星通信的效果，分析研究微波传播特性对于卫星通信有着重要的意义。本文根据微波传播特点，分析卫星移动通信中微波在海上传播的损耗，探索精确预测海上卫星移动通信中微波传播衰减的方法[2]。

1卫星通信系统

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个和多个地球站之间进行的通信。它是在微波通信和航天技术基础上发展起来的无线通信技术[3]。1.1世界卫星通信系统低轨道卫星通信系统（LEO）距地面700km～1500km。低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，其链路损耗小。中轨道卫星通信系统(MEO)距地面10000km左右，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大。高椭圆轨道(HEO)距地面最近点为10000km～21000km左右，最远点为40000km～50000km。同步轨道卫星通信系统(GEO)距地面35786km，即同步静止轨道[4]。凡是移动的卫星和固定的终端、固定的卫星和移动的终端或二者均移动的通信系统，均称为卫星移动通信系统。已建成并投入应用的通信系统主要有：铱星(Iridium)系统、全球星(Globalstar)系统、轨道通信(Orbcomm)系统、国际移动卫星(Inmarsat)系统等。1.2国内卫星通信系统1970年我国第一颗卫星(DFH-1)发射成功，1984年发射第一颗试验通信卫星，1997年我国发射第三代通信卫星(DFH-3)。到2005年，我国已建成国内卫星通信网，初步解决边远地区通信问题。继卫星通信系统后，我国开始建设卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BeidouNavigationSatelliteSystem)已经有20多年开发历史，预计2020年完成。其优点有：定位与通信相结合，定位与位置报告同时完成。中国北斗通信链路可组成任意形式的差分信息，满足高精度用户需求。北斗卫星导航系统不仅具有与GPS系统相同的全球导航定位功能，而且还具有全球搜寻援救SAR(searchandrescue)功能。北斗卫星导航系统由27颗MEO卫星+5颗GEO卫星+3颗IGSO卫星构成，共有35颗卫星，以提供全球覆盖[5-6]。

2微波传播特性

卫星通信的主要频段属于微波频段。微波频段从300MHz～300GHz，包括很宽的频率域。微波频段又分成若干个子频段，如：L频段的频率范围为：1.12GHz～1.70GHz，C频段的频率范围为：3.95gHz～5.85GHz，Ku频段的频率范围为：12.4GHz～18.0GHz，Ka频段的频率范围为：26.5GHz～40.0GHz等。卫星微波通信主要采用空间直射波，即无线电波的传播路径中完全没有任何阻碍。在卫星通信中，无线电波穿过大气层沿倾斜路径传播[2]。2.1引起微波传播损耗的因素。影响微波传播的因素主要是大气层中的对流层，对流层中的气体成分(特别是水汽)、水凝体（雨、雾、雪、雹）、沙尘等因素会引起微波衰减。如果忽略空气的影响，可以认为无线电波是在自由空间中传播，要计算自由空间传播损耗。如果考虑大气层对无线电波的折射、吸收、散射等作用，传输损耗还要包括大气吸收损耗、降雨损耗和电离层闪烁造成的损耗等[2-4]。2.1.1自由空间传播损耗卫星发射的信号经过自由空间传播后，地球接收站接收到的功率为24rttrPPGGdλπ=（1）其中是Pt为天线发射功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，λ为波长，d为距离。24πdλ为自由空间传播损耗，通常表示为：32.4520lg20lgsL=+f+d(dB)（2）Ls为传输损耗，单位：dB；f为工作频率，单位：MHz；d为发射点与接收点之间的距离，单位：km。地球站与卫星间的距离一般取40000km[2-4]。2.1.2大气吸收损耗微波在大气中传播时，大气中的水汽和氧气会吸收微波的能量，造成衰减。大气吸收主要发生在10GHz以上的频段。当频率低于10GHz，仰角大于5度，大气吸收影响基本可以忽略。2.1.3降雨损耗雨滴是造成卫星通信系统性能降低的主要原因之一。降雨会吸收与散射无线电波，削弱信号电平、增加噪声温度、削弱交叉极化鉴别。对于10GHz以上的频率，雨衰减是严重的，对10GHz以下的无线电波雨衰减效应比较小。目前，宽带卫星通信系统主要采用Ka、Ku频段以获得较宽的可用带宽和较小的地面站天线口径，但这些频带的电波传播特性受降雨损耗的影响较大[1]。2.1.4电离层闪烁造成的损耗电离层的电子密度不均匀且随时变化，会引起穿越电离层的无线电波聚焦与散焦，造成无线电信号的振幅、相位、到达角、极化状态等发生不规则变化，形成电离层闪烁现象。电离层闪烁在地磁赤道地区、极区比较严重。在超短波频段，电离层闪烁损耗是比较严重的。在1GHz以上的频段，电离层闪烁损耗基本上可以忽略[2-4]。2.1.5多普勒频移造成的损耗当卫星与用户终端、卫星与基站之间、卫星与卫星之间存在相对运动时，接收端收到的信号发生频移。圆轨道多普勒频移表达式：DcosDCvffc=⋅⋅θ（3）其中Dv为卫星与用户的相对运动速度，Cf为信号频率，c为光速，θ为卫星与用户连线和速度Dv方向的夹角。表1列出了GEO、MEO和LEO卫星系统工作在C频段时的最大多普勒频移的典型值[3-4]。由表2可知，在1GHz～10GHz频段，信号受到的各种衰减比较小，因而卫星通信的主要频段是1GHz～10GHz频段。此时卫星链路的传输损耗主要是自由空间传播损耗，这部分损耗占整个传输损耗的绝大部分。

3海上卫星移动通信的传播损耗仿真研究

海上通信过去一般采用短波通信，但短波通信存在严重衰落现象，抗干扰能力差。1976年卫星通信开始在海上使用，建立了海事卫星通信系统。海上卫星移动通信的特点是：海面较为平坦时(浪高小于3米)，镜面反射强烈，海面漫反射相对较弱，船舶在海上的活动范围较大。船舶在接收卫星通信的信号时，海面反射和散射引起信号衰落。相对陆地而言，海面反射波引起接收信号衰减较强，海面散射波引起接收信号衰减较弱，所以在海上卫星通信主要考虑由反射波与直达波相干叠加产生的干涉衰落[2-4]。在卫星海上移动通信中，使用圆极化波。在海面地空传播引起的T%时间不被超过的衰落深度F(T)计算公式如下：(2),,10()()10lg(110).rSrkPRRGPkFTAT=++ϕ==++（4）其中，ϕ为地空射线仰角；G(2ϕ)是反射线方向的天线相对增益；R为海面镜反射系数，单位：dB；SR为归一化海面漫反射系数（漫反射分量与平静海面反射系数之比），单位：dB；rP是海面反射波相对于直接波的平均非相干功率，单位：dB[2]。1引言当前智能天线、多输入多输出、基带芯片等技术的快速发展，有力地促进了5G移动网络的应用普及，基于5G移动网络开发了在线学习、手机银行、移动社交、生活缴费等移动软件，提高了社会移动数据共享和业务操作能力。目前，5G移动通信网络虽未开展大规模商用，但是雄安新区、广州、深圳、上海、杭州、北京等重要城市及地区都开始建设试验性质的5G移动网络，以便能够利用实际应用场景检测网络应用性能，从而为以后大规模商用建设提供参考资料。截至到2018年12月底，中国移动、中国联通已经在数十个城市建设了5G基站，比如湖北移动已经建设完成100多个5G基站，分布于汉口江滩、光谷、汉口火车站；北京联通了“5GNEXT”计划，在大兴国际机场、密云古镇、王府井大街、南锣鼓巷等建设了数百个5G基站，这些基站可以有效地支持多场景、复杂结构的城市人群通信传输。本文结合笔者多年的工作实践，详细地描述5G移动通信关键技术应用现状及发展趋势，为5G通信建设提供支撑。25G移动通信关键技术应用现状目前，5G移动通信多部署于城市人口密集场所，比如商业超市、体育广场、地铁交通、高层住宅和密集社区等，这些区域承载的业务多、用户多，也是各个运营商的经济利润区和重点建设区，5G移动网络建设采取的方式可以为宏站或直放站。一些运营商在4G移动通信信号的基础上，利用小型基站完成对5G移动基站的部署和通信，直放站可以部署于商业超市、体育会馆等；一些运营商采用宏站，构建一个大型的基站，部署于铁塔、楼顶，实现对5G信号的发射和接收。5G移动网络承载的业务软件也大大增多，不仅可以实现传统移动应用，同时还可以支持VR、GPS定位功能，这些应用需要依赖高速的数据传输通道，以便能够提高应用的实时性，5G网络也引入了许多先进的技术，比如SON技术、D2D技术、异构超密集部署分析技术和SDN技术。设备到设备（Device-to-Device，D2D）技术可以支持移动终端设备复用小区资源，提高5G小区的资源利用率和网络容量，也可以进一步提高移动频谱资源利用效果，提高网络基础设施的鲁棒性。D2D也是当前5G网络发展的重要趋势，可以更好地适用于物联网、车联网等万物互联场景。自组织网络（Self-OrganizingNetwork，SON）可以实现5G网络部署和运营的自动化，比如可以实现网络的自动化优化、自动愈合，自我调整5G网络参数，提高网络性能和质量，大大地提高网络的运行效率，SON可以降低网络人工参与度，同时可以提高5G移动网络的运营效率。异构超密集网络是为了解决通信小区半径持续缩小、小区密度大规模增加提出的关键技术，利用密集化机制可以为5G移动通信带来一千倍的增益，形成一个超密集网络（UDN，UltraDenseNetwork），这样就可以接入更多的移动智能设备和用户，无线网络流量也会增加万倍，可以有效满足当前数以亿计的用户接入需求，满足多元化和多样化通信需求。软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）是一种新型的、先进的网络创新架构，其可以实现5G移动网络的虚拟化，利用核心技术OpenFlow可以实现网络设备的控制面与数据面分离，灵活控制5G移动网络的流量，将5G网络升级为一个更加智能的管道，为5G核心网络与应用创新提供良好的控制平台。35G移动通信关键技术未来发展趋势随着5G移动通信技术的应用和发展，越来越多的科研机构和企业研究5G技术。未来5G通信关键技术发展趋势包括两个方面：一是带宽更高容量更大；二是通信组网更加智能。5G移动通信将会引入更多的关键技术，比如带宽动态分配、分时分组调用、通信频段复用技术，增大5G移动通信技术的用户容量。带宽动态分配可以根据接入用户数量和数据传输需求，实时地调整分时分组状态，为带宽需求较大的用户分配较多的带宽，同时还可以提高频段复用水平，利用频段复用可以提高通信信道利用率，具有重要的作用和意义。通信组网引入深度学习、模式识别等技术进行优化，利用这些机器学习技术可以对海量的组网数据进行分析和挖掘，识别网络组网的优缺点，提高5G网络建设的有效性，也可以为网络优化提供辅助知识，这样就可以提高5G网络组建的智能化水平，方便设计和建设人员运行维护。

4结束语

5G移动通信作为当前研发和应用的重点，其可以承载更多的用户，实现高达20G的传输速率。但是，5G移动通信自身存在一些固有的缺陷，比如穿透力比较差，因此需要在未来大规模商用建设中进一步深入研究，根据实际的应用需求保持灵活的组网结构，利用先进通信技术实现无缝覆盖，强化数据通信的可靠性和连续性。

参考文献

[1]钱志鸿,王雪.面向5G通信网的D2D技术综述[J].通信学报,2016,37(07):1-14.

[2]齐彦丽,周一青,刘玲等.融合移动边缘计算的未来5G移动通信网络[J].计算机研究与发展,2018,55(03):478-486.

[3]王建伟,张海林.5G网络中流媒体资源的联合调度与分配优化[J].哈尔滨工程大学学报,2018,39(05):921-926.

[4]王胡成,徐晖,程志密等.5G网络技术研究现状和发展趋势[J].电信科学,2015,31(09):149-155.

作者:胡亚霖 单位:安徽三联学院