高密度异构网络：提升频谱效率和系统容量

密集部署异构网络，利用更高的频谱复用度来提高频谱效率和系统容量。

减小蜂窝尺寸能提高网络容量，如在1G系统中，单蜂窝覆盖区域达到数百平方千米，随着用户数的增加，系统容量需求越来越大，已逐渐将单蜂窝覆盖区域缩小为几平方千米。

广泛部署的皮蜂窝（picocell）蜂窝半径小于100 m；飞蜂窝（femtocell）蜂窝半径只有20多米；分布式天线系统（DAS）类似于皮蜂窝，不同天线组覆盖不同区域，但集中执行基带处理，共用ID。

缩小蜂窝尺寸的好处：

（1）提高频率复用度。

（2）减少用户接入冲突。

（3）随着通信距离缩短，路径损耗降低，功耗降低，能效提高、电磁污染减小。

（4）极端情况下，一个基站只为一个终端提供接入服务，资源管理和回程连接非常简单。

减少蜂窝尺寸的缺点：建网成本增大；蜂窝结构复杂；移动切换频繁；异构多网混叠，干扰协调压力大等。

高密度部署异构网络面临的技术挑战包括：

（1）如何设计高密度异构多网体系架构和共存协调机制，在获得频谱效率、能量效率、系统容量提升的同时，避免网间干扰？

（2）如何设计新型的无线接入技术，优化边缘数据速率？

（3）如何支持用户高速业务和高移动性需求？

（4）如何降低组网、运维和回程（backhaul）链路成本？

1）中国提出的蜂窝网络架构(www.xing528.com)

统计表明：无线用户在室内的时间约占80%，在室外的时间仅占20%，而目前的蜂窝通信网络是在小区中心部署一个室外基站，与移动用户进行通信，无论该用户是位于室内，还是室外。室内用户与室外基站通信，电波必须穿透建筑物外墙，会产生严重的穿透损耗，从而降低无线传输的数据速率、频谱效率和能量效率。

中国提出的5G蜂窝架构的基本思想：将室内和室外分离，以避免建筑物墙体造成的穿透损耗。

采用分布式天线系统（DAS），围绕小区在不同空间位置分布部署数十至数百根天线单元，这些天线单元通过光纤接至基站设备，提供强大的天线增益（分布部署、集中处理）。

室外用户仅配置少量天线单元，通过彼此协作，形成虚拟大规模MIMO链路（cooperative communication）。

室外基站配置大规模MIMO（massive MIMO）系统，并在每座建筑物的外墙也安装大规模天线阵列，用于与室外基站或分布式天线系统通信，这些大规模天线阵列通过电缆与室内无线接入点（WAP）连接。基于该架构，室内用户仅需利用室内部署的WAP实施通信，而WAP与建筑物外墙上安装的大规模阵列天线连接，通过与室外基站通信，实现全网用户互联互通。

室内通信采用短程通信技术提供高的数据速率，如WiFi、Femtocell、超宽带（UWB）、毫米波和可见光通信（VLC）等。

毫米波通信和可见光通信由于频率高，穿透能力差，空气、雨雾、气压等自然环境因素均会对其形成吸收和散射，无法用于室外远距离通信，但其具有的高带宽却可对室内用户提供短距离高速数据传输。

该蜂窝网络架构是异构的：宏蜂窝、微蜂窝、小蜂窝、中继站等。

为满足高速运动车辆（如高铁、动车）内用户的通信需求，在网络架构中引入新的网元——移动飞蜂窝（MFemtocell）。移动飞蜂窝融合了移动中继和飞蜂窝的特点，部署在车厢箱体内部，为车内用户提供通信服务，而大规模天线部署在厢体外部与室外基站实施通信，大规模天线系统再通过电缆与车厢内的飞蜂窝接入点连接，移动飞蜂窝可看成是室外基站的一个用户单元，而移动飞蜂窝的接入点又可看成是车厢箱内用户的归属基站。

该架构的特点：短期内基础设施建设成本高，但从长远考虑，却能有效改善蜂窝平均吞吐量、频谱效率、能量效率和数据速率。

2）日本提出的蜂窝网络架构

幻影蜂窝（Phantom Cell）：将宏蜂窝和小蜂窝重叠部署，利用低频段提供宽覆盖范围和控制信令交互，并支持移动性，而利用高频段为小蜂窝提供数据通信，即利用SHF频段（3～30 GHz）和EHF频段（30 GHz以上）构建小蜂窝，配置在地铁及公交车等移动体上形成“移动蜂窝小区”或部署在无线热点地区，根据用户的移动性和各蜂窝小区的需求分配无线资源。

幻影蜂窝用到大量新技术，如非正交多址（NOMA）接入技术，将一个时频资源块分配给多个用户，可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50%（在宏蜂窝中采用）。在SHF的低频段（6 GHz以下）部署的小蜂窝采用区域重叠和协作传输多点传输（CoMP）抑制相互干扰，而在SHF的高频段（6～30 GHz）和EHF频段部署的小蜂窝采用大规模MIMO技术，为多个数据流分别形成定向波束。CoMP是LTE-A系统的核心技术之一，其基本思想是利用不同小区的多个基站协同发送一个终端用户数据或联合接收一个终端用户数据，在提升小区边缘用户频谱效率的同时，降低协作小区间干扰。