随着VR/AR、物联网、车联网等技术的发展，蜂窝网络流量的需求在以40%～70%的年均增长率快速增长，下一代蜂窝通信系统峰值吞吐率将达到数吉比特每秒，蜂窝边缘网络速率将达到数十兆比特每秒，当前已有的频谱资源难以满足该需求[1]。
下一代(5G)蜂窝系统对于毫米波的利用，主要集中在24GHz/28GHz/39GHz/60GHz几个频段之中。尽管毫米波蜂窝网络有着巨大的应用潜力，但仍然存在诸多技术障碍。根据Friis的传输定律，自由空间全向路径损耗与频率的平方成正比[6]。毫米波传输会招致更高的全向路径损耗，需要通过合适的波束赋形和定向传输技术来完全补偿。同时，毫米波信号容易受到遮挡的严重影响，导致中断和间歇性的信道质量。一些材料(如砖块等)可以衰减信号达到40dB到80dB，并且人体本身可以导致20dB到35dB的衰减[7]。此外，设备的功耗要能支持大规模MIMO也是一个大的挑战。
随着毫米波蜂窝网络商用的日益临近，5G蜂窝系统可以提供很多低时延、高带宽、多连接业务，如4K/8K超高清视频、VR/AR、工业互联网、远程医疗、安防、自动驾驶等，具有广阔的想象空间和应用前景。
1毫米波蜂窝网络特点及难点
1.1毫米波蜂窝网络特点
1.1.1频带
毫米波通信由于具有频带宽的特点，可以实现高速数据传输，专用通信传输速率可达8～16Gb/s。传输速率越高，占用的频带越宽，目前采用的厘米波波段已无法满足不断提高的传输速率要求。相比于当前最新的4G网络，毫米波系统在容量上可以高出一个数量级。相比于20+20MHz带宽的LTE系统，对于带宽为1GHz的TDD毫米波系统在平均蜂窝吞吐率上可以很容易地提高20倍。
1.1.2安全保密性
毫米波通信是一种典型的LOS传输方式，传输距离短，难以被窃听；同时，波束很窄，具有很强的方向性，信号被截获概率低，安全保密性好。此外，各无线链路在方向上相互隔离、干扰在当前小的蜂窝网络中产生的影响更小。因此，传统LTE蜂窝网络中用于干扰消除的技术（比如多点协同、小区间的干扰协同与干扰消除）在毫米波系统中发挥得作用越来越小。
1.1.3传输质量
由于毫米波通信所处频段较高，通信干扰源很少、电磁频谱干净，可实现极低误码率的可靠稳定传输，可实现与光缆相当的传输质量。此外，相比于激光和红外，毫米波对沙尘和烟雾的穿透力很强，可以几乎无影响地穿透烟尘等。即使面对爆炸场景造成的严重散射，在出现短暂衰落后可快速恢复，不会对毫米波通信构成严重影响。
1.1.4元器件尺寸
随着CMOSRF和数字处理领域的进展，低成本、可商业化的毫米波芯片不断涌现[8]。同时，在功率放大器和自由空间自适应阵列组合领域取得的技术进步开始伴随着60GHz无线LAN和PAN系统的增长而不断发展。更重要的是，在毫米波通信中采用的大型阵列天线可以被压缩至小于1～2cm2的范围以内。为了能提供路径分集，一些阵列天线阵列甚至可以遍布整个移动设备表面。
1.2毫米波蜂窝网络难点
1.2.1毫米波信道的不稳定传输
1.2.2处理功耗
在毫米波蜂窝系统中，由于采用了MassiveMIMO等技术，面临的一大挑战是模数转换的功耗问题。根据测算，功耗一般与采样率呈线性关系、与采样比特数呈指数关系[9-10]，使得宽带高精度量化与大规模天线阵技术难以应用于低功耗、低成本设备。
2毫米波蜂窝网络关键技术及发展趋势
2.1关键技术
2.1.1MassiveMIMO技术
2.1.2异构网络技术
为了实现可靠、统一覆盖，支持异构网络已成为目前毫米波蜂窝标准的关键设计目标之一。与目前的蜂窝网络相比，毫米波蜂窝标准对异构网络的支持将要求蜂窝选择和路径切换的速度更快。这主要是因为，毫米波信号容易受到遮挡的影响，会随着用户的动作或者用户的环境而发生快速的变化。用户载波聚合技术是解决该问题的途径之一，可以使移动台同时连接到多个基站，从而提供宏分集，进而提高网络峰值吞吐率。图1所示为典型的毫米波异构网络架构。
2.1.3移动蜂窝技术
2.1.4绿色通信技术
下一代毫米波蜂窝网络的发展目标之一是降低整体网络能耗，实现绿色通信。室内通信技术可以取得更高的能量效率，因为收、发之间短距离通信有着更好的通信信道质量。室内通信可以选择微波、毫米波和可见光等多种高速通信手段。可见光通信系统(VLC)通过将信息比特调制在LED可见光上来传输，在传输同等密度的数据时，所消耗的能量远低于基于射频的通信系统。同时，将室内与室外数据流分离后，宏蜂窝的基站在无线资源分配上的压力更小，并且可以通过更低的功耗来发射信号，从而大幅降低能耗。
2.2发展趋势
随着下一代毫米波蜂窝网络技术的发展，其发展趋势表现出以下几个特点。
2.2.1密集化
一方面，随着CMOSRF和数字处理领域的发展，低成本、小型化的毫米波芯片不断普及。由于非常小的波长，大型阵列天线可以被不断压缩至很小的范围以内。同时，由于毫米波容易受到人体的阻挡，为了获得空间分集增益，一些天线阵列甚至可以密集地遍布整个移动设备表面。另一方面，随着毫米波技术的应用，蜂窝网络在不断朝更小的、超密集蜂窝小区演进。在很多密集的城市区域和大型建筑物中，蜂窝小区半径通常小于100m，这处于毫米波信号的通信范围内。当前网络增长的容量要求需要更大的小区密度。对于非常高密度的部署，宽带毫米波信号对通过极大提高单一小区容量的小区分裂提供了一种选择。对无线运营商带来较大成本的后传也可以通过毫米波来实现，以进一步降低成本。
2.2.2虚拟化+智能化
蜂窝网络技术在不断走向虚拟化。随着未来无线接入网中用户流量需求的迅猛增长，云无线接入网(C-RANs)架构成为跨越4G网络后的关键推动因素，可以极大地降低成本，提供高级协同、协作处理能力及复用增益。移动前传链路是C-RANs架构中的重要组成部分，需要具备高容量、低延时的要求。通过在上层(如BBU池)集中基带处理功能并通过更低一层的网络边缘基带功能层(如RRH)来发射，以实现更具成本优势的网络设计。
此外，运营商们在不断优化频谱的使用效率，进一步改善用户体验。以认知无线电和网络功能虚拟化的成果为基础，利用大数据技术、机器学习等人工智能工具构建“智慧网络”，从而预测网络和用户需求，精准配置资源，并显著提高网络容量和用户服务体验。
2.2.3光与无线融合
随着蜂窝通信业务的快速增长，如何提供更大的带宽来满足用户流量需求的快速增长是接入网面临的重大挑战。光接入网是目前接入网的主流技术，最后一英里将会是无线毫米波或者光纤回路。光纤接入不仅具有带宽大的特点，还可利用微波光子技术实现光纤与无线的融合，充分结合光纤与无线接入各自的优势，既可以满足移动蜂窝网络日益增长的带宽需求，也能简化网络部署、降低网络部署成本，是当前国内外毫米波蜂窝网络技术的研究热点之一。
3结论
本文介绍了毫米波蜂窝网络技术的国内外发展现状，同时详细地对毫米波蜂窝网络技术特点及其难点等进行了介绍。最后介绍了毫米波蜂窝网络中的关键技术并指出了其未来的发展趋势。
参考文献
[1]WANGCX，HAIDERF，GAOX，etal.Cellulararchitectureandkeytechnologiesfor5Gwirelesscommunicationnetworks[J].IEEECommunicationsMagazine，2014，52(2)：122-130.
[2]ZHANGL，ZHAOH，HOUS，etal.Asurveyon5GmillimeterwavecommunicationsforUAV-assistedwirelessnetworks[J].IEEEAccess，2019，7：117460-117504.
[3]BUSARISA，MUMTAZS，AL-RUBAYES，etal.5Gmillimeter-wavemobilebroadband：performanceandchallenges[J].IEEECommunicationsMagazine，2018，56(6)：137-143.
[4]MATEOPJ，FIANDRINOC，WIDMERJ.AnalysisofTCPperformancein5Gmm-wavemobilenetworks[C].2019IEEEInternationalConferenceonCommunications(ICC)，IEEE，2019.
[5]LOMBARDIR.Millimeter-wavetechnologyandresearchtrendsfor5Gaccessandwirelesstransmissionapplicationsanindustryview[C].13thEuropeanConferenceonAntennasandPropagation(EuCAP)，IEEE，2019.
[6]RAPPAPORTTS.Wirelesscommunications:principlesandpractice[M].2nded.UpperSaddleRiver，NJ：PrenticeHall，2002.
[7]LUJS，STEINBACHD，CABROLP，etal.Modelinghumanblockersinmillimeterwaveradiolinks[J].ZTECommunications，2012，10(4)：23-28.
[8]DOANC，EMAMIS，NIKNEJADA，etal.Millimeter-waveCMOSdesign[J].IEEEJournalSolid-StateCircuts，2005，40(1)：144–155.
[9]CHOTB，CLINEDW，CONROYCSG，etal.Designconsiderationsforlow-power,high-speedCMOSanalog/digitalconverters[C].ProceedingsoftheIEEESymposiumonLowPowerElectronics，1994：70-73.
[10]MURDOCKJN，RAPPAPORTTS.Consumptionfactorandpower-efficiencyfactor：atheoryforevaluatingtheenergyefficiencyofcascadedcommunicationsystems[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications，2013，32(2)：221-236.