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5G无线通信网络的蜂窝结构和关键技术

摘要

第四代无线通信系统已部署或即将部署在许多国家。然而，随着无线移动设备和服务的爆炸性增长，即使是4G也无法适应诸如频谱危机和高能耗的挑战。 无线系统设计人员一直面对新的无线应用所需的高数据速率和移动性的不断增长的需求，因此已经开始研究预计在2020年之后部署的第五代无线系统。在本文中，我们提出了一种潜在的蜂窝架构分离室内和室外场景，并讨论了5G无线通信系统的各种有前途的技术，例如大规模MIMO，能量效率通信，认知无线电网络和可见光通信。还讨论了这些潜在技术面临的未来挑战。

介绍

信息和通信技术（ICT）的创新和有效利用对于改善世界经济变得越来越重要^[1]。无线通信网络可能是全球ICT战略中最重要的因素，也是许多其他行业的支柱。它是世界上发展最快，最具活力的行业之一。欧洲移动观测站（EMO）报道，移动通信行业2010年的总收入为1740亿欧元，从而绕过航空航天和制药行业^[2]。无线技术的发展大大提高了人们在业务运营和社会功能上的沟通和生活能力。

无线移动通信的巨大成功反映在技术创新的快速步伐之中。从1991年首次推出的第二代（2G）移动通信系统到2001年首次推出的3G系统，无线移动网络已经从纯电话系统转变为可以传输丰富的多媒体内容的网络。4G无线系统旨在满足国际移动通信高级的要求（IMT-A）使用IP进行所有服务^[3]。在4G系统中，先进的无线接口采用正交频分复用（OFDM），多输入多输出（MIMO）和链路自适应技术。4G无线网络可以支持数据速率高达1 Gb / s，用于低移动性，如游牧/本地无线接入，高达100 Mb/s的高移动性，如移动接入。长期演进（LTE）及其扩展，LTE-Advanced系统作为实际的4G系统，最近已部署或即将部署在全球范围内。

然而，每年订阅移动宽带系统的用户数仍然大幅增加。越来越多的人渴望更快的互联网接入，时尚的手机，以及通常与他人的即时通信或获取信息。更强大的智能手机和笔记本电脑现在越来越受欢迎，要求先进的多媒体功能。这导致无线移动设备和服务的爆炸式增长。EMO指出，自2006年以来，移动宽带每年增长92％^[2]。无线世界研究论坛（WWRF）预测，到2017年，7万亿个无线设备将为70亿人口提供服务。也就是说，网络连接的无线设备的数量将达到世界人口的1000倍^[4]。随着越来越多的设备进入无线技术，许多研究挑战需要解决。

最重要的挑战之一是分配给蜂窝通信的射频（RF）频谱的物理稀缺性。蜂窝频率对蜂窝电话使用超高频带，通常范围从几百兆赫到几千兆赫。这些频谱被大量使用，使得运营商难以获得更多的频谱。另一个挑战是部署先进的无线技术是以高能耗为代价的。无线通信系统能源消耗的增加导致间接增加二氧化碳排放量，目前被认为是对环境的主要威胁。此外，蜂窝运营商已经报告说，基站（BS）的能源消耗占其电费的70％以上^[5]。实际上，节能型通信并不是4G无线系统的初始要求之一，而是在稍后阶段出现了一个问题。例如，其他挑战是平均频谱效率，高数据速率和高移动性，无缝覆盖，不同的服务质量（QoS）要求和分散的用户体验（不同的无线设备/接口和异构网络的不兼容），仅提及一些。

所有上述问题都给蜂窝服务供应商带来更大的压力，他们正面临着越来越多的数据速率，更大的网络容量，更高的频谱效率，更高的能源效率以及新的无线应用所需的更高移动性的需求。另一方面，4G网络刚刚达到目前技术对数据速率的理论限制，因此不能适应上述挑战。在这个意义上，我们需要开创性的无线技术来解决数万亿个无线设备引起的上述问题，研究人员已经开始调查4G（B4G）或5G无线技术。英国-中国科学桥项目：（B）4G无线移动通信（http：//www.ukchinab4g.ac.uk/）可能是世界上首批开展B4G研究的项目之一，其中一些潜在的B4G技术是鉴定。欧盟和中国也已经启动了由欧盟支持的METIS 2020（https://www.metis2020.com）和中国科技部（MOST）支持的5G国家863重点项目的5G项目。诺基亚西门子网络介绍了如何进一步开发基础无线电接入技术，以支持在未来10年内与2010年旅游水平相比高达1000倍的通信量[6]。三星展示了使用毫米（mm）波技术的无线系统，数据速率超过2公里，速度超1Gb/ s ^[7]。

预计在2020年左右的5G网络将会如何？现在确定这一点是现在为时尚早。然而，普遍认为与4G网络相比，5G网络应实现系统容量的1000倍，频谱效率，能量效率和数据速率的10倍（即低移动性的10Gb/s的峰值数据速率，峰值数据速率为1Gb/s，高移动性）和25倍的平均单元吞吐量。目的是连接整个世界，实现任何人（人与人之间），任何东西（人到机器，机器到机器）之间的无缝和无处不在的通信，无论他们在哪里（任何地方），无论何时需要（任何时间），无论什么他们希望的电子设备/服务/网络（无论如何）。这意味着5G网络应该能够支持4G网络不支持的一些特殊场景的通信（例如，对于高速列车用户）。高速列车可以轻松达到350公里/小时，而4G网络只能支持高达250公里/小时的通信场景。在本文中，我们提出了一个潜在的5G蜂窝架构，并讨论了可以部署以提供5G要求的一些有希望的技术。

本文的其余部分组织如下。我们提出了一个潜在的5G蜂窝架构。我们描述了5G系统中可以采用的一些有希望的关键技术。未来的挑战被突出显示。最后得出结论。

潜在的5G无线蜂窝建筑

为了解决上述挑战并满足5G系统要求，我们需要在蜂窝架构设计方面发生巨大变化。我们知道无线用户在大约80％的时间内呆在室内，而只有约20％的时间留在室外^[8]。目前常规的蜂窝结构通常在与移动用户通信的小区中间使用户外BS，无论它们是否在室内或室外。对于与户外BS通信的室内用户，信号必须经过建筑物墙壁，这导致非常高的穿透损耗，这显着损害了无线传输的数据速率，频谱效率和能量效率。

设计5G蜂窝结构的一个关键思想是分离户外和室内场景，以避免通过建筑物墙壁渗透损失。这将由分布式天线系统（DAS）和大规模MIMO技术^[9]来辅助，其中部署了数十或数百个天线元件的地理分布式天线阵列。虽然大多数当前的MIMO系统使用两到四个天线，但大规模MIMO系统的目标是利用在较大的天线阵列中可能出现的潜在的大容量增益。室外BS将配备大型天线阵列，其中包含一些天线元件（也是大型天线阵列），分布在电池周围，并通过光纤连接到BS，受益于DAS和大规模MIMO技术。户外移动用户通常配备有限数量的天线元件，但是它们可以相互协作以形成虚拟大型天线阵列，其与BS天线阵列一起构成虚拟大规模MIMO链路。大型天线阵列也将安装在每个建筑物的外部，以与BS的室外BS或分布式天线元件（可能具有视线（LoS））组件进行通信。大型天线阵列具有连接到建筑物内的无线接入点的电缆，与室内用户通信。这肯定会在短期内增加基础架构成本，同时显着提高蜂窝系统长期的平均吞吐量，频谱效率，能效和数据速率。

使用这种蜂窝架构，由于室内用户仅需要与安装在建筑物外部的大型天线阵列的室内无线接入点（而不是室外BS）进行通信，所以可以利用适合于具有高数据速率的短距离通信的许多技术。一些例子包括WiFi，毫微微蜂窝，超宽带（UWB），毫米波通信（3-300 GHz）^[7]和可见光通信（VLC）（400-490 THz）^[10]。值得一提的是，毫米波和VLC技术使用传统上不用于蜂窝通信的较高频率。这些高频波不能很好地渗透固体材料，并且可以容易地被气体，雨和叶子吸收或散射。因此，很难将这些波浪用于户外和长距离应用。然而，在具有较大带宽的情况下，mmwave和VLC技术可以大大提高室内场景的传输数据速率。为了解决频谱稀缺问题，除了发现传统上用于无线业务（例如，毫米波通信和VLC）的新频谱外，还可以尝试提高现有无线电频谱的频谱利用率，例如通过认知无线电（CR）网络^[11]。

关键5G无线技术

在本节中，基于上述异构蜂窝体系结构，我们讨论了一些有希望的关键无线技术，可以使5G无线网络能够满足性能要求。开发这些技术的目的是通过有效利用所有可能的资源，实现5G网络的大幅度增长。基于着名的香农理论，总体系统容量Csum可以近似表示为

（1）

其中Bi是第i个信道的带宽，Piis是第i个信道的信号功率，Np表示噪声功率。 从等式1，很明显，系统总容量Csum相当于所有子信道和异构网络的总容量。 为了增加Csum，我们可以增加网络覆盖（通过具有宏小区，微小区，小小区，中继，MFemtocell等的异构网络），子信道数（通过海量MIMO ^[9]，空间调制[SM]，协作MIMO，DAS，干扰管理等），带宽（通过CR网络^[11]，毫米波通信，VLC ^[10]，多标准系统等）和功率（节能或 绿色通讯）。下面我们将重点介绍一些关键技术。

大型MIMO

MIMO系统由发射机和接收机两个天线组成。通过添加多个天线，可以提供无线信道中更大的自由度（除了时间和频率尺寸之外）以适应更多的信息数据。因此，在可靠性，频谱效率和能量效率方面可以获得显着的性能改进。在大规模MIMO系统中，发射机和/或接收机配备有大量天线元件（通常为数十甚至数百个）。注意，发射天线可以在不同的应用中共同定位或分布（即，DAS系统）。此外，大量的接收天线可以由一个设备拥有或分布到许多设备。除了继承传统MIMO系统的优点外，大规模MIMO系统还可以显着提高频谱效率和能量效率。此外，在大规模MIMO系统中，可以使用简单的线性预编码和检测方法来减轻噪声和快衰落的影响消失，并且可以减轻小区内干扰。通过在大规模MIMO系统中适当使用多用户MIMO（MU-MIMO），可以通过避免复杂的调度算法来简化介质访问控制（MAC）层设计^[14]。

空间调制

如Haas等人首先提出的，空间调制是一种新颖的MIMO技术，已被提出用于MIMO系统的低复杂度实现而不降低系统性能^[13]。代替从可用天线同时发送多个数据流，SM编码要发送到天线阵列中的每个发射天线的空间位置的数据的一部分。因此，天线阵列起到第二（除了通常的信号星座图）星座图（所谓的空间星座图）的作用，其可以用于相对于单个数据速率增加数据速率（空间复用） - 天线无线系统。任何时候只有一个发射天线是有效的，而其他天线是空闲的。

图1 一种5G异构无线蜂窝架构

信息比特块被分成log2（NB）和log2（M）位的两个子块，其中NB和M分别是发射天线的数量和复数信号星座图的大小。第一子块从一组发射天线识别有源天线，而第二子块从将从该有源天线发送的信号星座图中选择符号。因此，SM是空间移位键控（SSK）和幅度/相位调制的组合。图2示出了具有4个发射天线（NB = 4）和正交相移键控（QPSK）调制（M = 4）的SM星座图。

图2 SM星座图使用四个发射天线（NB = 4）和QPSK调制

认知无线电网络

CR网络是一种创新的软件定义无线电技术，被认为是提高拥塞RF频谱利用率的有希望的技术之一^[9]。 采用CR是由于大部分时间内大部分无线电频谱利用不足的原因。在CR网络中，辅助系统可以在无干扰的基础上或在干扰容忍的基础上与许可的主系统共享频谱带^[9]。CR网络应该了解周围的无线电环境并相应地调节其传输。在无干扰的CR网络中，CR用户仅在许可用户不使用频谱资源时才能借用频谱资源。然而，已经表明，CR系统的性能对于许可系统的用户密度，干扰阈值和传输行为的任何轻微变化都是非常敏感的。这一事实如图3所示，其中我们注意到随着主接收机数量的增加，频谱效率快速下降。然而，可以通过放宽主系统的干扰阈值或仅考虑与次BS具有短距离的CR用户来提高频谱效率。

图3 作为具有不同的干扰阈值Q（次要接收机数量= 20）的主接收

机的数量的函数的CR网络的平均系统频谱效率

移动毫微微蜂窝

MFemtocell是一种最近被提出成为下一代智能交通系统潜在候选技术的新概念^[12]。它将移动中继概念（移动网络）与毫微微蜂窝技术相结。MFemtocell是一个可以移动的小型单元，并且可以将其连接动态地更改为运营商的核心网络。它可以部署在公交车，火车，甚至私家车上，以提高车内用户的服务质量。 MFemtocell的部署可能有益于蜂窝网络。首先，MFemtocell可以提高整个网络的频谱效率。为了证明这一事实，图4将直接传输方案的平均频谱效率和具有两个资源分配方案（即，正交和非正交资源划分方案）的MFemtocell增强方案作为与MFemtocell相关联的用户的百分比的函数进行比较。

图4 具有多用户调度和资源划分方案的系统级毫微微蜂窝的

平均频谱效率

可见光通信

可见光通信使用用作固态照明（SSL）的现成的白色发光二极管（LED）作为信号发射器和现成的p-本征n（PIN）光电二极管（PD）或雪崩光电二极管二极管（APD）作为信号接收器^[10]。这意味着VLC可以照亮并同时提供宽带无线数据连接的系统。如果在上行链路中不需要照明，则红外（IR）LED或实际上RF将是可行的解决方案。在VLC中，信息由光的强度（功率）承载。因此，信息传递信号必须是真正的价值和严格的正面。用于RF通信的传统数字调制方案使用复值和双极信号。因此，修改是必要的，并且在诸如用

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