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5G无线通信网络蜂窝结构体系和关键技术

5G无线通信系统：

前景和挑战

5G无线通信网络

蜂窝结构体系和关键技术

演讲人：

***

小组成员：

蓝之远、孔胜、黄栋、刘威阳、

刘冰、徐迪、徐明月、赵晓通

2014年10月

一、摘要

第4代无线通信系统已经部署或即将被部署在许多国家。

然而，随着无线移动设备和服务爆炸式的发展，它们仍然面临着甚至4G不能调解的一些挑战，例如，频谱危机和高能耗。

无线系统设计人员面临着不断增长的高数据率和移动性要求的需求的新的无线应用。

因此，已经开始研究第五代无线系统，预计将在2020年部署。

在本文中，我们提出一个潜在的蜂窝体系结构，分室内场景和室外场景，并讨论5G无线通信系统各种有前途的技术，比如，大规模MIMO，节能高效通信，认知无线电网络和可见光通信。

还讨论了未来面对这些潜在的技术的挑战。

二、介绍

创新和有效的利用信息和通信技术（ICT）已在提高世界经济中变得越来越重要。

无线通信网络在全球ICT战略中可能是最关键的因素，是许多其他工业的支柱。

它是世界上发展最快、最具活力的行业之一。

欧洲移动天文台报道称：

移动通信业在2010年有总计1740亿欧元收入。

一举超过了航空工业和制药业。

无线技术的发展大大提高了人们的沟通能力、在商业活动和社交活动中的生活。

无线移动通信显著的成就反映技术更新快速步调。

从第2代移动通信系统（2G）在1991年的初次露面到3G系统在2001年首次着手进行，无线移动系统从一个单纯的电话系统已经变换成一个能传输丰富多媒体内容的网络。

4G无线系统设计满足高级国际移动通信（IMT-A）的需求，利用IP协议提供所有服务。

在4G系统，采用一种高级无线电接口，是利用正交频分复用（OFDM），多输入多输出（MIMO）和链路适配（或自适应）技术。

4G无线网络可以支持在低速移动中1Gb/s速率，例如漫游/本地无线接入；在高速移动中最高100Mb/s，例如移动接入。

长期演进（LTE）和它的延伸，先进的长期演进系统，作用可实现的4G系统，最近已部署或很快将在全球部署。

然而，订制移动宽带系统的用户数量每年都在以引人关注的增加。

越来越多的人渴望更快的移动互联网接入服务，时尚的手机，总的来说，与他人或获取信息的即时通信。

当今更强大的智能手机和便携式电脑越来越受欢迎，它追求先进的多媒体功能。

这导致了无线移动设备和服务的爆发。

EMO指出，从2006年以来移动宽带每年以92%的速度增长。

它已被无线世界研究论坛的预测（WWRF）到2017年时有7万亿无线设备服务于7亿人口；换句话说，连接网络的无线设备将达到世界人口的1000倍。

随着越来越多的设备无线上网，很多研究需要面临解决的挑战。

最关键性的挑战之一是物理上为蜂窝通信分配的射频（RF）频谱十分稀缺。

蜂窝频率使用超高频段的手机，通常范围从几百MHz到几GHz。

这些频谱大量被使用，使运营商获得更多的频谱很困难。

另一个挑战是，先进的无线技术的部署是以高能耗为代价。

在无线通信系统中的能量消耗的增加会间接的导致二氧化碳排放增加，目前被认为是对环境的一大威胁。

此外，它已被报道，蜂窝运营商基站（BSS）的能耗占他们的电费账单70%。

事实上，节能高效的通信不在4G无线系统的初始条件之一，但它是后一阶段的问题。

其他挑战，例如，平均频谱效率，高速率和高移动性，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/接口和异构网络不兼容性），仅举几例。

所有上述问题给蜂窝服务供应商施加更多压力，他们正面临着不断增加更高的数据传输速率，更大的网络容量，更高的频谱效率，更高的能源效率，高流动性的新的无线应用所需的需求。

另一方面，4G网络在现有技术的数据率上已经达到理论极限，因此不足以容纳上述挑战。

在这个意义上，我们需要突破性的无线技术来解决由数万亿无线设备造成上述问题，研究人员已经开始研究超4G（B4G）或5G无线技术。

中英科学的桥梁项目：

（B）4G无线移动通信（http:

//www.ukchinab4g.ac.uk/）或许是世界上第一个开始研究B4G的项目，其中一些潜在的B4G技术被鉴定。

欧洲和中国也开始了一些5G项目，如由欧盟支持的METIS2020项目，和在中国由科技部支持的国家863重点项目在5G。

诺基亚西门子网络描述了潜在的无线接入技术可以进一步发展，以支持在接下来的10年与2010年通信水平相比高达1000倍的通信流量[6]。

三星证明使用毫米（mm）波技术无线系统在2公里的情况下传输速率超过1GB/s[7]。

5G网络将是什么，预期2020年左右使其标准化，是什么样子的？

现在定义为时过早。

然而，人们普遍认为，相比于4G网络，5G网络系统容量应达到1000倍，10倍的频谱效率，能源效率和数据速率（即，在低速移动下峰值速率为10GB/s和在高速移动下峰值速率为1GB/s），和25倍的平均小区吞吐量。

目的是连接整个世界，实现无缝和无处不在的通信，任何人之间（人与人），任何事物之间（人与机器，机器与机器），无论他们在哪里（任何地方），无论他们什么时候需要（任何时候），无论他们想用什么电子设备/服务/网络（无论如何）。

这意味着，5G网络应该能够支持一些特殊场景的通信，4G网络不支持（例如，高速列车的用户）。

高速列车可以达到350到500公里/小时，而4G网络只能支持的通信场景为250公里/小时。

在这篇文章中，我们提出了一个潜在的5G的蜂窝体系结构和讨论一些有前途的技术，可以部署提供5G的要求。

本文的其余部分安排如下：

我们提出了一个潜在的5G蜂窝体系结构。

我们描述了一些有前途的关键技术，可以在5G系统采用。

未来的挑战也重点强调了。

最后，得出结论。

三、一个潜在的5G无线蜂窝结构

为了解决上述挑战和满足5G系统的要求，我们需要在蜂窝结构的设计中有一个引人注目的变化。

我们知道，无线用户大约80%的时间呆在室内，而只有20%的时间呆在室外[8]。

目前传统的蜂窝结构通常使用在小区中间的室外基站与移动用户通信，无论他们在室内还是室外。

对于室内用户与室外基站通信，信号必须通过建筑物的墙壁，这会导致非常高的穿透损耗，大大损害了无线传输的数据速率，频谱效率，以及能量效率。

一种5G蜂窝结构设计的关键理念是单独的室外和室内场景，以便用这种方式避免通过建筑物的墙壁造成的穿透损耗。

这将借助于分布式天线系统（DAS）和大规模MIMO技术[9]，在地理上的分布式天线阵列是由部署数十或数百个天线单元构成的。

虽然目前大多数的MIMO系统利用两到四根天线，大规模MIMO系统的目标是在大型天线阵列中开拓出潜在的大容量增益。

室外基站将配备有大型天线阵列的天线元件（或大阵列天线）分布在小区周围，通过光纤连接到BS，受益于DAS和大规模MIMO技术。

室外移动用户通常配备的天线元件的数量有限，但它们可以相互合作，形成一个虚拟的大型天线阵列，连同BS天线阵列构建虚拟大规模MIMO链路。

大型天线阵列也将安装所有建筑物的外面与室外BSS或BSS分布式天线单元通信，可能与线性的视线（LOS）组件通信。

大型天线阵列的电缆连接到建筑物内部无线接入点与室内用户通信。

这肯定会在短期内增加基础设施成本的同时，从长远来看会显著提高小区的平均吞吐量，频谱效率，能源效率，和数据速率的蜂窝系统。

使用这样的蜂窝结构，室内用户只需和室内无线接入点通信（不是室外BSS），与大型阵列天线安装在建筑物外面，许多适于短距离高数据速率通信的技术可以利用。

一些例子包括WiFi，飞蜂窝，超宽带（UWB），毫米波通信（3—300GHz）[7]，和可见光通信（VLC）（400—490THz）[10]。

值得一提的是，毫米波和VLC技术使用较高频率，不采用传统的蜂窝通信。

这些高频波无法很好穿透固体材料，可以很容易地被气体、雨和树叶吸收或散射。

因此，很难用这些波在室外或长距离上应用。

然而，可利用的大带宽，毫米波和VLC技术可以大大提高室内环境下的数据传输速率。

为了解决频谱短缺的问题，除了寻找不被传统的无线服务使用的新的频谱（例如，毫米波通信和VLC），我们也可以尝试改善现有的无线电频谱的频谱利用率，例如，通过认知无线电（CR）网络[11]。

5G蜂窝结构也应该是异构的，包括宏蜂窝，微蜂窝，小蜂窝，和中继。

为了适应高移动用户，如用户在车辆和高速列车上。

我们已经提出了移动飞蜂窝（MFemtocell）的概念[12]，它结合移动中继和飞蜂窝的概念。

移动飞蜂窝位于车辆内部与车辆里的用户通信，而大型天线阵列位于车辆外部与室外基站通信。

一个移动飞蜂窝及其相关的用户都是被视为一个单一的单位与基站BS通信。

从用户的角度来看，一个移动飞蜂窝看成是一个普通的基站BS。

这很相似上述室内（车内）和室外场景分离的想法。

这证明用户使用移动飞蜂窝可以减少信令开销享受高数据速率服务。

上述5G异构蜂窝结构，如图1所示。

图1一种5G异构无线蜂窝结构

四、有前途的关键5G无线技术

在这一部分中，基于前面提出的异构蜂窝结构，我们讨论了一些有前途的关键无线技术，可以使5G无线网络来满足性能要求。

发展这些技术的目的是使容量急剧增加，在5G网络中有效利用所有可能的资源。

基于著名的香农理论，系统总容量的Csum近似表达式为：

（1）

式中，Bi是第i个信道的带宽，Pi是第i个信道的信号功率和Np表示的是噪声功率。

公式1明确系统总容量的Csum等于所有子信道的和异构网络容量的总和。

为了增加CSUM，我们可以增加网络的覆盖范围（如宏蜂窝，微蜂窝，小蜂窝，中继，移动飞蜂窝[12]等异构网络），子信道的数量（如大规模MIMO[9]，空间调制SM[13]，协作式MIMO，分布式天线系统DAS，干扰管理等），带宽（如认知无线电CR网络[11]，毫米波通信，可见光通信VLC[10]，多重标准系统等），和功率（能量效率或绿色通信）。

在下面，我们重点关注的一些关键技术。

1.大规模MIMO

MIMO系统是由发射机和接收机都有多个天线组成。

通过增加多个天线，在无线信道中一个更大的自由度（除了时间和频率维度外）能够容纳更多的信息数据。

因此，在可靠性、频谱效率、能源效率方面性能可以获得一个显着的改善。

在大规模MIMO系统中，发射机或接收机都配备了大量的天线元件（一般为几十或甚至数百个）。

请注意，发射天线根据不同的应用可以是集中或分布式（即，一个分布式天线系统DAS）。

同时，庞大的接收天线可以附在一个设备或分布到许多设备。

除了继承传统的MIMO系统的好处外，一个大规模MIMO系统可以显著提高频谱效率和能量效率[9]。

此外，在大规模MIMO系统中，噪声和快速衰落消失的影响和小区内的干扰可以使用简单的线性预编码和检测方法来减轻。

在大规模MIMO系统中，通过合理地利用多用户MIMO（MU-MIMO）技术，通过避免复杂的调度算法来简化介质访问控制（MAC）层的设计[14]。

就MUMIMO技术来说，最早提出基站BS可以发送分离的信号给使用相同时间和频率资源的个人用户。

因此，这些优点使大规模MIMO系统成为5G无线通信网络中一种很有前途的候选者。

2.空间调制（SM）

空间调制，最初哈斯等人提出的，是一个新颖的MIMO技术，已经在低复杂设备的MIMO系统被提出，不降低系统性能的[13]。

代替了从可用天线同时发送多个数据流，空间调制SM把部分的数据编码传送到天线阵的每个发射天线的空间位置。

因此，天线阵列中的第二次（除了通常的信号星座图）星座图（所谓的空间星座图），它可以用来提高数据速率（空间复用）相对于单天线无线系统。

在任何时间只有一个发射天线是激活的，而其他的天线是空闲的。

一节的信息比特被分成两个子节log2（NB）的log2（M）位，其中，NB和M分别是发射天线的数量和复杂信号星座图的大小。

第一子节从一组发射天线中识别出激活的天线，而第二子节是将信号星座图选择符号从激活的天线发送。

因此，SM是一个组合的空间移键控（SSK）和振幅/相位调制