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计算机无线网络前沿理论与技术
课程报告
关于下一代无线通信网络的详细综述（论文谷歌翻译）
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计算机与信息技术学院
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计算机科学与技术专业
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摘要
相对比当前4GLTE网络。
下一代5G无线通信的愿景在于提供非常高的数据速率（通常为Gbps数量级），极低的延迟，基站容量的增加以及用户感知的服务质量（QoS）的显着改善。
智能设备的不断增加，新兴的多媒体应用的引入，以及无线数据（多媒体）需求和使用的指数增长已经对现有蜂窝网络造成了重大负担。
5G无线系统，具有改进的数据速率，容量，延迟和QoS预期是当前蜂窝网络的大多数问题的灵丹妙药。
在本次调查中，我们对5G网络的无线演进做了详尽的回顾。
我们首先讨论与无线接入网（RAN）设计相关的新架构变化，包括空中接口，智能天线，云和异构RAN。
随后，我们对基础的新型毫米波物理层技术进行深入调查，包括新的信道模型估计，定向天线设计，波束成形算法和大规模MIMO技术。
接下来，讨论有效支持这个新物理层所需的MAC层协议和复用方案的细节。
我们还研究了杀手级应用程序，被认为是5G背后的主要驱动力。
为了了解改进的用户体验，我们提供与5G演进相关的新的QoS，QoE和SON功能的亮点。
为了减少增加的网络能耗和运营成本，我们对能源意识和成本效率进行了详细审查。
因为了解5G实施的当前状态对于其最终的商业化是重要的，我们还讨论相关的现场试验，驱动测试和模拟实验。
最后，我们指出现有的主要研究问题，并确定未来的研究方向。
关键字：
5G毫米波波束成型信道模型C-RANSDNHetNets大规模MIMO，SDMA，IDMA，D2D，M2M，IoT，QoE，SON，可持续性，实验
1.引言
移动无线通信始于第一代，纯语音系统已经有几十年了。
在过去几十年中，世界已经目睹了移动无线通信逐渐向第二，第三和第四代无线网络演进的趋势。
引入数字调制，有效的频率复用，基于分组的因特网的渗透以及诸如WCDMA，OFDMA，MIMO，HARQ等物理层技术的快速发展已经对这种逐渐演进做出了重大贡献。
除此之外，随着智能设备的日益普及，当前基于IP的第四代LTE网络已经成为日常生活的一部分。
因此，一系列新的，面向用户的移动多媒体应用，如移动视频会议，流视频，电子医疗保健和在线游戏等。
这些新的应用不仅满足了用户的要求，而且为无线运营商开拓了新的业务视野，增加了收入。
1.1现有的蜂窝网络-问题和挑战
最近的无线网络统计数据显示，2014年全球移动业务增长了70％[1]。
只有26％的智能手机（占全球移动设备总数）占移动数据传输总量的88％[1]。
思科的视觉网络指数（VNI）预测，到2019年，移动网络将有一半以上的连接设备作为智能设备。
越来越多的智能手机使用率导致移动视频（多媒体）业务量呈指数级增长。
事实上，自2012年以来，视频业务占全球移动业务的一半以上[1]。
一个普通的移动用户预计到2020年每年下载1T字节的数据[2]。
此外，研究人员正在探索增强现实，物联网（IoT），车辆互联网（IoV），设备到设备（D2D）通信，电子医疗保健，机器对机器（M2M）通信和金融技术（FinTech）。
在当前的4GLTE蜂窝系统中，支持数据使用和连接的这种巨大且快速的增长是极其艰巨的任务。
例如，对于理论上的150Mbps最大下行链路数据速率，传统的LTE系统，2×2MIMO可以只支持最多（150/4）同时全高清（@4Mbps速率）视频流。
此外，虽然标准LTE网络最初被设计为每小区支持高达600个RCC连接的用户[3]，[4]，M2M通信和IoT要求在单个小区中支持数万个连接的设备。
LTE蜂窝网络正在探索不同研究和开发的途径，如MIMO，小型小区，协调多点（CoMP）传输，HetNets和多个天线，以增强容量和数据速率。
然而，从长远来看，不可能持续这种持续的交通爆炸[2]。
因此，主要关注的是满足移动宽带通信中用户和业务能力的显着增长。
1.2毫米波——无线电频谱的新领域
无线通信的容量取决于光纤的效率和带宽。
它也与小区大小有关[5]。
小区尺寸变小，物理层技术已经在香农容量的边界[6]。
当然，系统带宽仍然没有开发。
目前，几乎所有的无线通信都使用300MHz到3GHz频带的频谱，通常被称为“最佳点”或“海滨频谱”[2]，[7]。
这个频带在不同的无线电环境中从几千米的可靠传播特性中获益[8]，[2]。
从亚毫米波段到满足爆炸性移动业务和连接的期望似乎有问题[8]。
因此，为了增加容量，无线通信不能帮助面对高频带宽的新挑战。
下一代5G无线网络的关键在于探索这种未使用的高频毫米波频带，范围为3-300GHz。
历史上，碰撞避免雷达是首先利用这个毫米波频谱[9]。
美国联邦通信委员会（FCC）分别在59-64GHz和81-86GHz之间为非授权无线和对等通信打开了频谱[9]。
射电天文学，雷达，机场通信和许多军事应用已经在过去几十年中使用毫米波频带。
图1毫米波在3-300GHz的频谱
如图1所示，在巨大的3-300GHz毫米波频谱中，仅57-64GHz和164-200GHz不适合通信。
即使是可用的毫米波频谱的一小部分可以支持超过当前的蜂窝频谱数百倍的数据速率和容量[8]。
因此，大量的毫米波频谱的可用性为频谱约束的未来无线通信开辟了新的视野[8]，[9]。
1.35G：
愿景和动力
新兴的毫米波频谱接入，超连接视觉和新的应用特定要求的组合效应将触发无线通信的下一个重大演变-5G（第五代）[7]，[10]，[11]。
如图2所示，5G无线通信设想无线数据速率，带宽，覆盖和连接性的增加，大大减少了往返延迟和能量消耗。
图3展示了5G标准化活动的广泛概述[12]。
它指出，第一个标准预计将在2020年之前成熟。
GSM协会正在与其合作伙伴一起致力于5G通信的最终形成。
图2下一代5G应用场景图35G标准化活动的广泛概述
根据行业和学术界的不同研究计划，下一代5G系统的8个主要要求[7]，[10]，[11]被识别为：
1）实际网络中1-10GBps的数据速率：
这几乎是传统LTE网络的理论峰值数据速率150Mbps的10倍。
2）1ms往返行程延迟：
从4G的10ms往返时间减少近10倍。
3）单位面积中的高带宽：
需要在特定区域中使具有更高带宽的大量连接的设备具有更长的持续时间[10]。
4）大量的连接设备：
为了实现物联网的愿景，新兴的5G网络需要提供连接到成千上万的设备[10]。
5）99.999％的感知可用性：
5G设想网络应该实际上总是可用的。
6）几乎100％的覆盖“随时随地”连接：
5G无线网络需要确保完全覆盖，而不管用户的位置[10]。
7）能源使用量减少近90％：
标准机构已经考虑了绿色技术的发展。
这对于高数据速率和5G无线的大规模连接将更加重要[10]。
8）高电池寿命：
器件的功耗降低对新兴的5G网络十分重要[10]。
有了上述八个要求，无线产业，学术界和研究机构已经开始在5G无线系统的不同方面进行合作。
表1显示了来自不同全球着名无线供应商和运营商的5G的愿景。
爱立信[13]预计5G开发应该以与现有4GLTE网络向后兼容的方式开始。
这将有助于使用与传统设备相同的载波频率继续服务。
爱立信还与韩国市场领导者SK电信合作，在2018年冬季奥运会上展示5G网络[13]。
高通[14]正在开发并驱动4G和5G并联以实现最大潜力。
统一平台应该有助于提高成本和能源效率，同时实现广泛的新服务。
华为正在与国际贸易协会，许多大学，政府和生态系统合作伙伴合作，建立关键的5G创新[15]。
Docomo网络已经确定了两个重要的趋势：
（i）无处不在的无线连接（ii）实时的广泛的丰富内容传送[16]。
它认为高频和低频频带的集成是5G部署的关键。
较低的频率将负责基本覆盖，较高的频率将提供高数据速率[16]。
优化频谱使用，5G，密集小区和改进性能的革命性进步是诺基亚实现5G无线的关键概念[17]。
数十亿自主连接的多元化设备，导致物联网的开始是三星的5G的愿景[18]。
METIS（二十二（2020）信息社会的移动和无线通信促进者）和HORIZON2020是欧盟（EU）[19]，[20]，[21]发起和资助的主要5G研究项目。
为了配合市场需求部署5G，5GPPP（第五代合作伙伴计划）正在与主要利益相关者[19]早日达成多租户和单一数字市场协议[19]。
IEEE通信协会的“5G培训和认证”[22]计划正在协调由IEEE赞助的研讨会和会议的5G培训，以及制定5G认证计划的过程。
韩国，日本和中国之间的合作研究和开发工作已经导致形成5G论坛[23]。
各种5G活动的概述在[26]中给出。
图45G综述中所涉及到的相关论文
下一代5G无线网络的上述优势和愿景激励我们进行详细的文献调查。
图4显示了我们调查的大致轮廓。
本文的其余部分组织如下：
第二部分阐述了密集的，以用户为中心的5G网络的架构要求。
它还包括与5G无线相关的云计算和HetNets的进步。
在第三部分，我们讨论5G无线网络的新的基于mm波的物理层方面。
随后，我们回顾MAC层中需要的更改，以支持第IV节中的物理层修改。
接下来，我们来看看第5节中5G无线的新型杀手级应用。
第六章提供了对质量和网络管理的评论。
与可持续性和能源意识相关的主要研究工作在第七节中描述。
与第5G无线相关的主要现场试验和模拟实验在第VIII节中进行了说明。
我们指出第九节中的开放研究问题和未来的研究方向。
最后第十节总结我们的调查。
2.5G架构：
范式转变
随着在传统无线频谱中亚毫秒等待时间和带宽限制的要求，蜂窝网络现在准备破坏基站（BS）为中心的网络范例。
图5描绘了从BS中心到设备中心网络的这种逐渐移动。
无线工业需求的增长推动了从最初的宏观六边形覆盖向小得多的小区部署的发展。
现在的研究人员专注于设计以用户为中心的网络的方法。
用户不再是无线网络的最终分辨率，而是希望在网络中参与存储，中继，内容交付和计算。
未来网络预期连接不同邻近的不同节点。
小型，微型，微微和毫微微小区部署已经在进行中。
因此，密集的5G网络将具有高的同信道干扰，这将逐渐使当前的空中接口过时。
这推动了扇区化和定向（能量聚焦）天线的概念，与年老的全向天线相反。
因此，空间多址（SDMA）和有效的天线设计是最必要的。
预期用户和控制平面的去耦以及各种网络之间的无缝互操作性将加强5G系统的基础。
本节讨论了5G网络架构的要求，空中接口的变化以及智能天线的设计。
还讨论了新兴技术，如SDN，Cloud-RAN和HetNets。
2.1无线电网络演进
5G无线网络的总体布局突破了以BS为中心的蜂窝概念的规则，并转向以设备为中心的拓扑[27]。
5G网络建议使用更高的频率进行通信。
在室外环境中，毫米波信号的传播和穿透是相当有限的[28]。
因此，节点布局不能遵循传统的蜂窝设计或甚至任何定义模式。
Rappaport和他的团队[28]提出了5G无线电网络设计的场地特定节点布局。
例如，超密集部署在需要高数据速率的地区是必要的，例如地铁站，商场和地铁[29]。
视线（LOS）通信是非视线（NLOS）通信的无可争议的偏好[28]，[30]。
或者，反射，散射和衍射信号仍然可能具有足够的能量，这需要在LOS被完全阻挡时被探测[30]。
图5以基站为中心到以用户为中心
5G蜂窝技术需要与大量用户，各种设备和多样化的服务一起工作。
因此，主要关注的是5GBS与传统蜂窝网络（例如4G，3G和2G）的集成[31]。
Farooq和他的团队在三星电子[32]，[33]提出了不同的配置，如毫米波BS网格系统，毫米波与4G系统和毫米波独立系统集成。
大波束成形增益扩展了覆盖范围，同时减少了干扰并提高了小区边缘的链路质量。
这个特性使得毫米波BS网格可以提供低延迟和成本效益的解决方案[32]。
图6毫米波的网络架构
图6（A）示出了mm波（5G）和传统4G网络的混合系统。
它提出了一个双模式调制解调器，使用户能够在两个网络之间切换更好的体验[32]。
或者，mm波频谱也可以仅用于数据通信，而控制和系统信息可以通过使用传统的4G网络传输[32]。
另一方面，在图6（B）中，独立的5G系统[32]仅在毫米波上工作。
这样的系统设想对回程和无线接入链路使用相同的毫米波频谱。
窄波束的概念允许可接受的频谱重叠，并且还改善BS网格和大量用户之间的链路质量[33]。
因此，5G通信中的无线电联网预期与传统网络有很大不同。
无线电的演进也将改变空中接口的原理图。
2.2高级空中接口
毫米波传播的小无线电波长需要小的天线尺寸。
这使得能够使用大量较小的天线。
使用阵列天线控制信号的相位和幅度有助于增强所需方向的电磁波，同时在所有其他方向消除[34]。
这需要引入定向空气界面。
图7示出了空中接口从单向传输到定向传输的这种改变。
可以通过使用自适应波束成形技术来保证高定向辐射模式，从而引入空分多址（SDMA）[33]。
有效的SDMA改进了在发射机和接收机的波束成形天线的频率复用[35]。
我们将天线训练，波束成形和SDMA的细节分别推迟到第三节和第四节。
然而，硬件挑战，更精确地说，混合信号分量的高功率消耗可能限制这些优点。
将每个天线连接到高速率模数（A/D）和数模（D/A）转换器是不大可能的[27]。
混合架构，集成模拟和数字波束成形，具有最优的波束成形权重，可以提供可能的解决方案[27]。
模拟和数字波束形成概念的细节在[32]中讨论。
将BS划分为多个扇区也放宽了硬件约束。
然而，这在同步和数据传输中提出了进一步的挑战，这需要解决[36]。
用于不同波束成形技术的最佳天线配置增强了性能。
图7传统电线和智能电线
例如，发射器上的喇叭天线，接收器处的贴片天线以及用于波束的垂直导向的高层城市环境中的特殊天线阵列将能够有效地进行通信[36]。
可以通过上行链路和下行链路的分离来缓解VASTBS部署和对LOS通信的需要。
多个节点可以促进不同的传输，以在不同的信道条件下使用不同的通信路径[27]。
了解指挥空中接口的基本技术及其进步将为有效的5G通信奠定坚实的基础。
2.3下一代智能天线
5G网络的成功部署取决于有效的天线阵列设计。
这利用了空中接口变化的优点。
应使用多波束智能天线阵列系统来实现SDMA能力。
智能天线有助于干扰减轻，同时保持最佳的覆盖区域和同时传输移动手持机和BS[37]的功率降低。
此外，对于相同的物理孔径尺寸，更多的能量可以通过使用窄波束在较高频率传输[38]。
智能天线实现使得相同的信道可以被不同的波束使用[37]。
这减少了无线通信的主要问题之一：
同信道干扰。
波束形成天线的使用中与小数负载系数，进一步稀释了共信道干扰的问题[39]。
高度定向的波束的应用不一定需要任何分数负载。
基础设施费用和复杂操作阻碍了对定向天线的不加区别的使用。
然而，甚至更少复杂的天线能够提供相当大的容量增益[39]。
因此，智能天线设计，经方向增益，成本和复杂性的优化为2.5G无线通信的发展非常重要。
图8三种智能天线子阵列
垂直平面子阵列通过改变与子阵列单元相关联的权重来在水平面中操纵波束[40]。
子阵列配置对于波束控制至关重要。
图8展示了布置天线子阵列的三种不同的可能性：
（i）圆形，（ii）平面和（iii）分割。
更好的覆盖圆形子阵列使其更适合无线通信[37]。
虽然曲率允许更宽的光束转向，线性配置具有更好的方向性，但限制了扫描角范围[40]。
除了圆形或线性，简单的分段配置也可以仔细设计，以实现所需的方向性和扫描范围的水平[40]。
通常，喇叭天线具有比所有其它天线更高的增益。
角天线阵列提供BS[41]所需的高功率输出。
空间，大小和功率是移动设备处的约束。
因此，更简单的贴片天线适用于设备[36]。
通常，空间，而不是尺寸，限制了在BS和MS处的复杂智能天线的部署。
然而，三星在28GHz频段的实验与贴片天线在流行的手机已经显示了有希望的结果[2]。
2.4通过分裂的平面敏捷性和弹性
架构和空中接口的变化强调小小区和增加的天线数量。
在如此密集的5G部署中，许多服务器和路由器的配置和维护是一个复杂的挑战。
软件设计网络（SDN）为这一复杂挑战提供了一个简化的解决方案。
SDN考虑控制平面和数据平面之间的分割，从而在5G网络中引入快速和灵活性[41]，[42]。
图9描绘了用户和控制信号的分离。
因此，用户平面容量的增加变得独立于控制平面资源。
这使得5G网络在所需位置具有高数据，而不会招致控制平面开销[42]。
SDN通过使用软件组件来解耦数据和控制平面。
这些软件组件负责管理控制平面，从而减少硬件限制[43]，[44]。
两个平面之间的交互通过使用开放接口实现，如OpenFlow[45]。
它还便于在不同配置之间切换[45]。
图9控制平面和数据平面相分离
SDN可以跨越OSI层来重新建模网络以实现完全自动化管理。
冗余接口由控制器减少，控制器将策略分配给路由器用于监控功能[44]。
应用于无线接入网络（RAN）的SDN本身表现为SON解决方案[45]。
SON算法通过控制平面协调在粗粒度上优化RAN，同时保持精细的粒度数据平面不受影响[45]。
虽然SON提供高增益，但是数据平面的改进需要多个BS的协作来进行数据传输。
协调多点（CoMP）传输有助于以非常精细的时间尺度进行协作数据传输[45]。
CloudRAN还通过分散数据平面提供了一个可行的解决方案。
数据和控制信号可以通过不同的节点，不同的频谱甚至不同的技术路由，以管理网络密度和多样性。
2.5集中式架构-云RAN
云无线接入网络（C-RAN）解决了与高数据速率的增加的需求相关联的一些主要问题[46]。
无线行业正在通过增加更多小区，实现MIMO技术，建立HetNets的复杂结构和小型小区部署来提高网络容量。
然而，小区间干扰，资本支出（CAPEX）和支出（OPEX）阻碍了这些努力。
C-RAN提供改进系统架构，移动性，覆盖性能和能源效率，同时降低网络部署和操作的成本[46]。
C-RAN基于集中化和虚拟化的基本原理。
基带资源集中在位于远端中心站（不在小区站点）的基站单元（BBU）[47]。
在传统的蜂窝网络中，互联网协议，多协议功能和以太网一直延伸到远程蜂窝站点[47]。
图。
图10示出了典型的C-RAN架构，其中来自许多远程站点的BBU集中在虚拟BBU池。
这导致统计复用增益，能量效率操作和资源节约[46]。
虚拟BBU池进一步促进可扩展性，成本降低，不同服务的集成和减少现场试验的时间消耗[46]。
远程射频头（RRH）包括变压器组件，放大器和双工器，可实现数字处理，模数转换，功率放大和滤波[46]，[47]。
RRH通过高于1Gbps的单模数据速率连接到BBU池[47]。
这种简化的BS架构为密集的5G部署铺平了道路，使其价格适中，灵活和高效[42]。
强大的云计算能力可以轻松处理所有复杂的控制过程[44]。
图10云无线接入网络架构
中国移动正在大力倡导C-RAN，因为它为网络建设，部署，成本结构和灵活的最终用户服务提供了基础。
基础设施共享协议[49]，由IBM的MohammadBanikazemi提出，为密集部署提供了成本有效的解决方案，以及向后兼容性[49]。
通过将RF前端移动到BBU，在BBU本身中生成射频。
传输由共享云无线电覆盖基础设施执行。
这使得能够使用模拟RF，帮助许多服务和运营商共存而没有任何显着的干扰[49]。
此外，SDN创建了通过可编程接口无缝合并云应用与无线网络的选项。
最近的研究提出了基于SDN的虚拟网络，云作为骨干网[50]。
小小区部署有时可能是困难的，昂贵的和由站点拓扑的约束。
这使得小型小区的回程网络成为关键的基础设施。
集成了固定宽带接入和无线LOS回程的异构回程技术是最合适的。
因此，需要一个标准化接口来设计和优化RAN与回程网络[51]。
动态适配的路由节点[51]，由NEC欧洲实验室的PeterRost提出，将RAN视为RAN集中化中的灵活性的服务（RANas）。
RANas概念提出了具有封装和交付功能的集中云平台，这取决于实际的网络要求[51]。
在实际有效容量回程约束下研究了上行链路C-RAN的容量限制和系统级优化[52]。
考虑了压缩和转发中继策略，用于将接收信号的压缩版本从BS发送到中央处理器。
由压缩引入的量化噪声的水平被认为是回程设计中的关键参数[52]。
基于云计算的无线电访问鼓励共享池的可配置资源，使最少的部署，管理和操作努力。
2.6异构方法
处理在5G通信中预期的无线业务突发的另一种方式是部署大量小小区，产生异构网络（HetNets）[53].HetNets通常由具有低传输功率的小小区组成，除了遗留宏小区。
通过部署低功率小BS，网络容量得到改善，覆盖范围扩展到覆盖空洞[54]，[55]。
此外，所有小型微微小区毫微微小区与现有宏小区的重叠导致改进和高效频率重用[56]。
图。
图11示出了HetNet的概念。
HetNets的部署要求传统宏小区和小小区之间的协调操作，以减少相互干扰[56]。
加拿大曼尼托巴大学的研究人员强调多层网络和5G通信的干扰升级[57]。
5G混合网络中的各种干扰管理挑战在[57]中得到解决。
5GHetNets中宏和第二层小区之间的干扰在[58]中通过反向时分双工（TDD）协议来解决。
它有助于层内和层间信道的本地估计。
在反向TDD模式中，当小型小区接入（SCA）在上行链路中操作时BS处于下行链路操作，反之亦然。
图11HetNets架构
高通科技公司和三星移动解决方案实验室的研究人员强调网络和设备端干扰管理技术[59]。
具有利用干扰信号结构（包括调制星座，编码方案，信道和资源分配）的能力的高级接收机被认为是关键的驱动器[59]。
不适当的无线电接入技术（RAT）可以产生不必要的信令开销[60]。
为了减轻多RAT中的这些问题，在[60]中提出了高效的RAT切换决定和公共资源的优化划分。
多RAT的并发利用提高了容量和连接性。
然而，多个网络的联合使用没有得到很多研究关注。
在多种RAT之间的智能耦合承诺，进一步的容量和覆盖改进HetNets[61]。
在[62]中，作者介绍了用于毫微微小区使能的HetNet的各种无线电资源管理方案。
解决跨层和共层干扰，同时保持优化的无线电资源利用，公平性和QoS。
各种频率调度算法和频率复用技术增强了HetNet性能[62]。
光谱资源分配策略[56]也提出了解决干扰问题的潜力。
在[63]中讨论了用于实现随机HetNet部署的合作和分布式无线电资源管理算法。
[64]中的工作提出了在比例公平标准下在下行链路HetNets中的BS和设备关联的优化。
[65]提供了用于平衡能量效率和光谱效率的绿色HetNets的整体框架。
两层异构网络在[58]中提出，通过共同定位大规模MIMOBS和低功率SCA来改善网络性能。
虽然大规模MIMO通过确保室外移动覆盖来获得传统的好处，但是具有认知和协作功能的SCA作为室内和室外低移动性用户的主要容量驱动器。
然而，回程代表了密集SCA部署中的主要瓶颈之一。
与传统的有线回程相反，SCA可能通过不可靠的无线回程基础设施连接[58]。
错误率，延迟，容量和部署成本的特性预计随情况而变化。
因此，无线回程链路提供了可行和经济的替代方案[58]。
为了简化HetNets的部署，操作，管理和全天候优化，在[53]中提倡了云辅助平台。
此外，基于云的智能切换和位置管理可以确保HetNets中的无缝连接[53]。
因此，我们认为小型小区的异构连接是新兴5G架构的主要构建块。
方向性和小小区设计，以及资源分配的进步有望用于5G通信的更高覆盖和数据速率。
表二总结了与5G网络架构相关的主要工作。
3.物理层设计问题
将5G架构融合到现有的无线系统需要一种新颖的方法来使过程平滑和快速。
因此，了解物理层技术并将其
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