一、 摘要

第4代無線通信系統已經部署或即將被部署在許多國家。然而，隨著無線移動設備和服務爆炸式的發(fā)展，它們仍然面臨著甚至4G不能調解的一些挑戰(zhàn)，例如，頻譜危機和高能耗。無線系統設計人員面臨著不斷增長的高數據率和移動性要求的需求的新的無線應用。因此，已經開始研究第五代無線系統，預計將在2020年部署。在本文中，我們提出一個潛在的蜂窩體系結構，分室內場景和室外場景，并討論5G無線通信系統各種有前途的技術，比如，大規(guī)模MIMO，節(jié)能高效通信，認知無線電網絡和可見光通信。還討論了未來面對這些潛在的技術的挑戰(zhàn)。

二、 介紹

創(chuàng)新和有效的利用信息和通信技術（ICT）已在提高世界經濟中變得越來越重要。無線通信網絡在全球ICT戰(zhàn)略中可能是最關鍵的因素，是許多其他工業(yè)的支柱。它是世界上發(fā)展最快、最具活力的行業(yè)之一。歐洲移動天文臺報道稱：移動通信業(yè)在2010年有總計1740億歐元收入。一舉超過了航空工業(yè)和制藥業(yè)。無線技術的發(fā)展大大提高了人們的溝通能力、在商業(yè)活動和社交活動中的生活。

無線移動通信顯著的成就反映技術更新快速步調。從第2代移動通信系統（2G）在1991年的初次露面到3G系統在2001年首次著手進行，無線移動系統從一個單純的電話系統已經變換成一個能傳輸豐富多媒體內容的網絡。4G無線系統設計滿足高級國際移動通信（IMT-A）的需求，利用IP協議提供所有服務。在4G系統，采用一種高級無線電接口，是利用正交頻分復用（OFDM），多輸入多輸出（MIMO）和鏈路適配（或自適應）技術。4G無線網絡可以支持在低速移動中1 Gb/s速率，例如漫游/本地無線接入；在高速移動中最高100Mb/s，例如移動接入。長期演進（LTE）和它的延伸，先進的長期演進系統，作用可實現的4G系統，最近已部署或很快將在全球部署。

然而，訂制移動寬帶系統的用戶數量每年都在以引人關注的增加。越來越多的人渴望更快的移動互聯網接入服務，時尚的手機，總的來說，與他人或獲取信息的即時通信。當今更強大的智能手機和便攜式電腦越來越受歡迎，它追求先進的多媒體功能。這導致了無線移動設備和服務的爆發(fā)。EMO指出，從2006年以來移動寬帶每年以92%的速度增長。它已被無線世界研究論壇的預測（WWRF）到2017年時有7萬億無線設備服務于7億人口；換句話說，連接網絡的無線設備將達到世界人口的1000倍。隨著越來越多的設備無線上網，很多研究需要面臨解決的挑戰(zhàn)。

最關鍵性的挑戰(zhàn)之一是物理上為蜂窩通信分配的射頻（RF）頻譜十分稀缺。蜂窩頻率使用超高頻段的手機，通常范圍從幾百MHz到幾GHz。這些頻譜大量被使用，使運營商獲得更多的頻譜很困難。另一個挑戰(zhàn)是，先進的無線技術的部署是以高能耗為代價 。在無線通信系統中的能量消耗的增加會間接的導致二氧化碳排放增加，目前被認為是對環(huán)境的一大威脅。此外，它已被報道，蜂窩運營商基站（BSS）的能耗占他們的電費賬單70%。事實上，節(jié)能高效的通信不在4G無線系統的初始條件之一，但它是后一階段的問題。其他挑戰(zhàn)，例如，平均頻譜效率，高速率和高移動性，無縫覆蓋，不同的服務質量（QoS）要求，和分散的用戶體驗（不同的無線設備/接口和異構網絡不兼容性），僅舉幾例。

所有上述問題給蜂窩服務供應商施加更多壓力，他們正面臨著不斷增加更高的數據傳輸速率，更大的網絡容量，更高的頻譜效率，更高的能源效率，高流動性的新的無線應用所需的需求。另一方面，4G網絡在現有技術的數據率上已經達到理論極限，因此不足以容納上述挑戰(zhàn)。在這個意義上，我們需要突破性的無線技術來解決由數萬億無線設備造成上述問題，研究人員已經開始研究超4G（B4G）或5G無線技術。中英科學的橋梁項目：（B）4G無線移動通信（http://www.ukchinab4g.ac.uk /）或許是世界上第一個開始研究B4G的項目，其中一些潛在的B4G技術被鑒定。歐洲和中國也開始了一些5G項目，如由歐盟支持的METIS 2020項目，和在中國由科技部支持的國家863重點項目在5G。諾基亞西門子網絡描述了潛在的無線接入技術可以進一步發(fā)展，以支持在接下來的10年與2010年通信水平相比高達1000倍的通信流量[ 6 ]。三星證明使用毫米（mm）波技術無線系統在2公里的情況下傳輸速率超過1 GB / s [ 7 ]。

 5G網絡將是什么，預期2020年左右使其標準化，是什么樣子的？現在定義為時過早。然而，人們普遍認為，相比于4G網絡，5G網絡系統容量應達到1000倍，10倍的頻譜效率，能源效率和數據速率（即，在低速移動下峰值速率為10 GB / s和在高速移動下峰值速率為1 GB / s），和25倍的平均小區(qū)吞吐量。目的是連接整個世界，實現無縫和無處不在的通信，任何人之間（人與人），任何事物之間（人與機器，機器與機器），無論他們在哪里（任何地方），無論他們什么時候需要（任何時候），無論他們想用什么電子設備/服務/網絡（無論如何）。這意味著，5G網絡應該能夠支持一些特殊場景的通信，4G網絡不支持（例如，高速列車的用戶）。高速列車可以達到350到500公里/小時，而4G網絡只能支持的通信場景為250公里/小時。在這篇文章中，我們提出了一個潛在的5G的蜂窩體系結構和討論一些有前途的技術，可以部署提供5G的要求。

本文的其余部分安排如下：我們提出了一個潛在的5G蜂窩體系結構。我們描述了一些有前途的關鍵技術，可以在5G系統采用。未來的挑戰(zhàn)也重點強調了。最后，得出結論。

三、 一個潛在的5G無線蜂窩結構

為了解決上述挑戰(zhàn)和滿足5G系統的要求，我們需要在蜂窩結構的設計中有一個引人注目的變化。我們知道，無線用戶大約80%的時間呆在室內，而只有20%的時間呆在室外 [ 8 ]。目前傳統的蜂窩結構通常使用在小區(qū)中間的室外基站與移動用戶通信，無論他們在室內還是室外。對于室內用戶與室外基站通信，信號必須通過建筑物的墻壁，這會導致非常高的穿透損耗，大大損害了無線傳輸的數據速率，頻譜效率，以及能量效率。

一種5G蜂窩結構設計的關鍵理念是單獨的室外和室內場景，以便用這種方式避免通過建筑物的墻壁造成的穿透損耗。這將借助于分布式天線系統（DAS）和大規(guī)模MIMO技術[ 9 ]，在地理上的分布式天線陣列是由部署數十或數百個天線單元構成的。雖然目前大多數的MIMO系統利用兩到四根天線，大規(guī)模MIMO系統的目標是在大型天線陣列中開拓出潛在的

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5G-無線通信網絡蜂窩結構體系和關鍵技術.pdf