一、 摘要

第4代無線通信系統(tǒng)已經(jīng)部署或即將被部署在許多國家。然而，隨著無線移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)爆炸式的發(fā)展，它們?nèi)匀幻媾R著甚至4G不能調(diào)解的一些挑戰(zhàn)，例如，頻譜危機(jī)和高能耗。無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著不斷增長(zhǎng)的高數(shù)據(jù)率和移動(dòng)性要求的需求的新的無線應(yīng)用。因此，已經(jīng)開始研究第五代無線系統(tǒng)，預(yù)計(jì)將在2020年部署。在本文中，我們提出一個(gè)潛在的蜂窩體系結(jié)構(gòu)，分室內(nèi)場(chǎng)景和室外場(chǎng)景，并討論5G無線通信系統(tǒng)各種有前途的技術(shù)，比如，大規(guī)模MIMO，節(jié)能高效通信，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)和可見光通信。還討論了未來面對(duì)這些潛在的技術(shù)的挑戰(zhàn)。

二、 介紹

創(chuàng)新和有效的利用信息和通信技術(shù)（ICT）已在提高世界經(jīng)濟(jì)中變得越來越重要。無線通信網(wǎng)絡(luò)在全球ICT戰(zhàn)略中可能是最關(guān)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(dòng)天文臺(tái)報(bào)道稱：移動(dòng)通信業(yè)在2010年有總計(jì)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(shù)的發(fā)展大大提高了人們的溝通能力、在商業(yè)活動(dòng)和社交活動(dòng)中的生活。

無線移動(dòng)通信顯著的成就反映技術(shù)更新快速步調(diào)。從第2代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）在1991年的初次露面到3G系統(tǒng)在2001年首次著手進(jìn)行，無線移動(dòng)系統(tǒng)從一個(gè)單純的電話系統(tǒng)已經(jīng)變換成一個(gè)能傳輸豐富多媒體內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)。4G無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足高級(jí)國際移動(dòng)通信（IMT-A）的需求，利用IP協(xié)議提供所有服務(wù)。在4G系統(tǒng)，采用一種高級(jí)無線電接口，是利用正交頻分復(fù)用（OFDM），多輸入多輸出（MIMO）和鏈路適配（或自適應(yīng)）技術(shù)。4G無線網(wǎng)絡(luò)可以支持在低速移動(dòng)中1 Gb/s速率，例如漫游/本地?zé)o線接入；在高速移動(dòng)中最高100Mb/s，例如移動(dòng)接入。長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）和它的延伸，先進(jìn)的長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)，作用可實(shí)現(xiàn)的4G系統(tǒng)，最近已部署或很快將在全球部署。

然而，訂制移動(dòng)寬帶系統(tǒng)的用戶數(shù)量每年都在以引人關(guān)注的增加。越來越多的人渴望更快的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，時(shí)尚的手機(jī)，總的來說，與他人或獲取信息的即時(shí)通信。當(dāng)今更強(qiáng)大的智能手機(jī)和便攜式電腦越來越受歡迎，它追求先進(jìn)的多媒體功能。這導(dǎo)致了無線移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)的爆發(fā)。EMO指出，從2006年以來移動(dòng)寬帶每年以92%的速度增長(zhǎng)。它已被無線世界研究論壇的預(yù)測(cè)（WWRF）到2017年時(shí)有7萬億無線設(shè)備服務(wù)于7億人口；換句話說，連接網(wǎng)絡(luò)的無線設(shè)備將達(dá)到世界人口的1000倍。隨著越來越多的設(shè)備無線上網(wǎng)，很多研究需要面臨解決的挑戰(zhàn)。

最關(guān)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(jī)，通常范圍從幾百MHz到幾GHz。這些頻譜大量被使用，使運(yùn)營(yíng)商獲得更多的頻譜很困難。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，先進(jìn)的無線技術(shù)的部署是以高能耗為代價(jià) 。在無線通信系統(tǒng)中的能量消耗的增加會(huì)間接的導(dǎo)致二氧化碳排放增加，目前被認(rèn)為是對(duì)環(huán)境的一大威脅。此外，它已被報(bào)道，蜂窩運(yùn)營(yíng)商基站（BSS）的能耗占他們的電費(fèi)賬單70%。事實(shí)上，節(jié)能高效的通信不在4G無線系統(tǒng)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(dòng)性，無縫覆蓋，不同的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，和分散的用戶體驗(yàn)（不同的無線設(shè)備/接口和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不兼容性），僅舉幾例。

所有上述問題給蜂窩服務(wù)供應(yīng)商施加更多壓力，他們正面臨著不斷增加更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，更大的網(wǎng)絡(luò)容量，更高的頻譜效率，更高的能源效率，高流動(dòng)性的新的無線應(yīng)用所需的需求。另一方面，4G網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)據(jù)率上已經(jīng)達(dá)到理論極限，因此不足以容納上述挑戰(zhàn)。在這個(gè)意義上，我們需要突破性的無線技術(shù)來解決由數(shù)萬億無線設(shè)備造成上述問題，研究人員已經(jīng)開始研究超4G（B4G）或5G無線技術(shù)。中英科學(xué)的橋梁項(xiàng)目：（B）4G無線移動(dòng)通信（http://www.ukchinab4g.ac.uk /）或許是世界上第一個(gè)開始研究B4G的項(xiàng)目，其中一些潛在的B4G技術(shù)被鑒定。歐洲和中國也開始了一些5G項(xiàng)目，如由歐盟支持的METIS 2020項(xiàng)目，和在中國由科技部支持的國家863重點(diǎn)項(xiàng)目在5G。諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)描述了潛在的無線接入技術(shù)可以進(jìn)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(dá)1000倍的通信流量[ 6 ]。三星證明使用毫米（mm）波技術(shù)無線系統(tǒng)在2公里的情況下傳輸速率超過1 GB / s [ 7 ]。

 5G網(wǎng)絡(luò)將是什么，預(yù)期2020年左右使其標(biāo)準(zhǔn)化，是什么樣子的？現(xiàn)在定義為時(shí)過早。然而，人們普遍認(rèn)為，相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量應(yīng)達(dá)到1000倍，10倍的頻譜效率，能源效率和數(shù)據(jù)速率（即，在低速移動(dòng)下峰值速率為10 GB / s和在高速移動(dòng)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(gè)世界，實(shí)現(xiàn)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(jī)器，機(jī)器與機(jī)器），無論他們?cè)谀睦铮ㄈ魏蔚胤剑�，無論他們什么時(shí)候需要（任何時(shí)候），無論他們想用什么電子設(shè)備/服務(wù)/網(wǎng)絡(luò)（無論如何）。這意味著，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠支持一些特殊場(chǎng)景的通信，4G網(wǎng)絡(luò)不支持（例如，高速列車的用戶）。高速列車可以達(dá)到350到500公里/小時(shí)，而4G網(wǎng)絡(luò)只能支持的通信場(chǎng)景為250公里/小時(shí)。在這篇文章中，我們提出了一個(gè)潛在的5G的蜂窩體系結(jié)構(gòu)和討論一些有前途的技術(shù)，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(gè)潛在的5G蜂窩體系結(jié)構(gòu)。我們描述了一些有前途的關(guān)鍵技術(shù)，可以在5G系統(tǒng)采用。未來的挑戰(zhàn)也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了。最后，得出結(jié)論。

三、 一個(gè)潛在的5G無線蜂窩結(jié)構(gòu)

為了解決上述挑戰(zhàn)和滿足5G系統(tǒng)的要求，我們需要在蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中有一個(gè)引人注目的變化。我們知道，無線用戶大約80%的時(shí)間呆在室內(nèi)，而只有20%的時(shí)間呆在室外 [ 8 ]。目前傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)通常使用在小區(qū)中間的室外基站與移動(dòng)用戶通信，無論他們?cè)谑覂?nèi)還是室外。對(duì)于室內(nèi)用戶與室外基站通信，信號(hào)必須通過建筑物的墻壁，這會(huì)導(dǎo)致非常高的穿透損耗，大大損害了無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，頻譜效率，以及能量效率。

一種5G蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵理念是單獨(dú)的室外和室內(nèi)場(chǎng)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(tǒng)（DAS）和大規(guī)模MIMO技術(shù)[ 9 ]，在地理上的分布式天線陣列是由部署數(shù)十或數(shù)百個(gè)天線單元構(gòu)成的。雖然目前大多數(shù)的MIMO系統(tǒng)利用兩到四根天線，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的目標(biāo)是在大型天線陣列中開拓出潛在的

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