5G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)
蜂窩結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)

 一、摘要

第4 代無(wú)線通信系統(tǒng)已經(jīng)部署或即將被部署在許多國(guó)家。然而，隨著無(wú)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(wú)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(wú)線應(yīng)用。因此，
已經(jīng)開始研究第五代無(wú)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(wú)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和可見光通信。還討論了未來(lái)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(lái)越重要。無(wú)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(guò)了航空工業(yè)和制藥業(yè)。無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足高級(jí)國(guó)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(wú)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(wú)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)越受歡迎，它追求先進(jìn)的多媒體功能。這導(dǎo)致了無(wú)線移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)的爆發(fā)。EMO 指出，從 2006 年以來(lái)移動(dòng)寬帶每年以92%的速度增長(zhǎng)。它已被無(wú)線世界研究論壇的預(yù)測(cè)（WWRF）到2017 年時(shí)有 7 萬(wàn)億無(wú)線設(shè)備服務(wù)于 7 億人口；換句話說(shuō)，連接網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線設(shè)備將達(dá)到世界人口的 1000 倍。隨著越來(lái)越多的設(shè)備無(wú)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M(fèi)Hz 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(wú)線技術(shù)的部署是以高能耗為代價(jià) 。在無(wú)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(wú)線系統(tǒng)的初始條件之一，但它是后一階段的問(wèn)題。其他挑戰(zhàn)，例如，平均頻譜效率，高速率和高移動(dòng)性，無(wú)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(wú)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(wèn)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(wú)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(wú)線技術(shù)來(lái)解決由數(shù)萬(wàn)億無(wú)線設(shè)備造成上述問(wèn)題，
研究人員已經(jīng)開始研究超4G（B4G）或5G 無(wú)線技術(shù)。中英科學(xué)的橋梁項(xiàng)目：（B）4G 無(wú)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(guó)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(guó)由科技部支持的國(guó)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(wú)線接入技術(shù)可以進(jìn)一步發(fā)展，以支持在接下來(lái)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(wú)線系統(tǒng)在 2 公里的情況下傳輸速率超過(guò)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(guò)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(wú)縫和無(wú)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(wú)論他們?cè)谀睦铮ㄈ魏蔚胤剑�，無(wú)論他們什么時(shí)候需要（任何時(shí)候），無(wú)論他們想用什么電子設(shè)備/服務(wù)/網(wǎng)絡(luò)（無(wú)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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大容量增益。室外基站將配備有大型天線陣列的天線元件（或大陣列天線）分布在小區(qū)周圍，
通過(guò)光纖連接到 BS，受益于 DAS 和大規(guī)模 MIMO 技術(shù)。室外移動(dòng)用戶通常配備的天線元件的數(shù)量有限，但它們可以相互合作，形成一個(gè)虛擬的大型天線陣列，連同 BS 天線陣列構(gòu)建虛擬大規(guī)模MIMO 鏈路。大型天線陣列也將安裝所有建筑物的外面與室外 BSS 或BSS 分布式天線單元通信，可能與線性的視線（LOS）組件通信。大型天線陣列的電纜連接到建筑物內(nèi)部無(wú)線接入點(diǎn)與室內(nèi)用戶通信。這肯定會(huì)在短期內(nèi)增加基礎(chǔ)設(shè)施成本的同時(shí)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看會(huì)顯著提高小區(qū)的平均吞吐量，頻譜效率，能源效率，和數(shù)據(jù)速率的蜂窩系統(tǒng)。
使用這樣的蜂窩結(jié)構(gòu)，室內(nèi)用戶只需和室內(nèi)無(wú)線接入點(diǎn)通信（不是室外 BSS），與大型陣列天線安裝在建筑物外面，許多適于短距離高數(shù)據(jù)速率通信的技術(shù)可以利用。一些例子包
括WiFi，飛蜂窩，超寬帶（UWB），毫米波通信（3—300GHz）[ 7 ]，和可見光通信（VLC）（400—490THz）[ 10 ]。值得一提的是，毫米波和VLC 技術(shù)使用較高頻率，不采用傳統(tǒng)的蜂窩通信。這些高頻波無(wú)法很好穿透固體材料，可以很容易地被氣體、雨和樹葉吸收或散射。因此，很
難用這些波在室外或長(zhǎng)距離上應(yīng)用。然而，可利用的大帶寬，毫米波和 VLC 技術(shù)可以大大提高室內(nèi)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸速率。為了解決頻譜短缺的問(wèn)題，除了尋找不被傳統(tǒng)的無(wú)線服務(wù)使
用的新的頻譜（例如，毫米波通信和 VLC），我們也可以嘗試改善現(xiàn)有的無(wú)線電頻譜的頻譜利用率，例如，通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電（CR）網(wǎng)絡(luò)[ 11 ]。

5G 蜂窩結(jié)構(gòu)也應(yīng)該是異構(gòu)的，包括宏蜂窩，微蜂窩，小蜂窩，和中繼。為了適應(yīng)高移動(dòng)用戶，如用戶在車輛和高速列車上。我們已經(jīng)提出了移動(dòng)飛蜂窩（MFemtocell）的概念[ 12 ]，它結(jié)合移動(dòng)中繼和飛蜂窩的概念。移動(dòng)飛蜂窩位于車輛內(nèi)部與車輛里的用戶通信，而大型天線陣列位于車輛外部與室外基站通信。一個(gè)移動(dòng)飛蜂窩及其相關(guān)的用戶都是被視為一個(gè)單一
的單位與基站BS 通信。從用戶的角度來(lái)看，一個(gè)移動(dòng)飛蜂窩看成是一個(gè)普通的基站BS。這很相似上述室內(nèi)（車內(nèi)）和室外場(chǎng)景分離的想法。這證明用戶使用移動(dòng)飛蜂窩可以減少信令
開銷享受高數(shù)據(jù)速率服務(wù)。上述5G 異構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

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