英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
新兴5G网络的十大诫命
··
翻译人：通信1401 殷超越
网上发布：2017年10月30日
copy;Springer Science Business Media，LLC 2017
Navrati Saxena navrati@skku.edu
Mamta Agiwal mamta@skku.edu
Abhishek Roy abhishek.roy@samsung.com
- 韩国水原市成均馆大学电气与计算机工程系。
- 韩国水原成均馆大学软件系。
- 韩国水原市三星电子系统设计实验室。
摘要
有利技术的深入选择可以实现从传统网络到第五代无线通信系统（5G）的平稳过渡。未来的无线网络必须解决连接性，容量和服务的指数增长问题，同时保持能量的持续和成本的降低。因此，智能评估5G演进的关键竞争者至关重要。本文概述了可能影响5G框架的十个基本概念。本文讨论了预期收益的概述。我们讨论了对新频谱的迫切需求，然后讨论了空中接口，体系结构和MAC层协议方面的相关变化。为了缓解多密集5G部署中的访问复杂性，我们对异构云无线接入网络和软件定义网络进行了评论。我们还讨论两种具有高挑战性，非正交性和全双工的颠覆性方法。
关键词：5G；Mm波束形成；H-CRAN；大规模MIMO；认知无线电；SDMA FBMC；非正交SDN；全双工
1引言
自从几十年前的第一代语音系统问世以来，移动无线通信行业已经走过了漫长的道路。前四代在数字调制，有效频率复用，WCDMA，OFDMA，MIMO，HARQ，基于分组互联网的渗透等各种技术方面取得了稳步的发展。智能设备和点播视频的普及正在加强基于IP的第四代无线通信。到2020年，由无线网络处理的IP数据预计将超过500艾字节[1]。智能设备在日常生活中的渗透进一步激发了一系列新颖的多媒体应用，如视频会议，视频流，智能医疗和在线游戏。预计许多不可预见的应用将在2020年实现[1]。研究人员还预测，到2020年，一般移动用户的年下载量将达到1TB左右[2]。此外，大量研究工作集中在车对车通信（V2V），车对一切通信（V2X），增强现实，物联网（IoT），设备到设备（D2D）通信，智能医疗，智能网格，机器对机器（M2M）通信和金融技术（FinTech）。期望传统网络能够满足数据需求和连接性的快速增长将是过于活跃的。尽管如MIMO，HetNets，小小区，协调多点（CoMP）传输和多天线等开发可以提高LTE蜂窝网络的容量和数据速率，但它们不可能长期持续[2，3]。现在有必要调查下一代无线系统，即5G，不仅要满足用户的需求，还要为无线运营商挖掘新的业务机会以增加收入。各种组织，全球着名的无线运营商和供应商已经将他们的资源引入5G无线系统的不同方面。
成功实施5G网络的性能要求远远超出了传统网络所扩展的范围[4]。下一代5G系统有八项主要要求得到了行业和研究机构的认可[1，5，6]。他们被确定为：
1. 1-10 Gbps连接。
2.非常低的延迟（大约1ms的往返行程）。
3.单位面积带宽增加1000倍。
4.大量连接的设备。
5.感知到99.999％的可用性。
6.覆盖率几乎达到100％。
7.网络能源使用减少近90％。
8.高电池寿命，尤其适用于低功耗设备。
作为行业和研究机构之间的共识，向5G时代的过渡不会是4G-LTE的渐进式演进[1,4]。图1总结了各种市场参与者（[7-17]）实现高效5G通信的愿景。
为了满足上述要求，就载波频率，带宽，网络架构和技术而言，范式转变是不可避免的。使用前所未有的天线数量对基站和设备进行极端致密化，为PHY，MAC和网络层提出新的方法[1，4]。根据Ramjee Prasad[18]，5G系统必须集成各种技术，例如RAT，LTE，HSPA等演进版本以满足太比特通信要求。最近，3GPP发布了研究项目的技术报告，描述了5G无线的新无线电（NR）潜在物理层演进[19]。5G通信的NR正在100GHz频带设计[20]。
图1 5G愿景：对工业和研究的洞察力
预计更高的频率将支持更高的数据速率。因此，NR提供通过减轻全球无线通信中的带宽的关键限制来提高数据速率。在文献[19]中，讨论了NR的各个方面，例如物理层信道，波形，调制方案，多址接入方案，基于多天线的波束成形，MIMO，物理层调度等，以满足他们的需求和复杂度评估。NR还定义随机接入前导码格式包括一个/多个随机接入前导码，其中每个前导码由一个前导码序列和循环前缀组成[19]。此外，NR中支持多个随机接入信道（RACH）前导格式。为RACH前导码指定的命理允许不同，并取决于频率范围[19]。
在5G通信中，IoT提供的增强型应用和众多设备将对连接性和多样性构成挑战。预计到2020年全球将部署数十亿个智能实体[21]。由于来自无数设备的大量请求，传统的接入机制将会在无线系统中遭受拥塞和过载，从而降低信道性能[22]。因此，随机接入过程需要重新设计5G无线。它不仅应该支持许多设备，还应该适应基于高频带宽的新颖架构。相关的5G随机接入使能器，如中继，D2D通信，许可协助接入，作为服务的无线接入网络等中讨论的相关内容与IoT演进有关[23]。蓝牙和IEEE802.15.4标准在物联网演进的早期阶段发挥了至关重要的作用[23]。最近，IEEE802.15.4物理层已被IP使能的IETF协议栈考虑。通过为地址分配和路由提供分布式解决方案，它有助于将低功耗无线网络集成到Internet中。与此同时，3GPP一直致力于支持宽带网络上的M2M应用，最终将导致5G系统中的M2M通信[23]。5G被认为是一项适时的技术，可以降低成本，降低能耗并支持众多设备。这些要求是亮点的5G MTC设计，并将在未来几年内成为物联网的组成部分。此外，5G预计将支持具有可变延迟要求的不同服务。尽管某些应用具有延迟容忍性，但关键通信和无人驾驶汽车等服务对延迟敏感。此外，触觉互联网（触手可及的应用程序）的流行正在推动低延迟互联网连接[1]。为了实现低延迟，NR支持长度为一个符号的迷你时隙[19]。
根据文献[18]，降低功耗是未来移动网络的主要挑战之一。传统的网络设计考虑因素是基于高峰负载的。但是，在实际情况下，覆盖范围会随着网络负载的增加而下降。因此，应该设计网络拓扑结构，使得当负载减少时，基站应该能够覆盖更多的区域。此外，这可以促进关闭一些基站。在3GPP版本14中，对于系统级评估假设，在6 GHz以上频率上，城市小区的基站发射功率被视为43 dBm。 UE发射功率在30 GHz时为23dBm，在70 GHz时为21 dBm[19]。发射功率为无线网络提供了自由度，用于管理能量，干扰和连接[19]。在NR中，闭环和开环类型的功率控制都得到了辅助。闭环功率控制取决于网络信令，而开环功率控制则基于路径损耗估计。自从智能手机时代开始以来，管理UE电源一直是一个重大挑战。考虑到预期的进展，如波束成形，高阶调制，高级计算，大规模MIMO [24,25]，UE的功率需求预计会在5G通信中进一步增加。此外，移动游戏，超高清流媒体，视频会议，频繁使用多媒体将增加UE的功率需求。智能手机作为M2M网关的角色也正在讨论各种应用，如医疗保健和智能城市[27]。M2M系统可用于各种应用，如智能家居，智能建筑，智能能源管理和关键基础设施监控[28]。然而，随着功能指数增加，器件的计算能力也增加[29]。因此，在5G网络中的重要功率需求中提高电池寿命。文献[30]中讨论的新兴技术（如雾计算，边缘计算，计算卸载，分布式内容交付等）不仅提供了存储，延迟和计算解决方案，还保证了节能。在文献[31]中提出了一个示范场景，其中实施了可靠的电子医疗健康计划。
通过许多新颖的技术，服务和应用，5G在很多方面与传统网络不同。通过这篇文章，我们提供了实用的指导方针来寻求最高完整性的未来无线网。5G网络的有效设计和实施可以在关键的关键概念。本文随后讨论了“十诫”。MIMO，认知无线电，SDN和CRAN等技术正在获得发展势头。然而，他们逐渐融入5G需要全面的研究。诸如非正交，多载波，全双工和H-CRAN等概念还处于初级阶段，但它们对于平滑的5G过渡是一个值得注意的候选。另一方面，深入理解毫米波信道特性，波束成形和波束训练方法将提高5G部署的成功概率。在本文中，我们将探讨导致新的5G时代的频谱考虑因素，关键要素和即将到来的技术。
本文的其余部分安排如下：第二节说明了向高频毫米波信道进行范式转换的优势。在第三节中，我们讨论新的定向天线概念。它还包括波束形成和波束训练技术的进步。第四节提供了基于5G的无线通信的关于毫米波物理层基础关键的Massive MIMO的评论。随后，我们将在第五节中介绍MAC层中所需的修改。然后，我们来看看第6节中关于5G无线的基于滤波器组的多载波（FBMC）技术。第七节提供了认知无线电（CR）的细节及其在下一代新兴事物中的重要性。 云计算和HetNets的概念，与5G无线高度相关，被集成到H-CRAN中，并在整合到了第八节中。第九节提供了基于软件的网络管理原理SDN的详细信息。第十节主要的研究工作与非正交性和异步性有关。在第十一节中，我们指出全双工（FD）的重要性是一个新的研究问题。最后一节结束了我们的文章。图2描述了我们的论文的组织结构。
2毫米波：适当的带宽
频谱效率，小区大小和带宽是评估无线通信信道容量的关键参数[32]。物理层技术已经接近香农容量[1,3,33]，信元大小逐渐缩小。系统带宽仍然处于被利用状态。地面无线操作主要限于300 MHz至3 GHz频段的相对较小的频率范围，通常称为“甜蜜点”或“海滨频谱”[1,2]。这个频段在各种无线电环境中为更大面积（几千米）的可靠传播提供了便利[2,34]。然而，频谱紧缩已经非常明显，其适应新型5G应用的能力，以及移动流量和连接性的爆炸似乎也值得怀疑[34]。接受高频毫米波段的新挑战似乎是下一代无线通信的明智选择[35]。这种未被使用的频谱范围从3-300 GHz，作为下一代无线网络的关键标准正在引起越来越多的关注[36]。美国联邦通信委员会（FCC）公布了分别针对点对点和无执照无线通信的81-86和59-64 GHz之间的频谱。它开启了相关研究中的大量活动[37]。
图2 十个5G使能技术
在过去的几十年中，毫米波波段已经在几种军事应用，雷达，机场通信和射电天文学中受到欢迎。然而，恶劣的传播特性，如强路径损耗，大气和雨水吸收，障碍物周围的低衍射以及限制穿透物体的穿透阻碍了它们在蜂窝通信中的使用[1]。幸运的是，低功耗CMOS射频技术的发展使小尺寸天线的小型化成为可能[36]。大天线阵列可以获得高增益，同时保持天线孔径恒定，从而稀释路径损耗的频率依赖性。例如，无线吉比特联盟（WiGig）IEEE 802.11ad产品可以在60 GHz左
右使用毫米波频段支持短距离通信的高数据速率[38]。自适应天线阵列投射定向光束导致有限的干扰和高空间自由度[36,39]。而且，如图3所示，由于吸收引起的退化仅在57-64和164-200 GHz的巨大3-300 GHz毫米波频谱上显着。毫米波频率下的可用带宽可以轻松实现比当今所有蜂窝分配的数据速率和容量高数百倍的倍数[34,36]。对毫米波信道建模的进一步研究，概率LOS-NLOS模型的进展以及大量高频毫米波频谱的可用性，为频谱受限的传统无线网络带来了新的机遇[34,36,37]。文献[40]的研究人员针对5G网络的用户收集和群组移动问题，因为他们认为在毫米波频率下工作，每个用户都会有巨大的数据需求。
从上面的讨论中，我们得出结论：毫米波代表了一个关键的5G转换因子。需要进行研究，以最全面的方式整合新频谱。然而，它对需要收发器组件发生根本变化的架构设计产生强烈影响[39]。
3 定向收发器
毫米波的无线电波长更短，可在有限的空间内实现大量的微型天线阵列。通过控制阵列中的天线的幅度和相位角，电磁波可以聚焦在所需的方向创建光束[41]。这种空中接口从全方位向定向传输的转变是通过使用自适应波束形成方法实现的，进一步导致了空分多址（SDMA）[42]的开始。我们将SDMA和其他相关技术的细节推迟到下一节。基于类似的技术，[18]中的作者提出了光束分割多址（BDMA）。在BDMA中，基站为每个用户分配专用波束。下行波束的方向和宽度根据用户的移动速度和位置确定。如果用户处于不同的角度，则会使用多个不同角度的光束同时提供数据。但是，用户在与基站处于相同角度时共享相同的波束。基站在光束数量，光束宽度和光束方向上具有灵活性。这种访问技术增加了系统的容量[18]。
图3 频带为3-300 GHz的毫米波频谱可用性
应用于天线阵列和子阵列的各种配置的有效波束形成算法将波束引向期望的方向。波束赋形是通过指定的应用于模拟或数字前端的波束赋形权重来实现的[43]。数字波束形成的特点是通过调制基带信号在每个RF链上进行系数乘法。该操作在发送器/接收器的快速傅立叶变换（FFT）之前/之后执行。应用模拟波束形成中的波束形成系数来改变时域中的RF信号。模拟波束形成是一种有益且简单的方法，但缺乏灵活性。另一方面，数字波束形成在提高复杂性和费用方面努力提高性能[39]。混合架构，通过在模拟域提供带移相器的尖锐波束以及数字波束成形的灵活性，帮助融合模拟和数字波束成形的优势[39,44]。诺基亚解决方案和网络公司的团队提出了5G无线与MIMO和混合射频波束成形架构之间的通信，旨在削减开支和能源[45]。达拉斯技术实
全文共6865字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[13149]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
