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5G的五个颠覆性的技术方向
Federico Boccardi, Vodafone
Robert W. Heath Jr., University of Texas at Austin
Angel Lozano, Universitat Pompeu Fabra
Thomas L. Marzetta, Bell Labs, Alcatel-Lucent
Petar Popovski, Aalborg University
摘要
新的研究方向将导致未来第五代（5G）蜂窝网络设计的根本变化。本文描述了五种可能颠覆性地改变架构和组成部分设计的技术：以设备为中心的结构体系、毫米波、大规模MIMO、更智能的设备和对机器到机器通信的本机支持。本文描述了每种技术的关键思想，以及它们对5G的潜在影响和目前研究中面临的挑战。
简介
第五代（5G）蜂窝网络即将到来。什么技术能够定义它？5G仅仅是4G的一种演进，还是一项需要人们对原有的蜂窝通信原理进行全面反思、颠覆性的新兴技术？本文主要探讨了潜在的颠覆性技术及其对5G的影响。
我们利用亨德森-克拉克模型[1]将新技术的影响分类如下：
- 在节点和架构级别上都有细微的变化（例如，引入码本和对更多天线的信令支持）。我们称之为设计中的进化。
- 一类网络节点设计中的颠覆性变化（例如，引入新的波形）。我们称之为组件更改。
- 系统架构的颠覆性变化（例如，在现有的节点中引入新的节点类型或者是新的功能），我们称之为架构变化。
- 对节点和架构层面都有影响的颠覆性改变。我们称之为根本性变革。
我们关注颠覆性（组成部分、架构或根本上的）技术，我们相信，5G所需的极高的聚合数据速率和更低的延迟仅凭现状的演变是无法实现的。我们认为以下五种潜在的颠覆性技术可能导致架构和组件设计的改变，如图1所示。
- 以设备为中心的架构：蜂窝系统的以基站为中心的架构可能在5G中发生变化。现在可能需要重新考虑上行链路和下行链路以及控制和数据信道的概念，以便更好地将具有不同优先级和目的的信息流传输到网络中的不同节点集。我们提出了以设备为中心的架构。
- 毫米波（mmWave）：虽然在微波频率下频谱变得稀少，但在毫米波领域却非常丰富。这样的光谱“黄金国”导致了毫米波“淘金热”，不同背景的研究人员正在研究毫米波传播的不同方面。虽然毫米波技术远未被完全理解，但它已经被标准化用于短程业务（IEEE 802.11ad），并被部署用于例如小型蜂窝的回程等商业应用领域。我们讨论了毫米波在5G中更广泛应用的潜力。
- 大规模的MIMO：大规模多输入多输出（MIMO）提出利用非常多的天线在每个时频资源上为多个设备复用消息，将辐射能量聚焦到预定方向，同时最小化区内和区间干扰。大规模MIMO可能需要进行较大的架构更改，特别是在宏观的基站设计中，而且它还可能引导新类型的部署。我们讨论了大规模MIMO。
- 更智能的设备：2G-3G-4G蜂窝网络是在完全控制基础设施方面的设计前提下构建的。我们认为5G系统应该放弃这种设计假设，在协议栈的不同层中利用设备端的智能，例如，允许设备到设备（D2D）连接或利用移动端的智能缓存。虽然这种设计理念主要需要在节点级别进行更改（组件更改），但它也具有架构级别的含义。我们主张使用更智能的设备。
- 本机对机器面向机器（M2M）通信的支持：本机将M2M通信包含在5G中，涉及满足与不同类型的低数据速率服务相关的三个根本不同的需求：支持大量的低速率设备，在几乎所有情况下保持最低的数据速率，以及非常低的延迟数据传输。在5G中解决这些需求需要在组件和架构级别上有新的方法和思想，这是后面一节的重点。
以设备为中心的架构
蜂窝设计历来依赖于“蜂窝”作为无线接入网络中基本单元的中心作用。在这样的设计假设下，设备通过建立下行链路和上行链路连接来获得服务，所述下行链路和上行链路同时承载控制和数据业务，并且基站命令设备所在的小区。在过去的几年里，不同的趋势表明这种以蜂窝为中心的结构被颠覆了：
- 在异构网络的兴起推动下，基站密度迅速增加。虽然异构网络已经在4G中实现了标准化，但该架构并不是为支持它们而设计的。网络的密集化可能需要5G的一些重大变化，例如，巨大的拥有不同发射功率和覆盖区域的基站的部署要求下行链路和上行链路的分离，以允许相应的信息流过不同的节点集。[5]
- 对额外频谱的需求将不可避免地导致在同一系统中具有根本不同的传播特性的频带共存。在这种情况下[6]，提出了将数据和控制平面分离的虚拟单元的概念：控制信息由高功率节点以微波频率发送，而有效载荷数据则由低功率节点以毫米波频率传输。
- 与云无线接入网络概念相关的一个新概念称为集中式基带（centralized baseband）[7]），其中虚拟化导致节点与分配用于处理与该节点相关联的处理的硬件之间的分离。例如，池中的硬件资源可以根据网络运营商定义的指标动态分配给不同的节点。
- 在下文描述的新兴服务类可能需要对架构进行完全的重新定义。当前的工作是研究从集中或部分集中（例如，通过聚合器）到完全分布（例如，通过压缩感知和/或多次反射）的架构设计。
- 协作通信模式，如协作多点（CoMP）或中继，尽管没有达到最初的高度，但仍然是有益的[8]，可能需要重新定义不同节点的功能。例如，在中继方面，无线网络编码的最新发展[9]提出了传输原则，允许恢复与半双工中继相关的一些损失。此外，最近的研究指出，在不远的将来，全双工节点用于短程通信是可行的。
- 使用更智能的设备可能会影响无线接入网络。特别是，D2D和智能缓存都要求重新定义架构，其中重心从网络核心移动到外围（设备、本地无线代理、中继）。
基于这些趋势，我们的设想是以蜂窝单元为中心的架构应该演变成以设备为中心的架构：给定的设备（人或机器）应该能够通过几个可能的异构节点集交换多个信息流来进行通信。换言之，提供到给定设备的连接的网络节点集以及这些节点在特定通信会话中的功能应当针对该特定设备和会话进行定制。在这一愿景下，应重新思考上下行和控制/数据信道的概念（图2）。
尽管对架构进行颠覆性变革的必要性似乎很明显，但仍需要进行庞大的研究工作，将由此产生的愿景转变为合理而现实的提议。革新的历史表明[1]，架构变化往往是主要技术不连续的驱动因素，我们认为上述趋势可能对5G的发展产生重大影响。
毫米波通信
微波蜂窝系统具有宝贵的小频谱：目前只有约600MHz的频率可供运营商划分[10]。有两种方法可以获得更多的微波频谱：
- 重新调整或重构频谱。虽然全世界的陆地电视频谱在农村宽带接入等应用中已经重新进行了调整，但是，重新调整用途并没有释放出那么多的频谱，只有大约80MHz，而且成本很高。
- 利用例如认知无线电技术来共享频谱。一个责任人不完全愿意合作是二级用户频谱效率的主要障碍，最初被寄予厚望的认知无线电技术最终被抑制了。
总之，在微波频率下，将当前蜂窝带宽加倍似乎是最好的情况。在3到300GHz的毫米波频率范围内或许有大量的频谱。其中许多频段似乎很有希望，其中最直接的包括28–30GHz的本地多点分发服务、60GHz的无许可证频段以及71–76GHz、81–86GHz和92–95GHz的E频段。可以预见的是，5G可能会有几千万赫兹的频率，比目前的频率高出一个数量级。毋庸讳言，需要在频谱策略上做一些工作，使这些频带可用于移动蜂窝。
传播并不是一个不可逾越的挑战。最近的测量表明，与微波频率类似的一般特性，包括与距离相关的路径损耗和非视线通信的可能性。微波和毫米波频率之间的一个主要区别是对阻塞的敏感性：例如，在[11]中的结果表明，对于视线传播，路径损耗指数为2，而对于非视线传播，路径损耗指数为4（加上额外的功率损耗）。毫米波蜂窝研究需要在分析中纳入对阻塞和更复杂信道模型的敏感性，还需要研究诸如更高密度基础设施和中继等使能技术的影响。另一个促成因素是控制平面和数据平面之间的分离，前面已经提到过。
天线阵列是毫米波系统的一个关键特性。大阵列可用于保持天线孔径恒定，消除相对于全向天线（当在链路一侧使用时）的路径损耗的频率依赖性，并提供净阵列增益以抵消较大的热噪声带宽（当在链路两侧使用时）。具有窄波束的自适应阵列还减少了干扰的影响，这意味着毫米波系统可以更经常地在噪声限制而不是干扰限制的条件下工作。由于有意义的通信只有在足够的阵列增益下才可能发生，因此需要新的随机接入协议，当发射机只能在特定方向发射，而接收机只能从特定方向接收时，该协议才起作用。当波束被人遮挡或某些设备天线被用户自身身体遮挡时，需要能够快速适应的自适应阵列处理算法。
毫米波系统也有明显的硬件限制。一个主要原因是混合信号元件的高功耗，主要是模数转换器（adc）和数模转换器（dac）。因此，如果没有半导体技术的巨大飞跃，每个天线都连接到高速ADC/DAC的传统微波架构不太可能适用于毫米波。一种替代方案是混合架构，其中波束形成在RF处以模拟方式执行，多组波束形成器连接到少量adc或dac；在这种替代方案中，需要信号处理算法来控制模拟波束形成权重。另一种选择是将每个RF链连接到具有非常低功率要求的1位ADC/DAC；在这种情况下，波束形成将以数字方式执行，但对非常噪声的数据执行。在优化不同的收发器策略、分析其容量、合并多用户功能以及利用诸如稀疏性等信道特性方面，存在着大量的研究挑战。
对于某些模拟设置，图3提供了不同技术之间的数据速率比较，以平均和5%的中断速率表示。与两种不同的微波系统相比，毫米波操作可以提供非常高的速率。由于发射端和接收端的定向波束形成增强了信号功率和减少了干扰，增益超过了10倍的频谱增益。
从上面的讨论，并再次提到亨德森-克拉克模型，我们得出结论，毫米波需要对系统进行彻底的更改，因为它在组件和架构设计中都有很强的影响。因此，我们将毫米波视为5G的潜在颠覆性技术，只要上述问题能够解决，就可能带来无与伦比的数据速率和完全不同的用户体验。
大规模MIMO
大规模MIMO（也称为“大规模MIMO”或“大规模天线系统”）是多用户MIMO的一种形式，其中基站的天线数量远远大于每个信令资源的设备数量[14]。与设备相比，具有更多的基站天线使得信道呈现为不同设备的准正交和非常简单的准时间空间复用/解复用过程。大数定律的有利作用消除了信道中的频率依赖性，并且，总的来说，频谱效率可以获得巨大的提高（图4）。
在亨德森-克拉克框架的背景下，我们认为大规模MIMO对5G具有颠覆性的潜力：
- 在节点级别，它是一种可扩展的技术。这与4G形成对比，4G在许多方面是不可扩展的：因为：
–大型方位定向天线的空间有限。
–传播可以避免的角度扩展；反过来，单用户MIMO受到有限数量的天线的限制，天线可以适合于某些移动设备。
- 相比之下，在大规模MIMO中，基站天线的数量几乎没有限制，前提是采用时分双工来通过上行链路导频实现信道估计。
- 它支持新的部署和架构。虽然可以设想用低增益谐振天线阵列直接替换宏观基站，但也可以进行其他部署，例如摩天大楼正面的共形阵列或农村地区水箱表面的阵列。此外，管理天线的并置阵列的使用的相同的大规模MIMO原理也适用于分布式部署，其中大学校园或整个城市可以覆盖多个分布式天线，这些天线共同服务于多个用户（在此框架中，前面介绍的集中式基带概念是一个重要的架构促成因素）。
虽然非常有前途，但大规模MIMO仍然面临着许多研究挑战。信道估计是关键，也是目前限制的主要来源。用户运动施加有限的相干间隔，在此期间必须获取和利用信道知识，因此可以将有限数量的正交导频序列分配给设备。导频序列的重复使用会导致导频污染和相干干扰，这些干扰会随着天线数量的增加而以与期望信号一样快的速度增长。减轻中试污染是一个积极的研究课题。此外，尽管迄今为止的实验支持信道准正交性的假设，但是对于大规模MIMO传输仍有许多需要学习的地方。从实现的角度来看，大规模MIMO可以通过模块化的低成本低功耗硬件来实现，每个天线半自主地工作，但是仍然需要大量的开发工作来证明此解决方案的成本效益。注意，在本节考虑的微波频率下，adc/dac的成本和能耗明显低于毫米波频率。
从上面的讨论中，我们得出结论，在5G中采用大规模多输入多输出（MIMO）在系统和组件设计方面可能是相对于当今技术水平的一个重大飞跃。为了证明这些重大变化的合理性，大量的MIMO支持者应该通过理论研究、仿真活动和试验台实验，进一步努力解决上述挑战，并展示实际的性能改进。
更智能的设备
早期的蜂窝系统是在基础设施方面完全控制的设计前提下构建的。在本节中，我们将讨论通过让这些设备发挥更积极的作用而释放的一些可能性，然后讨论5G的设计应如何解释设备智能性的提高。我们关注三种不同的技术示例，这些技术可以集成到更智能的设备中：D2D、本地缓存和高级干扰抑制。
D2D
在以语音为中心的系统中，人们习惯性地接受了愿意建立呼叫的双方不会在很近的距离内的前提。在数据时代，这一前提可能不再成立，通常情况下，多个共用设备希望无线共享内容（如数字图片）或交互（如视频游戏或社交网络）。简单地通过网络连接来处理这些通信场景会在不同级别带来严重的低效率：
- 利用多个无线跳越来实现实际只需要一个跳越的功能。这意味着信号资源的多重浪费 以及更高的延迟。
-
发射功率只有一瓦特（在上行链路）和几瓦特（在下行链路）的一小部分，基本
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