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5G无线通信网络的蜂窝结构与关键技术
摘要
第四代无线通信系统已部署或即将部署在许多国家。然而，随着无线移动设备和服务的发展，还有一些新4G网络无法解决的问题，如频谱危机和高能耗。无线系统设计人员一直面临着不断增长的需求，高数据速率和移动所需的新的无线应用，因此已经开始研究的第五代通信系统预计在2020年前完成。在这篇文章中，我们提出了一个潜在的蜂窝结构，分离室内和室外的情况，并讨论各种有前途的技术5G的无线通信系统，如大规模MIMO、节能通信、认知无线电网络，和可见光通信。未来面临的挑战，这些潜在的技术进行了讨论。
简介
创新和有效利用信息和通信技术（信息和通信技术）正变得越来越重要，以提高世界经济[ 1 ]。无线通信网络可能是全球信息通信技术战略中最关键的因素，也可能是许多其他行业的支柱产业。它是世界上发展最快、最具活力的行业。欧洲移动台（EMO）报道，移动通信行业在2010年通过航空航天和医药领域有euro;1740亿总收入[ 2 ]。无线技术的发展大大提高了人们的沟通能力和生活在商业运作和社会功能。
无线移动通信的惊人的成功，是通过一个个快速的技术创新。从第二代（2G）移动通信系统首次亮相于1991在2001首次推出的3G系统，无线移动网络已经从一个单纯的电话系统转化为一个网络，可以传送丰富的多媒体内容。4G无线系统的目的是实现高级国际移动通信（IMT-Advanced）要求使用IP的所有服务[ 3 ]。在4G系统中，一种先进的无线接口采用的是正交频分复用（（OFDM），多输入多输出（MIMO），和链路自适应技术。4G无线网络可以支持高达1 GB / s的低流动性的数据速率，如移动/本地无线接入，和高达100 MB / s的高流动性，如移动长期演进（LTE）及其扩展，LTE-Advanced——一个实用的4G系统，最近已经部署或即将部署在全球各地。
然而，每年使用移动宽带系统的用户数量仍有大幅增加。越来越多的人渴望更快的互联网接入在移动，时髦的手机，并且在一般情况下，与他人更快的进行获取信息的即时通讯。更强大的智能手机和笔记本电脑正在变得越来越流行，这也要求先进的多媒体功能。这导致了无线移动设备和服务的爆炸。EMO指出，自2006年开始目前已在移动每年增长百分之92 [ 2 ]。世界无线研究论坛（WWRF）预测，截止2017年7兆的无线设备将有70亿人使用；即，网络连接的无线设备将达到1000次世界人口[ 4 ]的数量。随着越来越多的设备无线上网，许多挑战需要解决的问题。
最重要的挑战之一是无线射频（射频）频谱分配蜂窝通信的物理稀缺性。蜂窝频率使用超高频频段的手机，通常从几百兆赫兹到几千兆赫。这些频率谱已被大量使用，使得运营商难以获得更多的。另一个挑战是部署先进的无线技术是以高能耗为代价的。在无线通信系统中的能源消耗的增加，间接导致二氧化碳排放量的增加，目前被认为是对环境的一个主要威胁。此外，它已被报道，蜂窝运营商的基站能耗（BSS）的贡献在他们的电比尔[ 5 ]百分之70。事实上，节能的通信不在4G无线的初始条件之一系统，但它作为一个问题出现在稍后阶段。其他的挑战是，例如，平均频谱效率，高数据率和高流动性，无缝覆盖，多样化的服务质量（服务质量）的要求，和分散的用户体验（不兼容的不同的无线设备/接口和异构网络），仅举几个。
所有上述问题都给蜂窝服务供应商，他们将面临不断增长的需求越来越高的数据速率，更大的网络容量，更高的频谱效率，更高的能源效率，以及更高的移动性所需的新的无线应用。另一方面，4G网络已经达到理论极限与现有技术的数据速率，因此不足以容纳上述挑战。在这个意义上，我们需要突破性的无线技术来解决无线设备上造成上述问题，研究人员已经开始调查超过4G（b4g）或5G无线技术。中英科学桥项目：（b）4G无线移动通信（http://www.ukchinab4g.uk /）也许是第一个项目开始在世界范围b4g研究，其中一些潜在的b4g技术鉴定。欧洲和中国也发起一些5G项目，如METIS 2020（https://www.metis2020.com）由欧盟和国家863重点项目在中国5G由科技部细齿。西门子诺基亚网络描述了如何在底层无线接入技术可以进一步发展，以支持高达1000倍的流量相比，2010的数据传输[ 6 ]。三星展示了一个无线系统使用毫米波技术的数据传输速率比1国标/秒超过2公里[ 7 ]。
5G网络将在2020年是什么样子的？现在定义任何肯定为时过早。然而，人们普遍认为，相比4G网络，5G网络将实现1000倍的系统容量的，10倍光谱效率、能源效率和数据速率（即10的峰值数据速率为低迁移率和峰值数据速率为1流动性），平均蜂窝吞吐量的25倍，目标是连接整个世界，实现任何人（人）之间的无缝和无处不在的通讯（人对机器、机器、机器），无论他们在哪里，无论何时，无论何时，只要有任何电子设备/服务/网络希望（无论如何）。这意味着5G网络应该能够支持一些特殊的情况下，通过4G网络不支持的通信（例如，高速列车的用户）。高速列车可以轻松达到350到500公里/小时，而4G网络只支持通信的情况下可达250公里/小时。在这篇文章中，我们提出了一个潜在的5G细胞结构和讨论一些有前途的技术，可以部署提供5G的要求。
本文的其余部分组织如下。我们提出了一个潜在的5G蜂窝结构。我们描述了一些有前途的关键
技术可以在5G系统采用了未来挑战。最后得出结论。
一个潜在的5G无线蜂窝结构
针对上述挑战，满足5G系统的要求，我们需要在蜂窝结构的设计一个戏剧性的变化。我们知道，无线用户留在室内的约百分之80的时间，而只有呆在户外的时间[ 8 ]百分之20。通常使用的传统蜂窝结构一个与移动用户通信的小区中的室外基站，不管他们是在室内还是在室外。对于室内用户与室外基站通信，信号必须经过建筑墙壁，这会导致非常高的渗透损失，这大大损害了数据速率，频谱效率和能量无线传输效率。
其中的5G蜂窝结构设计的关键思想是将室外和室内场景，通过渗透损失建筑墙壁可以在某种程度上避免。这将是分布式天线系统（DAS）和辅助大规模MIMO技术[ 9 ]，在地理上分布的天线阵列的数十或数百个天线单元的部署。目前的MIMO系统利用两到四天线，大规模MIMO系统的目标是利用潜在的大容量增益更大的天线阵列将会出现。室外基站将配备有大型天线阵列的天线元件（大天线阵列）在细胞分布，通过光纤连接到BS，受益于DAS和大规模MIMO技术。户外移动用户通常配备的天线元件的数量有限，但它们othert合作形成一个虚拟的大天线阵列，连同天线阵列一起将构造大规模MIMO的虚拟。大型天线阵列也将安装所有建筑物外面户外BSS或BSS分布式天线元素沟通，可能与视线（LOS）组件。大天线阵列有连接到室内的建筑与室内用户的无线接入点的电缆。这肯定会增加基础设施成本在短期内，同时显着提高了细胞的平均吞吐量，频谱效率，能源效率和数据速率的蜂窝系统中的长期运行。
使用这样的细胞结构，为室内用户只需要与室内无线接入点通信（不是户外BSS）大型阵列天线安装在建筑物外面，很多技术可以利用，高数据速率的短距离通信是合适的。一些例子包括WiFi，
毫微微蜂窝基站，超宽带（UWB），毫米波通信（3–300 GHz）[ 7 ]，和可见光通讯（VLC）（400–490 THz）[ 10 ]。值得一提的是，毫米波和VLC技术使用频率较高，不采用传统的蜂窝通信。
这些高频波不穿透固体材料很好，可以很容易地被吸收或散射的气体，雨，和树叶。因此，很难用这些波户外长距离应用。然而，大带宽，毫米波和VLC技术可以大大提高数据传输速率的室内场景。要解决频谱稀缺的问题，除了寻找新的频谱，而不是传统的用于无线服务（例如，毫米波通信和VLC），我们也可以尝试改进现有的无线电频谱，频谱利用率，例如，通过认知无线（铬）网络[ 11 ]。
5G细胞结构也应该是一个异类，与宏蜂窝、微、小细胞，和继电器。为了适应移动性的用户如用户在汽车和高速列车，我们提出了mobilefemtocell（mfemtocell）概念[ 12 ]，这结合移动中继的概念，femtocell.mfemtocells位于车辆与用户沟通车内，而大型天线阵列位于车辆户外BSS沟通。一个mfemtocell及其相关的用户都视为一个单元的BS。从用户的角度来看，一个mfemtocell看成是一个普通的BS。这是非常相似的上述想法的分离室内（车内）和室外场景。它已经在[ 12 ]，用户使用mfemtocells可以减少信令开销享受高速率数据服务所示。上述5G异构蜂窝结构如图1所示。
5G无线技术有发展的关键
在这一部分中，根据上面提出的异构蜂窝结构，我们讨论了一些有前途的关键无线技术，可以使5G无线网络来满足性能要求。发展这些技术的目的是使一个戏剧性的容量增加了5G网络的所有可能的资源高效利用。基于著名的香农理论，系统总容量CSUM可近似表示其中Bi是第i个信道带宽，Pi是第i通道的信号功率和噪声功率，NP表示。图1，它是明确的，系统总容量CSUM是等价的
对所有子信道的总容量和异构网络。增加CSUM，我们可以增加网络覆盖（通过与宏蜂窝，微蜂窝异构网络，小细胞，继电器，mfemtocell [ 12 ]，等等），子信道数（通过大规模MIMO [ 9 ]，空间调制[钐] [ 13 ]，协作MIMO，DAS，干扰管理，带宽等）（通过CR网络[ 11 ]，毫米波通信，VLC [ 10 ]，多标准系统，等），和功率（节能通信）或绿色。在下面，我们重点关注的关键技术。
大规模MIMO
MIMO系统是由多个天线的发射机和接收机。通过添加多个天线，更大程度的自由在无线信道中，可以提供更多的信息数据，以适应无线信道的时间和频率维度。因此，一个显着的性能改善，可以得到的可靠性，频谱效率，和能源效率方面。大规模MIMO系统中，发射器和/或接收器都配备了大量的天线元件（通常是几十甚至几百）。注，发射天线可以合作或分布（即DAS系统）在不同的应用程序。此外，大量的接收天线可以通过一个设备或分布到许多设备。除了继承传统的MIMO系统的好处，大规模MIMO系统可以显著提高频谱效率和能量效率[ 9 ]。此外，在大规模MIMO系统中，噪声和快速衰落消失的影响，及小区内的干扰可以减轻使用简单的线性预编码检测方法。通过合理地利用多用户多输入多输出（MIMO）大规模MIMO系统，介质访问控制（MAC）层的设计可以避免复杂的调度算法[ 14 ]简化。随着MUMIMO，BS可以单独发送信号个人用户使用相同的时频资源，作为第一个亲。因此，这些优点使大规模MIMO系统是5G无线通信网络的一个有希望的候选人。
空间调制
空间调制，由哈斯等人首先提出的，是一个已经提出了MIMO系统的低复杂度实现不降低系统性能的新型MIMO技术[ 13 ]。而不是同时发送多个数据流从可用天线，标准化的数据的一部分，被发送到每个发射天线在天线阵列的空间位置。因此，天线阵列中的第二角色（除了通常的信号星座图）星座图（所谓的空间星座图），它可以用来提高数据速率（空间复用）相对于单天线的无线系统。只有一个发射天线是活跃在任何时间，而其他的天线被闲置。一个块的信息比特被分成两个子块的log2（NB）和log2（M）位，其中铌和m的发射天线和复杂的信号星座图的大小，数量，分别。第一子块从一组发射天线中识别有源天线，而二分块从该有源天线发出的信号星座图中选择符号。因此，SM是一个组合的空间移位键控（SSK）和振幅/相位调制。图2显示了SM的星座图4发射天线（NB = 4）和正交相移键控（QPSK）调制（M = 4）为例。接收器可以采用最佳的最大似然（最大似然）检测，以解码所接收的信号。
空间调制可以减轻传统的MIMO系统的主要的三个问题：信道间干扰，天线间的同步，和多个RF链[ 13 ]。此外，低复杂度的接收器，在小的系统可以设计和配置的任何数量的发射和接收天线，即使是不平衡的MIMO系统。我们必须指出，在SM的复用增益增加对数的数量在增加传输天线，而线性增加，在传统的MIMO系统。因此，低实现复杂度是以牺牲为代价的牺牲一定程度的自由。大多数的研究集中在一个单一的接收器（即，单用户的标准）的情况下。多用户SM可以认为是在5G无线通信系统被认为是一个新的研究方向。
认知无线电网络
CR网络是一个创新的软件无线电技术是提高拥挤的RF频谱[ 9 ]利用的重要技术之一，采用Cr的动机是，无线电频谱的很大一部分是未充分利用大部分时间。在网络中，二次系统可以共享频谱带的许可的主系统，无论是在干扰的基础上，或在干扰宽容的基础[ 9 ]。应注意的是，在无线环境中，应注意到周围的无线环境，并进行相应的传输。在无干扰的网络中，只有当用户不使用频谱资源时，才能允许用户使用频谱资源。一个关键的，使干扰自由铬网络正在搞清楚如何检测的频谱孔（白色空间）的宽带频率谱中扩散。CR接收机首先要监控和分配未使用的频谱，通过频谱感知（或结合地理数据库）并把信息反馈给CR发射机。一个协调机制是需要在多个铬网络，尝试访问相同的频谱，以防止用户在访问匹配的频谱孔时的碰撞。在抗干扰的铬网络中，用户可以使用许可的系统共享频谱资源，同时保持低于阈值的干扰。在无干扰的CR网络相比，耐干扰CR网络可以通过投机共享无线电频谱资源授权用户达到提高频谱利用率，以及更好的光谱和能量效率。然而，它已被证明，铬系统的性能
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