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5G无线通信网络的蜂窝结构和关键技术
摘要
第四代无线通信系统已经部署或即将在许多国家部署。 然而，随着无线移动设备和服务的爆炸式增长，即使是4G频段也存在一些难以应对的挑战，如频谱危机和高能耗等。 无线系统设计人员一直面对新无线应用所需的高数据速率和移动性的不断增长的需求，因此已开始研究第五代无线系统，这些系统预计将在2020年后部署。在本文中，我们提出了一种分离室内和室外场景的潜在蜂窝架构，并讨论了用于5G无线通信系统的各种有前途的技术，如大规模MIMO，节能通信，认知无线电网络和可见光通信，还讨论了这些潜在技术面临的未来挑战。
引言
信息通信技术（ICT）的创新和有效利用对于改善世界经济越来越重要[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，是许多其他行业的基础。它是世界上增长最快和最具活力的部门之一。欧洲移动观察站（EMO）报告称，移动通信部门2010年的总收入为1740亿欧元，从而绕开了航空航天和制药部门[2]。无线技术的发展极大地提高了人们在商业运作和社交功能方面的沟通和生活能力。
无线移动通信的巨大成功体现在技术创新的快速发展。从1991年首次推出的第二代（2G）移动通信系统到2001年首次推出的3G系统，无线移动网络已从纯电话系统转变为可传输丰富多媒体内容的网络。4G无线系统旨在满足国际移动通信高级（IMT-A）对所有服务使用IP的要求[3]。在4G系统中，先进的无线电接口与正交频分复用（OFDM），多输入多输出（MIMO）和链路自适应技术一起使用。4G无线网络可支持高移动性（例如游牧/本地无线接入）的高达1 Gb / s的数据速率，以及高移动性（例如移动接入）的高达100 Mb / s的数据速率。长期演进（LTE）及其作为实用的4G系统，LTE-Advanced系统最近已经部署或很快将部署在全球各地。
但是，每年订阅移动宽带系统的用户数量仍然大幅增加。越来越多的人渴望移动中的互联网访问速度更快，移动设备越来越流行，并且通常能够与他人即时交流或获取信息。越来越强大的智能手机和笔记本电脑变得越来越流行，需要先进的多媒体功能。这导致了无线移动设备和服务的爆炸式增长。 EMO指出，自2006年以来，移动宽带每年增长92％[2]。 无线世界研究论坛（WWRF）预测，到2017年，7万亿无线设备将服务70亿人; 也就是说，网络连接的无线设备数量将达到全球人口的1000倍[4]。随着越来越多的设备进入无线网络，我们需要解决许多研究难题。
最关键的挑战之一是分配给蜂窝通信的射频（RF）频谱的物理稀缺性。蜂窝频率使用蜂窝电话的超高频带，通常从几百兆赫到几千兆赫不等。这些频谱被大量使用，使运营商难以获得更多。另一个挑战是先进无线技术的部署以高能耗为代价。无线通信系统能耗的增加导致间接增加二氧化碳排放量，目前这被认为是对环境的主要威胁。此外，据蜂窝运营商报道，基站（BS）的能源消耗占其电费的70％以上[5]。事实上，节能通信不是4G无线系统的最初要求之一，但它在后期阶段成为问题。还有其他挑战，例如，平均频谱效率，高数据速率和高移动性，无缝覆盖，不同服务质量（QoS）要求以及零散的用户体验（不同无线设备/接口和异构网络的不兼容性）一些。
所有上述问题都给蜂窝服务提供商带来了更大的压力，蜂窝服务提供商面临着对更高数据速率，更大网络容量，更高频谱效率，更高能效以及新无线应用所需更高移动性的持续增长的需求。另一方面，4G网络刚刚达到了数据速率的理论限制，因此不足以应对上述挑战。从这个意义上讲，我们需要突破性的无线技术来解决上述由无线设备造成的上述问题，并且研究人员已经开始研究超越4G（B4G）或5G无线技术。该项目中英科学桥：（B）4G无线移动通信（http://www.ukchinab4g.ac.uk/）可能是世界上开始B4G研究的首批项目之一，其中一些潜在的B4G技术是鉴定。欧洲和中国也启动了一些5G项目，如由欧盟支持的METIS 242020（https://www.metis2020.com/）和由科技部（MOST）在中国支持的5G国家863重点项目。诺基亚西门子通信描述了底层无线接入技术如何进一步发展，以支持未来10年与2010年旅行水平相比高达1000倍的流量[6]。三星公司展示了一种使用毫米（mm）波技术的无线系统，其数据传输速率超过2公里[1]时的1 Gb / s [7]。
5G网络预计将在2020年左右标准化，看起来会是什么样子？现在确定这一点还为时过早。然而，人们普遍认为，与4G网络相比，5G网络应该实现系统容量的1000倍，频谱效率，能量效率和数据速率的10倍（即，低移动性的10Gb / s的峰值数据速率和峰值数据速率为1 Gb / s高迁移率），以及平均小区吞吐量的25倍。其目标是连接整个世界，并实现任何人（人与人），任何事物（人们对机器，机器对机器），无论他们在何处（任何地方），随时随地（任何时间），无论何时电子设备/服务/网络（无论如何）。这意味着5G网络应该能够支持4G网络不支持的一些特殊场景（例如高速火车用户）的通信。高速列车可以轻松达到350至500公里/小时，而4G网络只能支持高达250公里/小时的通信情况。在本文中，我们提出了一种潜在的5G蜂窝架构，并讨论了可以部署来满足5G要求的一些有前途的技术。本文的其余部分组织如下。我们提出了一个潜在的5G蜂窝架构。我们描述了可以在5G系统中采用的一些有前景的关键技术。突出显示了未来的挑战。最后，得出结论。
一个潜在的5G无线蜂窝体系结构
为了应对上述挑战并满足5G系统要求，我们需要对蜂窝架构设计进行重大改变。 我们知道无线用户在室内停留的时间约为80％，而只有20％的时间停留在室内[8]。 目前的传统蜂窝结构通常在与移动用户通信的小区中间使用室外BS，无论他们是留在室内还是室外。 对于与室外BS进行通信的室内用户，信号必须穿过建筑物墙壁，这会导致非常高的穿透损耗，这显着地损害了无线传输的数据速率，频谱效率和能量效率。
设计5G蜂窝体系结构的关键思想之一是将室外和室内场景分开，以避免通过建筑物墙壁的渗透损失。这将得到分布式天线系统（DAS）和大规模MIMO技术的支持[9]，其中部署了具有数十个或数百个天线元件的地理上分布的天线阵列。虽然大多数当前的MIMO系统使用2到4个天线，但是大规模MIMO系统将利用大型天线阵列中可能出现的大容量增益。室外BS将配备大型天线阵列，其中一些天线元件（也是大型天线阵列）分布在小区周围，并通过光纤连接到BS，受益于DAS和大量MIMO技术。户外移动用户通常配备有限数量的天线元件，但他们可以相互协作形成一个虚拟的大型天线阵列，与基站天线阵列一起构成虚拟的大规模MIMO链路。大型天线阵列也将安装在每个建筑物的外面，以与BS的室外BS或分布式天线元件进行通信，可能具有视线（LoS）组件。大型天线阵列将电缆连接到与室内用户通信的建筑物内的无线接入点。这将在短期内增加基础设施成本，同时显着改善长期的蜂窝系统的小区平均吞吐量，频谱效率，能量效率和数据速率。
使用这样的蜂窝架构，由于室内用户只需要与安装在建筑物外部的大型天线阵列的室内无线接入点（不是室外BS）进行通信，就可以使用许多适用于高数据速率的短距离通信的技术。一些例子包括WiFi，毫微微蜂窝，超宽带（UWB），毫米波通信（3-300GHz）[7]和可见光通信（VLC）（400-490THz）[10]。值得一提的是，毫米波和VLC技术使用传统上用于蜂窝通信的较高频率。这些高频波不能很好地穿透固体材料，很容易被气体，雨水和树叶吸收或散射。因此，很难将这些波用于户外和长距离应用。然而，在宽带宽可用的情况下，mmwave和VLC技术可以大大提高室内场景的传输数据速率。为了解决频谱稀缺问题，除了寻找传统用于无线业务的新频谱（例如毫米波通信和VLC）之外，我们还可以尝试通过认知无线电（CR）来提高现有无线电频谱的频谱利用率（CR ）网络[11]。
5G蜂窝架构也应该是一个异构的架构，包括宏蜂窝，微蜂窝，小蜂窝和中继。 为了适应车辆和高速列车等用户的高移动性用户，我们提出了移动毫微微蜂窝（MFemtocell）概念[12]，它结合了移动中继和毫微微蜂窝的概念。 MFemtocell位于车辆内部，与车内用户进行通信，而大型天线阵列位于车外，与室外BS进行通信.Memtocell及其相关用户均视为BS的单个设备。 从用户的角度来看，MFemtocell被视为常规BS。 这与上述将室内（车内）和室外场景分开的想法非常类似。 在文献[12]中已经表明，使用MFemtocell的用户可以享受高数据速率的服务，同时减少信令开销。 上述提出的5G异构蜂窝结构如图1所示。
提供关键的5G无线技术
在本节中，基于上述提出的异构蜂窝架构，我们讨论了一些有前途的关键无线技术，可以使5G无线网络满足性能要求。 开发这些技术的目的是通过有效利用所有可能的资源，实现5G网络的显着增容。基于众所周知的香农理论，系统总容量Csum可近似表示为
其中Bi是第i个信道的带宽，Pi是第i个信道的信号功率，Np表示噪声功率。从方程 1，很显然，总系统容量Csum相当于所有子信道和异构网络的总容量。 为了增加Csum，我们可以增加网络覆盖（通过具有宏小区，微小区，小小区，中继，MFemtocell等的异构网络），子信道数量（通过大规模MIMO [9]，空间调制[SM] [ 13]，协作MIMO，DAS，干扰管理等），带宽（通过CR网络[11]，毫米波通信，VLC [10]，多标准系统等）和功率（节能或 绿色通信）。 接下来，我们关注一些关键技术。
大规模MIMO
MIMO系统由发射器和接收器上的多个天线组成。通过增加多个天线，可以提供无线信道中的更大自由度（除了时间和频率尺寸）以容纳更多信息数据。因此，就可靠性，频谱效率和能量效率而言，可以获得显着的性能改进。在大规模MIMO系统中，发射机和/或接收机配备有大量天线元件（通常为数十或甚至数百个）。注意，发射天线可以在不同的应用中共处或分布（即，DAS系统）。而且，巨大数量的接收天线可以由一个设备拥有或分配给许多设备。除了继承传统MIMO系统的优势之外，大规模MIMO系统还可以显着提高频谱效率和能效[9]。此外，在大规模MIMO系统中，噪声和快速衰落消失的影响以及使用简单的线性预编码和检测方法可以缓解小区内干扰。通过在大规模MIMO系统中正确使用多用户MIMO（MU-MIMO），媒体接入控制（MAC）可以通过避免复杂的调度算法来简化多层设计[14]。使用MUMIMO，BS可以使用相同的时间频率资源向第一位专业用户发送单独的信号。因此，这些主要优势使得大规模MIMO系统成为5G无线通信网络的有希望的候选者。
空间调制
Haas等人首先提出的空间调制是一种新颖的MIMO技术，已经被提出用于MIMO系统的低复杂度实现而不降低系统性能[13]。 SM不是同时从可用天线发送多个数据流，而是将要发送的数据的一部分编码到天线阵列中每个发送天线的空间位置上。因此，天线阵列起第二个（除了通常的信号星座图）星座图（所谓的空间星座图）的作用，其可以用于增加关于单个的数据速率（空间复用）天线无线系统。任何时候只有一个发射天线处于激活状态，而其他天线则处于空闲状态。信息比特块被分成log2（NB）和log2（M）比特的两个子块，其中NB和M分别是发送天线的数量和复信号星座图的大小。第一子块从一组发射天线中识别有源天线，而第二子块从信号星座图中选择将从该有源天线发送的码元。因此，SM是空间移位键控（SSK）和幅度/相位调制的组合。图2显示了以4个发射天线（NB = 4）和正交相移键控（QPSK）调制（M = 4）为例的SM星座图。接收机然后可以采用最佳最大似然（ML）检测来解码接收到的信号。
空间调制可以减轻传统MIMO系统中的三个主要问题：信道间干扰，天线间同步和多个RF链[13]。而且，SM系统中的低复杂度接收机可以设计和配置为任意数量的发射和接收天线，即使是不平衡MIMO系统。我们必须指出，随着发射天线数量的增加，SM中的复用增益以对数形式增加，而在传统MIMO系统中其线性增加。因此，实现复杂度较低的代价是牺牲了一些自由度。大多数关于SM的研究都集中在单个接收者（即单用户SM）的情况。多用户SM可以被认为是5G无线通信系统中需要考虑的一个新的研究方向。
认知无线电网络
CR网络是一种创新的软件定义无线电技术，被认为是提高拥塞RF频谱利用率的有前景的技术之一[9]。采用CR的动机是大部分无线电频谱未充分利用大部分时间。在CR网络中，二次系统可以在无干扰的基础上或在抗干扰的基础上与许可的主系统共享频谱带[9]。CR网络应该了解周围的无线电环境并相应地调整其传输。在无干扰的CR网络中，CR用户只有在获得许可的用户不使用时才允许借用频谱资源。实现无干扰CR网络的关键是弄清楚如何检测在宽带频谱中传播的频谱空洞（白色空间）。CR接收机应首先通过频谱感测（或结合地理定位数据库）监测和分配未使用的频谱，并将这些信息反馈给CR发射机。多个CR网络需要协调机制来尝试访问相同的频谱，以防止用户在访问匹配的频谱空洞时发生碰撞。在抗干扰的CR网络中，CR用户可以与授权系统共享频谱资源，同时保持干扰低于阈值。与无干扰CR网络相比，耐干扰CR网络可以实现
通过与授权用户机会共享无线电频谱资源来提高频谱利用率，以及更好的频谱和能源效率。但是，已经表明，CR系统的性能可以对许可系统的用户密度，干扰阈值和传输行为的任何细微变化非常敏感。这一事实如图3所示，其中我们注意到随着主接收机数量的增加，频谱效率迅速下降。然而，频谱效率可以通过放宽主系统的干扰门限或仅考虑距离次BS较近的CR用户来改善。在[15]中，混合CR网络已经被提出用于蜂窝网络以探索更多频带并扩展容量。
移动飞蜂窝
移动飞蜂窝是最近被提出成为下一代智能交通系统潜在候选技术的新概念[12]。它将移动中继概念（移动网络）与femtocell技术相结
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