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

1、5G 無線通信系統(tǒng)：前景和挑戰(zhàn)5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)蜂窩結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)演講人：藍(lán)之遠(yuǎn)小組成員：藍(lán)之遠(yuǎn)、孔勝、黃棟、劉威陽、劉冰、徐迪、徐明月、趙曉通2022年 10月目錄一、摘要 1二、介紹 1三、一個潛在的 5G 無線蜂窩結(jié)構(gòu) 2四、有前途的關(guān)鍵 5G無線技術(shù)31. 大規(guī)模 MIMO 42. 空間調(diào)制 SM 43. 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò) 54. 移動飛蜂窩移動超小型化移動基站 65. 可見光通信 76. 綠色通信 8五、5G無線通信網(wǎng)絡(luò)中未來的挑戰(zhàn) 81. 優(yōu)化性能指標(biāo) 82. 5G無線系統(tǒng)的實(shí)際信道模型 83. 降低大規(guī)模 MIMO 信號處理的復(fù)雜度 94. CR網(wǎng)絡(luò)的干擾管理9六、結(jié)論、摘要第

2、 4 代無線通信系統(tǒng)已經(jīng)部署或即將被部署在許多國家。 然而，隨著無線移動設(shè)備和服 務(wù)爆炸式的開展，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。 無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著不斷增長的高數(shù)據(jù)率和移動性要求的需求的新的無線應(yīng)用。因此， 已經(jīng)開始研究第五代無線系統(tǒng)，預(yù)計(jì)將在 2022 年部署。在本文中，我們提出一個潛在的蜂 窩體系結(jié)構(gòu)，分室內(nèi)場景和室外場景，并討論 5G無線通信系統(tǒng)各種有前途的技術(shù)，比方， 大規(guī)模MIMO，節(jié)能高效通信，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)和可見光通信。還討論了未來面對這些潛在 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)中變得越來越重要。無線

3、 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。它是世界上開展 最快、最具活力的行業(yè)之一。 歐洲移動天文臺 報(bào)道稱：移動通信業(yè)在 2022 年有總計(jì) 1740億 歐元收入。一舉超過了航空工業(yè)和制藥業(yè)。無線技術(shù)的開展大大提高了人們的溝通能力、在 商業(yè)活動和社交活動中的生活。無線移動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，無線移動系統(tǒng)從一個單純的系統(tǒng)已經(jīng)變換成一個能傳輸豐富多媒體內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)。4G無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足高級國際移動通信IMT-A 的需求，利用IP協(xié)議提供所有效勞。在4G系統(tǒng)，采用一種高級

4、無線電接口，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無線網(wǎng)絡(luò)可以 支持在低速移動中1 Gb/s速率，例如漫游/本地?zé)o線接入；在高速移動中最高 100Mb/s，例 如移動接入。長期演進(jìn)LTE和它的延伸，先進(jìn)的長期演進(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。 越來越多的人渴望更 快的移動互聯(lián)網(wǎng)接入效勞，時(shí)尚的 ，總的來說，與他人或獲取信息的即時(shí)通信。當(dāng)今更 強(qiáng)大的智能 和便攜式電腦越來越受歡送，它追求先進(jìn)的多媒體功能。這導(dǎo)致了無線移動 設(shè)備和效勞的爆發(fā)。 EMO 指出， 從 2006

5、年以來移動寬帶每年以 92%的速度增長。它已被無 線世界研究論壇的預(yù)測WWRF丨到2022年時(shí)有7萬億無線設(shè)備效勞于7億人口；換句話 說，連接網(wǎng)絡(luò)的無線設(shè)備將到達(dá)世界人口的 1000倍。隨著越來越多的設(shè)備無線上網(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，通常范圍從幾百 MHz到幾GHz。這些頻譜大量被使用，使運(yùn)營商獲得更多的頻譜很困難。另一個挑戰(zhàn)是，先進(jìn)的無線技術(shù)的部署是以高能耗為代價(jià) 。在無線 通信系統(tǒng)中的能量消耗的增加會間接的導(dǎo)致二氧化碳排放增加， 目前被認(rèn)為是對環(huán)境的一大 威脅。此外，它已被報(bào)道，蜂窩運(yùn)營商基站

6、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無線系統(tǒng)的初始條件之一，但它是后一階段的問題。其他挑戰(zhàn)，例 如，平均頻譜效率，高速率和高移動性，無縫覆蓋，不同的效勞質(zhì)量QoS要求，和分散的用戶體驗(yàn)不同的無線設(shè)備 /接口和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不兼容性 ，僅舉幾例。所有上述問題給蜂窩效勞供給商施加更多壓力， 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，高流動性的新的無線應(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)到達(dá)理論極限，因此缺乏以容納上 述挑戰(zhàn)。在這個意義上，我們需要突破性的無線技術(shù)來解決由數(shù)萬億無線設(shè)備造成上述問題，

7、 研究人員已經(jīng)開始研究超4G B4G或5G無線技術(shù)。中英科學(xué)的橋梁工程：B4G無線移 動通信：ukch in /或許是世界上第一個開始研究 B4G的工程，其中一些潛在的B4G技術(shù)被鑒定。歐洲和中國也開始了一些 5G工程，如由歐盟支持的METIS 2022 工程，和在中國由科技部支持的國家 863重點(diǎn)工程在5G。諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)描述了潛在的 無線接入技術(shù)可以進(jìn)一步開展，以支持在接下來的 10 年與 2022 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)無線系統(tǒng)在2公里的情況下傳輸速率超 過 1 GB / s 7 。5G網(wǎng)絡(luò)將是什么，預(yù)期2022年左右使其標(biāo)準(zhǔn)化，是什

8、么樣子的？現(xiàn)在定義為時(shí)過早。 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)到達(dá)1000倍，10倍的頻譜效率， 能源效率和數(shù)據(jù)速率即，在低速移動下峰值速率為10 GB / s和在高速移動下峰值速率為1GB / s，和25倍的平均小區(qū)吞吐量。目的是連接整個世界，實(shí)現(xiàn)無縫和無處不在的通信， 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 ，無論他們在哪里任何地 方，無論他們什么時(shí)候需要任何時(shí)候 ，無論他們想用什么電子設(shè)備 /效勞/網(wǎng)絡(luò)無論如 何。這意味著， 5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠支持一些特殊場景的通信， 4G 網(wǎng)絡(luò)不支持例如，高速 列車的用戶。高速列車可以到達(dá)350到500公里/小時(shí)，而

9、4G網(wǎng)絡(luò)只能支持的通信場景為 250公里/小時(shí)。在這篇文章中，我們提出了一個潛在的 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。本文的其余局部安排如下：我們提出了一個潛在的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。未來的挑戰(zhàn)也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了。最后，得出結(jié)論。三、一個潛在的5G無線蜂窩結(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)中有一個引人注 目的變化。我們知道，無線用戶大約 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用戶通信， 無論他們在室內(nèi)還是 室外。

10、對于室內(nèi)用戶與室外基站通信，信號必須通過建筑物的墻壁，這會導(dǎo)致非常高的穿透 損耗，大大損害了無線傳輸?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)場景，以便用這種方式防止通過 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， 通過光纖連接到BS受益于DAS和大規(guī)模MIM

11、O技術(shù)。室外移動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) 部無線接入點(diǎn)與室內(nèi)用戶通信。 這肯定會在短期內(nèi)增加根底設(shè)施本錢的同時(shí)， 從長遠(yuǎn)來看會 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

12、括WiFi,飛蜂窩，超寬帶UWB毫米波通信3300GH刃7,和可見光通信VLC3400 490THz10 。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題，除了尋找不被傳統(tǒng)的無線效勞使 用的新的頻譜例如，毫米波通信和VLC3,我們也可以嘗試改善現(xiàn)有的無線電頻譜的頻譜利用率，例如，通過認(rèn)知無線電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

13、窩，和中繼。為了適應(yīng)高移 動用戶，如用戶在車輛和高速列車上。我們已經(jīng)提出了移動飛蜂窩MFemtocell的概念12 ， 它結(jié)合移動中繼和飛蜂窩的概念。 移動飛蜂窩位于車輛內(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。一個移動飛蜂窩及其相關(guān)的用戶都是被視為一個單一 的單位與基站BS通信。從用戶的角度來看，一個移動飛蜂窩看成是一個普通的基站BS這很相似上述室內(nèi)車內(nèi)和室外場景別離的想法。這證明用戶使用移動飛蜂窩可以減少信令 開銷享受高數(shù)據(jù)速率效勞。上述 5G異構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1 一種5G異構(gòu)無線蜂窩結(jié)構(gòu)四、有前途的關(guān)鍵5G無線技術(shù)在這一局部中，基于前面提出的異構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)

14、，我們討論了一些有前途的關(guān)鍵無線技術(shù)， 可以使5G無線網(wǎng)絡(luò)來滿足性能要求。開展這些技術(shù)的目的是使容量急劇增加，在5G網(wǎng)絡(luò)中有效利用所有可能的資源?；谥南戕r(nóng)理論，系統(tǒng)總?cè)萘康腃Sum近似表達(dá)式為：PiCsumBi log2 1iHetNets ChannesN p式中，Bi是第i個信道的帶寬，Pi是第i個信道的信號功率和Np表示的是噪聲功率。公 式1明確系統(tǒng)總?cè)萘康腃sum等于所有子信道的和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)容量的總和。為了增加CSUM我們可以增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍如宏蜂窩，微蜂窩，小蜂窩，中繼，移動飛蜂窩12等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，子信道的數(shù)量如大規(guī)模 MIMO 9 ，空間調(diào)制SM 13 ，協(xié)作式MIMO，分布式

15、天 線系統(tǒng)DAS干擾管理等，帶寬如認(rèn)知無線電CR網(wǎng)絡(luò)11，毫米波通信，可見光通信 VLC 10 多重標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)等，和功率能量效率或綠色通信。在下面，我們重點(diǎn)關(guān)注的一 些關(guān)鍵技術(shù)。1. 大規(guī)模MIMOMIMO系統(tǒng)是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都有多個天線組成。通過增加多個天線，在無線信道中 一個更大的自由度除了時(shí)間和頻率維度外能夠容納更多的信息數(shù)據(jù)。因此，在可靠性、 頻譜效率、能源效率方面性能可以獲得一個顯著的改善。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)或接收機(jī)都配備了大量的天線元件一般為幾十或甚至數(shù)百個。請注意，發(fā)射天線根據(jù)不同的應(yīng)用可以是集中或分布式即，一個分布式天線系統(tǒng)DAS。同時(shí)，龐大的接收天線可以附在一個設(shè)

16、備或分布到許多設(shè)備。 除了繼承傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)的好處外，一個大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)可以顯著提高頻譜效率和能量效率9 。此外，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，噪聲和快速衰 落消失的影響和小區(qū)內(nèi)的干擾可以使用簡單的線性預(yù)編碼和檢測方法來減輕。在大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)中，通過合理地利用多用戶 MIMOMU-MIMO丨技術(shù)，通過防止復(fù)雜的調(diào)度算法 來簡化介質(zhì)訪問控制MAC層的設(shè)計(jì)14 。就MUMIMO技術(shù)來說，最早提出基站BS可以 發(fā)送別離的信號給使用相同時(shí)間和頻率資源的個人用戶。因此，這些優(yōu)點(diǎn)使大規(guī)模MIMO系統(tǒng)成為5G無線通信網(wǎng)絡(luò)中一種很有前途的候選者。2. 空間調(diào)制SM空間調(diào)制，最初哈斯等人提出的，是一個

17、新穎的MIMO技術(shù)，已經(jīng)在低復(fù)雜設(shè)備的MIMO系統(tǒng)被提出，不降低系統(tǒng)性能的 13 。代替了從可用天線同時(shí)發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，空 間調(diào)制SM把局部的數(shù)據(jù)編碼傳送到天線陣的每個發(fā)射天線的空間位置。因此，天線陣列中的第二次除了通常的信號星座圖星座圖所謂的空間星座圖，它可以用來提高數(shù)據(jù)速 率空間復(fù)用相對于單天線無線系統(tǒng)。在任何時(shí)間只有一個發(fā)射天線是激活的，而其他的 天線是空閑的。一節(jié)的信息比特被分成兩個子節(jié)log2NB的log2M丨位，其中，NB和M分別是發(fā)射天線的數(shù)量和復(fù)雜信號星座圖的大小。 第一子節(jié)從一組發(fā)射天線中識別出激活 的天線，而第二子節(jié)是將信號星座圖選擇符號從激活的天線發(fā)送。因此，SM是一個組

18、合的空間移鍵控SSK和振幅/相位調(diào)制。圖2顯示了以4個發(fā)射天線NB = 4和正交相移鍵 控QPSK調(diào)制M = 4為例的SM星座圖。接收機(jī)可以采用最正確最大似然 ML檢測， 譯碼接收的信號?？臻g調(diào)制可以減輕在傳統(tǒng) MIMO系統(tǒng)中三大問題：信道間干擾，天線間的同步，和多個 RF鏈13 。此外，在空間調(diào)制SM系統(tǒng)中，可以設(shè)計(jì)低復(fù)雜度接收機(jī)，并配置任何數(shù)量的發(fā) 射和接收天線，即使不平衡 MIMO系統(tǒng)。我們必須指出，隨著發(fā)送天線數(shù)量的增加 SM復(fù)用 增益成對數(shù)增加，而與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)成線性增加。因此，實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度設(shè)備是在犧牲一定的自由度為代價(jià)。大多數(shù)研究 SM集中在一個單一的接收器的情況下即，單用戶

19、 SM 多用戶SM可以看作是在5G無線通信系統(tǒng)被認(rèn)為是一個新的研究方向。Imi1 t(OO)丄+ fcb Siyndllf&r lheirst tfjniffl.ni dnteflnjiuokid10(100(11)11舁c D<n-stdLati&r!stdldiian for thed- lu : lIUTIlh !ld圖2 采用四個發(fā)射天線NB = 4丨和QPSK調(diào)制的SM星座圖3. 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)CR網(wǎng)絡(luò)是一個創(chuàng)新的軟件定義的無線電技術(shù)，被認(rèn)為是有前途的技術(shù)之一，可有效的 提高擁擠的RF頻譜9 利用率。采用CR的根據(jù)是大局部時(shí)間很大一局部無線電頻譜未被充 分使用。

20、在CR網(wǎng)絡(luò)中，次系統(tǒng)能夠與授權(quán)系統(tǒng)共享頻段，可以在一個無干擾的根底上或在 干擾容忍根底上9 o CR網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該意識到周圍的無線環(huán)境和調(diào)節(jié)其相應(yīng)傳輸。在無干擾的CR中，CR用戶允許借用頻譜資源，當(dāng)授權(quán)的用戶不使用它們。使無干擾的CR網(wǎng)絡(luò)成為可能的一個關(guān)鍵是找出如何檢測出分布在寬帶頻譜的頻譜空洞白色空間。CR接收機(jī)首先應(yīng)該通過頻譜感知或 結(jié)合地理定位數(shù)據(jù)庫丨監(jiān)控和分配未使用的頻譜，并把信息反響給 CR發(fā)射 機(jī)。在多個CR網(wǎng)絡(luò)嘗試接入相同的頻譜時(shí)，需要協(xié)調(diào)機(jī)制防止用戶接入匹配的頻譜空穴發(fā) 生碰撞。在干擾容忍CR網(wǎng)絡(luò)中，在干擾保持低于閾值臨界值期間， CR用戶可以與授權(quán) 系統(tǒng)共享頻譜資源。與無干擾的CR

21、網(wǎng)絡(luò)相比，干擾容忍CR網(wǎng)絡(luò)通過適當(dāng)時(shí)機(jī)共享授權(quán)用戶 無線電頻譜資源，可以到達(dá)提高頻譜利用率，以及更好的頻譜和能源效率。然而，它已經(jīng)說 明，CR系統(tǒng)的性能對于在用戶密度、干擾閾值和授權(quán)系統(tǒng)的傳輸性能的任何輕微變化非常 敏感。這一事實(shí)，如圖3所示，我們注意到，在主接收器的數(shù)量增加的頻譜效率迅速降低。 然而，頻譜效率可以通過放松的主系統(tǒng)的干擾閾值或只考慮 CR用戶誰到第二BS距離短得到 提高改善。在15 ，混合CR網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)被提出，并在蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用，目的是探索另外的頻 帶和擴(kuò)大容量。、幣 口1的曲 results- 色tm icaI&E:srJ -El*.01Q0200300400500Nu

22、mber af prirnwy receivers圖3關(guān)于取不同干擾閾值Q次接收機(jī)數(shù)量為20時(shí)，CR網(wǎng)絡(luò)平均系統(tǒng)頻譜效率作為主接收器數(shù)量為函數(shù)的圖示4. 移動飛蜂窩移動超小型化移動基站移動飛蜂窩MFemtocell是一個新的概念，最近已經(jīng)提出作為一個潛在的候選技術(shù)在下 一代智能運(yùn)輸系統(tǒng)12 。它結(jié)合了移動中繼的概念移動網(wǎng)絡(luò)與飛蜂窩技術(shù)。一個 MFemtocell是一個小的基站，可以四處移動和動態(tài)變化，與運(yùn)營商的核心網(wǎng)絡(luò)連接。它可以 部署在公交車、火車、甚至私人汽車上，提高車內(nèi)用戶的效勞質(zhì)量。部署MFemtocell可能有益于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。首先，MFemtocell可以提高整個網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。為了證

23、明這一事實(shí)， 圖 4比較了直接傳輸方案的平均頻譜效率和 MFemtocell增強(qiáng)方案兩種資源劃分方案即，正交 和非正交資源劃分方案作為一種與 MFemtocell連接的用戶比例的函數(shù)。同時(shí)，比較了最 大信噪比之間的MAX-SNR丨和比例公平PF調(diào)度算法。我們可以看到，通過增加 MFemtocell與BS通信的用戶比例導(dǎo)致頻譜效率的增加，這比用戶直接與BS通信好得多即， 直接傳輸方案。第二，MFemtocell可以促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)信令開銷的減少。例如，一個 MFemtocell 可以對所有與之相關(guān)聯(lián)的代表用戶執(zhí)行切換，從而減少在MFemtocell內(nèi)用戶切換活動。這使得MFemtocell部署適合高速移

24、動環(huán)境下。此外，在 MFemtocell內(nèi)由于相對較短的通信范 圍和較低的信令開銷，用戶的能源消耗可以減少。. MAX Si NRs s s- 4 5 Jr 5s.4.3,2.)咅 ua 口.ma 在-lludd 伸 毀*7un讒* Srny k t 心們mi is斫Dil i PF -*-Non-orth&gL MAX SINR -H- Non-orthDQonL Pf Orr問曲 MAXSIMR OrthrtgnaL PF20%40%60%90%100%Perceni of wlhin MFemitxk圖4系統(tǒng)級MFemtocell的平均頻譜效率與多用戶調(diào)度和資源分配方案圖示5.

25、可見光通信可見光通信使用現(xiàn)成的白光發(fā)光二極管LED用于固態(tài)照明SSL信號發(fā)射機(jī)，和現(xiàn)成 的對本征PIN光電二極管PDs或雪崩光電二極管APD作為信號接收機(jī)10 。這意 味著，VLC使系統(tǒng)在照明同時(shí)，提供寬帶無線數(shù)據(jù)連接。如果在上行鏈路不需要照明，紅外IR發(fā)光二極管或甚至射頻是確實(shí)可行的解決方案。在VLC信息是通過光的強(qiáng)度功率進(jìn)行傳輸。因此，攜帶信息的信號必須是實(shí)數(shù)值和嚴(yán)格為正。傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方案射頻通信 使用復(fù)數(shù)和雙極性信號。因此，必須修改，并有基于改良的多載波調(diào)制技術(shù)的豐富知識實(shí)體， 比方OFDM強(qiáng)度調(diào)制IM丨和直接檢測DD。據(jù)報(bào)道，從一個單一的LED數(shù)據(jù)率已可以到 達(dá)3.5 GB / s必

26、須指出的是，VLC不受快衰落的影響，由于波長明顯小于檢測器面積。鏈路 級論證的重要步驟是證明VLC是幫助減輕射頻通信的頻譜瓶頸的一種可行的技術(shù)，它可以利 用現(xiàn)有的照明設(shè)施開發(fā)成熟的無線光網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。這包括多用戶接入技術(shù)，干擾協(xié)調(diào)等等。最后，讓我們假設(shè)在一個房間有多個發(fā)光體固定裝置。每個發(fā)光體固定裝置想像擔(dān)任 一個非常小的光學(xué)基站形成一個非常小的蜂窩網(wǎng)絡(luò)被稱為光學(xué)attocells渺蜂窩。這是類似于在射頻通信的femtocell，事實(shí)上一個房間可以由許多這些非常小的蜂窩效勞。一種光學(xué)渺蜂窩attocell覆蓋面積為110 m2，距離約3m。眾所周知，在蜂窩射頻通信中，小的蜂窩 明顯有助于提

27、高網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。然而，主要的限制因子是干擾。由于光波不能穿過墻蔓延， 所以光學(xué)attocells較少受到干擾。面積頻譜效率ASE采用每平方米每赫茲每秒比特bit/s/Hz/m2表示，如圖5所示，是attocell網(wǎng)絡(luò)的ASE和 femtocell網(wǎng)絡(luò)的ASE的比值與 每層樓不同數(shù)量的femtocell的圖示說明。每個房間的光接入點(diǎn)的數(shù)量從一到四變化。和預(yù) 期的一樣，增益隨著每樓層femtocells數(shù)量的增加而減少，但在每層樓有 20個femtocell和 4個光學(xué)attocells情況下，增益仍高于100。ASE最大增益接近1000。舉一個例子，讓我們假設(shè)一個典型 1.2 b/s/Hz/m

28、2的ASE的光學(xué)attocell網(wǎng)絡(luò)和帶寬為10 MHz的LED和射頻。這就意味著在光學(xué) attocell網(wǎng)絡(luò)情況下，用戶可以在一個5mx 5mX 3m 的房間里平均分享共300 MB /s。在RF femtocell網(wǎng)絡(luò)情況下，每層樓有 20個femtocell最好 的情況下，對于同一房間到達(dá)容量只有約 3 MB /秒。* 1 APARFL = 17 dB 亠2腫"2 AR FL 17 dBAP-*-4 AR FL= UdBJkLUIJ4&8 W 121416 IB 20Number of femtocells per floorQO対00肺OGMM7 6 S 3 2 1圖

29、5 在每層樓不同數(shù)量的 femtocell 時(shí)，attocell網(wǎng)絡(luò)ASE與femtocell 網(wǎng)絡(luò)ASE的比值6. 綠色通信5G無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最大限度地減少能源消耗，以實(shí)現(xiàn)綠色無線通信系統(tǒng)5 。世界各地的無線系統(tǒng)的運(yùn)營商應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)減少能源消費(fèi)量為目的，從而有助于減少二氧化碳排放量。有前途的室內(nèi)通信技術(shù)部署策略可實(shí)現(xiàn)更好的能源效率。這是因?yàn)樵诎l(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間他們能提供具有良好的信道條件。此外，通過將室內(nèi)傳輸與室外傳輸別離，可使marcocell BS分配無線資源壓力較小，可以低功率發(fā)射，致使有效的減少能源消耗。VLC和毫米波技術(shù)也被認(rèn)為是在5G無線系統(tǒng)開展中能量效率解決方案。例如，在

30、VLC系統(tǒng)中一個燈泡消耗的 能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)送相同高密度數(shù)據(jù)的 RF基站消耗的能量。五、5G無線通信網(wǎng)絡(luò)中未來的挑戰(zhàn)盡管上述潛在關(guān)鍵5G無線技術(shù)有了一些進(jìn)展，在前面仍然有許多挑戰(zhàn)。由于篇幅有限, 在這一局部中我們只討論其中的一些挑戰(zhàn)。1. 優(yōu)化性能指標(biāo)評價(jià)無線通信網(wǎng)絡(luò)的一般特征僅考慮一個或兩個性能指標(biāo)，而由于高復(fù)雜度無視其他指標(biāo)。對于一個完整的和合理的評價(jià) 5G無線系統(tǒng)，應(yīng)考慮更多的性能指標(biāo)。這些包括的頻譜 效率，能源效率，延遲，可靠性，用戶的公平性，效勞質(zhì)量QoS,設(shè)備的復(fù)雜性，等等。因此，應(yīng)該開展一個總體的框架來評估 5G無線系統(tǒng)的性能，盡可能從不同的角度考慮到多的 性能指標(biāo)。應(yīng)該權(quán)衡所有性

31、能指標(biāo)。這就需要高復(fù)雜度的聯(lián)合優(yōu)化算法和長的仿真時(shí)間。2. 5G無線系統(tǒng)的實(shí)際信道模型用適當(dāng)?shù)木?、?fù)雜度權(quán)衡實(shí)際的信道模型，對一些典型的5G的場景都是必不可少的， 例如，大規(guī)模MIMO信道和高移動信道如，高速列車信道和車輛與車輛信道。傳統(tǒng)MIMO 信道模型不能直接應(yīng)用于大規(guī)模 MIMO信道，不同的天線遵守不同的群集。大規(guī)模 MIMO 信道模型應(yīng)考慮到特定的特性，使它們不同于傳統(tǒng)MIMO信道的特征，如球面波假設(shè)和非平 穩(wěn)特性。同樣，3D大規(guī)模MIMO模型，聯(lián)合考慮方位角和俯仰角，越實(shí)用就越復(fù)雜。表1是一些現(xiàn)有的大規(guī)模MIMO信道模型進(jìn)行了簡要的總結(jié)和分類 14 。與傳統(tǒng)的低 移動性的無線信道相比，高移動信道有更大的動態(tài)和可能更嚴(yán)重的衰落， 本質(zhì)上都是非平穩(wěn) 的。如何描述非平穩(wěn)高移動性的信道也很有挑戰(zhàn)性。信道模型復(fù)雜性描述是否為大規(guī)模MIMO準(zhǔn)備窄帶獨(dú)立同分布的瑞利低不相關(guān)的模型否窄帶 CBSM Weichselberge門中等聯(lián)合相關(guān)模型否窄帶 CBSM Kronecke門中等經(jīng)典的相關(guān)模型否寬帶橢圓CBSM高考慮大規(guī)模MIMO性能是CBSM Cell Broadcas