5G-无线通信网络蜂窝结构体系和关键技术(上载版)

5G无线通信系统：前景和挑战一．引言二．一个潜在的5G无线蜂窝结构三．有前途的5G无线关键技术四．5G无线通信网中未来的挑战五．结论目录1.大规模MIMO2.空间调制（SM）3.认知无线电网络4.移动飞蜂窝5.可见光通信6.绿色通信1.优化性能指标2.5G无线系统的实际信道模型3.降低大规模MIMO信号处理的复杂度4.CR网络的干扰管理一．引言二．一个潜在的5G无线蜂窝结构三．有前途的5G无线关键技术四．5G无线通信网络中未来的挑战五．结论目录创新和有效的利用信息和通信技术（ICT）已在提高世界经济中变得越来越重要。无线通信网络在全球ICT战略中已是最关键的因素，是许多其他工业的支柱。它是世界上发展最快、最具活力的行业之一。欧洲移动天文台报道称：移动通信业在2010年有总计1740亿欧元收入。一举超过了航空工业和制药业。移动为先移动为王—马克·扎克伯格一．引言无线移动通信显著的成就反映技术更新快速步法。1G2G3G4G5G大区制到蜂窝，FDMA接入模拟到数字，TDMA接入单一话音到多媒体，CDMA接入OFDM-MIMO，空域资源利用？容量话音业务和容量多媒体业务和容量高速高质多媒体业务和容量容量，能耗，业务无线移动通信系统每一次更新换代都解决了当时最主要需求一．引言第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps，最高可达32Kbps；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；而第四代移动通信系统传输速率可达到20Mbps，甚至最高可以达到高达100Mbps。从移动通信系统数据传输速率作比较：一．引言快的让我无法呼吸!!!谁HOLD住？一．引言一．引言众所周知，第4代无线通信系统已经部署或即将被部署在许多国家。然而，当今越来越多的人渴望更快的移动互联网接入服务，与他人或获取信息的即时通信。这导致了无线移动设备和服务爆炸式的发展。EMO指出，从2006年以来移动宽带每年以92%的速度增长。无线世界研究论坛的预测（WWRF）到2017年时有7万亿无线设备服务于7亿人口；换句话说，连接网络的无线设备将达到世界人口的1000倍。随着越来越多的无线设备接入网络，现已有技术面临着一些挑战。面临的挑战一．引言频谱十分稀缺。频率范围从几百MHz到几GHz。这些频谱现已大量被使用。高能耗。在无线通信系统中的能量消耗的增加会间接的导致二氧化碳排放增加。运营商基站（BSS）的能耗占总电费的70%。其他挑战。例如，平均频谱效率、高速率和高移动性、无缝覆盖、不同的服务质量（QoS）要求和分散的用户体验（不同的无线设备/接口和异构网络不兼容性等等）。面临的挑战4G网络在现有技术的数据率上已经达到理论极限，因此不足以容纳上述挑战。研究人员已经开始研究超4G（B4G）或5G无线技术。中英科学的桥梁项目：是世界上第一个开始研究B4G的项目。欧洲和中国也开始了一些5G项目，如由欧盟支持的METIS2020项目，和在中国由科技部支持的国家863重点项目：5G。诺基亚西门子网络的无线接入技术与2010年通信水平相比高达1000倍的通信流量。三星证明使用毫米（mm）波技术，在2km的情况下，传输速率超过1GB/s。启动的项目和发展情况一．引言5G网络将是什么样子的？现在定义为时过早。相比于4G网络，5G网络系统容量应达到1000倍，10倍的频谱效率、能源效率和数据速率（即，在低速移动下峰值速率为10GB/s和在高速移动下峰值速率为1GB/s），以及25倍的平均小区吞吐量。5G网络应该能够支持一些特殊场景的通信，而4G网络不支持。例如，高速列车的用户，高速列车可以达到350到500km/h，而4G网络只能支持的通信场景为250km/h。5G网络目的是连接整个世界，实现无缝和无处不在的通信。一．引言一．引言二．一个潜在的5G无线蜂窝结构三．有前途的5G无线关键技术四．5G无线通信网络中未来的挑战五．结论目录二．一个潜在的5G无线蜂窝结构为了解决上述（频谱危机和高能耗等）挑战和满足5G系统的要求，我们需要在蜂窝结构的设计中有一个质的变化。我们知道，无线用户大约80%的时间呆在室内，而只有20%的时间呆在室外。传统的蜂窝结构通常使用在小区中间的室外基站与移动用户通信，无论移动用户在室内还是室外。存在的问题：对于室内用户与室外基站通信，信号必须通过建筑物的墙壁，这会导致非常高的穿透损耗，大大损害了无线传输的数据速率、频谱效率和能量效率。一种5G蜂窝结构设计的关键理念是单独的室外场景和室内场景，这种方式避免通过建筑物的墙壁造成的穿透损耗。室外场景将借助于分布式天线系统（DAS）和大规模MIMO技术。室外基站将配备有大型天线阵列的天线元件（或大阵列天线）分布在小区周围，通过光纤连接到BS。分布式天线阵列是由部署数十或数百个天线单元构成的。室外移动用户通常配备的天线元件的数量有限，但它们可以相互合作，形成一个虚拟的大型天线阵列，与BS的天线阵列构建虚拟大规模MIMO链路。大型天线阵列也将安装所有建筑物的外面与室外BSS或BSS分布式天线单元通信，可能与线性的视线（LOS）组件通信。室外场景二．一个潜在的5G无线蜂窝结构一种5G异构无线蜂窝结构二．一个潜在的5G无线蜂窝结构室外场景将借助于分布式天线系统（DAS）和大规模MIMO技术。室外基站将配备有大型天线阵列的天线元件（或大阵列天线）分布在小区周围，通过光纤连接到BS。分布式天线阵列是由部署数十或数百个天线单元构成的。室外移动用户通常配备的天线元件的数量有限，但它们可以相互合作，形成一个虚拟的大型天线阵列，与BS的天线阵列构建虚拟大规模MIMO链路。大型天线阵列也将安装所有建筑物的外面与室外BSS或BSS分布式天线单元通信，可能与线性的视线（LOS）组件通信。室外场景二．一个潜在的5G无线蜂窝结构一种5G异构无线蜂窝结构二．一个潜在的5G无线蜂窝结构室外场景将借助于分布式天线系统（DAS）和大规模MIMO技术。室外基站将配备有大型天线阵列的天线元件（或大阵列天线）分布在小区周围，通过光纤连接到BS。分布式天线阵列是由部署数十或数百个天线单元构成的。室外移动用户通常配备的天线元件的数量有限，但它们可以相互合作，形成一个虚拟的大型天线阵列，与BS的天线阵列构建虚拟大规模MIMO链路。大型天线阵列也将安装所有建筑物的外面与室外BSS或BSS分布式天线单元通信，可能与线性的视线（LOS）组件通信。室外场景二．一个潜在的5G无线蜂窝结构一种5G异构无线蜂窝结构二．一个潜在的5G无线蜂窝结构室外大型天线阵列的电缆连接到建筑物内部无线接入点，与室内用户通信。这肯定会在短期内增加基础设施成本，从长远来看，会显著提高小区蜂窝系统的平均吞吐量、频谱效率、能源效率和数据速率。室内用户只需和室内无线接入点通信。许多适于短距离高数据速率通信的技术可以利用，包括WiFi、飞蜂窝femtocell、超宽带（UWB）、毫米波通信（3～300GHz）和可见光通信（VLC）（400～490THz）。室内场景二．一个潜在的5G无线蜂窝结构一种5G异构无线蜂窝结构二．一个潜在的5G无线蜂窝结构为了适应高移动用户，如用户在车辆和高速列车上。提出了移动飞蜂窝（MFemtocell）的概念，它结合移动中继和飞蜂窝的概念。移动飞蜂窝位于车辆内部与车辆里的用户通信，而大型天线阵列位于车辆外部与室外基站通信。一个移动飞蜂窝及其相关的用户都是被视为一个单一的单位与基站BS通信。从用户的角度来看，一个移动飞蜂窝看成是一个普通的基站BS。这很相似上述室内（车内）场景和室外场景分离的想法。二．一个潜在的5G无线蜂窝结构一种5G异构无线蜂窝结构二．一个潜在的5G无线蜂窝结构值得一提的是，毫米波（3～300GHz）和VLC（400～490THz）技术使用较高频率，不采用传统的蜂窝通信。这些高频波无法很好穿透固体材料，可以很容易地被气体、雨和树叶吸收或散射。因此，很难用这些波在室外或长距离上应用。然而，可利用的大带宽，毫米波和VLC技术可以大大提高室内环境下的数据传输速率。为了解决频谱短缺的问题，除了寻找不被传统的无线服务使用的新的频谱（如，毫米波通信和VLC），我们也可以尝试改善现有的无线电频谱的频谱利用率，例如，通过认知无线电（CR）网络。二．一个潜在的5G无线蜂窝结构一种5G异构无线蜂窝结构二．一个潜在的5G无线蜂窝结构一．引言二．一个潜在的5G无线蜂窝结构三．有前途的5G无线关键技术四．5G无线通信网络中未来的挑战五．结论目录1.大规模MIMO2.空间调制（SM）3.认知无线电网络4.移动飞蜂窝5.可见光通信6.绿色通信三．有前途的关键5G无线技术基于前面提出的异构蜂窝结构，在这一部分中，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容量急剧增加，在5G网络中有效利用所有可能的资源。基于著名的香农理论，系统总容量的Csum近似表达式为：理论分析HetNetsChannespi2isumNp1logBC式中，Bi是第i个信道的带宽，Pi是第i个信道的信号功率和Np表示的是噪声功率。公式明确系统总容量的Csum等于所有子信道的和异构网络容量的总和。为了增加CSUM，可采取以下几点方法：①可以增加网络的覆盖范围（如：宏蜂窝、微蜂窝、小蜂窝、中继、MFemtocell等异构网络）。②子信道的数量（如：大规模MIMO、空间调制SM、协作式MIMO、分布式天线系统DAS、干扰管理等）。③带宽（如：认知无线电CR网络、毫米波通信、可见光通信VLC、多重标准系统等）。④功率（如：能量效率或绿色通信）。理论分析三．有前途的关键5G无线技术HetNetsChannespi2isumNp1logBC①②③④在大规模MIMO系统中，发射机或接收机都配备了大量的天线元件（几十或甚至数百个）。注意，发射天线以是集中或分布式，接收天线可以附在一个设备或分布到许多设备。除了继承传统的MIMO系统的好处外，还有以下优点：可以显著提高频谱效率和能量效率。可以使用简单的线性预编码和检测方法来减轻噪声、快速衰落消失的影响和小区内的干扰。合理地利用多用户MIMO（MU-MIMO）技术，可简化介质访问控制（MAC）层的设计。基站BS可以发送分离的信号给使用相同时间和频率资源的个人用户。1.大规模MIMO三．有前途的关键5G无线技术空间调制SM把部分的数据编码传送到天线阵的每个发射天线的空间位置。因此，除了通常的信号星座图外，还有天线阵列星座图（空间星座图），相对于单天线无线系统它可以提高数据速率。在任何时间只有一个发射天线是激活的，而其他的天线是空闲的。一节的信息比特被分成两个子节log2（NB）的log2（M）位，其中，NB和M分别是发射天线的数量和复杂信号星座图的大小。第一子节从一组发射天线中识别出激活的天线，而第二子节是将信号星座图选择符号从激活的天线发送。因此，SM是一个组合的空间移键控（SSK）和振幅/相位调制。2.空间调制（SM）三．有前途的关键5G无线技术—哈斯等人提出四个发射天线（NB=4）和QPSK调制的SM星座图三．有前途的关键5G无线技术接收机可以采用最佳最大似然（ML）检测，译码接收的信号。空间调制优点：可以减轻在传统MIMO系统中三大问题：信道间干扰、天线间的同步和多个RF链。在空间调制SM系统中，可以设计低复杂度接收机，配置任何数量的发射和接收天线，甚至不平衡MIMO系统。发展方向：随着发送天线数量的增加SM增益成对数增加，而与传统的MIMO系统成线性增加。因此，实现低复杂度设备是在牺牲一定的自由度为代价。大多数研究SM集中在一个单一的接收器的情况下（即，单用户SM）。多用户SM可以看作是在5G无线通信系统被认为是一个新的研究方向。2.空间调制（SM）三．有前途的关键5G无线技术CR网络是一个创新的软件定义的无线电技术，被认为是有前途的技术之一，可有效的提高拥挤的RF频谱利用率。采用CR的根据是大部分时间很大