［王瓊 喬寬 楊中豪］

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蜂窩結(jié)構與5G無線通信網(wǎng)絡關鍵技術*

［王瓊 喬寬 楊中豪］

摘要

隨著無線移動設備數(shù)量和服務的激增，無線系統(tǒng)設計師一直面臨不斷增的長高數(shù)據(jù)率和新無線應用的移動性的需求。因此已經(jīng)開始研究5G無線通信系統(tǒng)，預計將在2020年后部署。在這篇文章中，我們提出了一個室內(nèi)場景和室外場景分離的小區(qū)結(jié)構，并討論5G無線通信系統(tǒng)中各種富有前景的新技術，例如大規(guī)模的MIMO，節(jié)能的通信，認知無線電網(wǎng)絡，以及可見光的通信。面對這些未來的挑戰(zhàn)，我們討論了一些潛在的技術。

關鍵詞：系統(tǒng)架構 關鍵技術 5G 大規(guī)模MIMO

王瓊

女，重慶重郵信科（集團）股份有限公司，正高級工程師，主要研究方向為通信新技術應用。

喬寬

男，重慶郵電大學新一代寬帶移動終端研究所，碩士，主要研究方向為通信新技術應用。

楊中豪

男，碩士，重慶郵電大學，主要研究方向為大規(guī)模MIMO。

引言

無線移動通信的巨大成功反映了技術創(chuàng)新的快速進步。從1991年的2G系統(tǒng)率先發(fā)布，到2001年第三代（3G）移動通信系統(tǒng)的率先推出，無線移動網(wǎng)絡已經(jīng)從單純的電話系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成可以傳輸豐富的多媒體內(nèi)容的網(wǎng)絡。4G無線系統(tǒng)的設計是為滿足IMT-A使用IP提供所有服務的要求[1]。在4G無線通信系統(tǒng)中，許多先進的無線電接口技術得到應用，如正交頻分復用（OFDM），多輸入多輸出（MIMO）和鏈路自適應技術。在低移動性下4G無線網(wǎng)絡可以支持高達1Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，如漫游/本地無線接入，以及高流動性條件下高達100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。LTE系統(tǒng)以及增強的LTE-A系統(tǒng)作為實際4G系統(tǒng)，已經(jīng)或即將在世界各地的部署。然而，每年仍然有很多新增手機移動寬帶用戶。越來越多的人渴望在移動中有更快的互聯(lián)網(wǎng)接入和時髦的移動設備。具有先進的即時通訊和多媒體功能，更強大的智能手機和筆記本電腦正成為時下比較流行的。這導致了無線移動設備和服務的激增。據(jù)無線世界研究論壇（WWRF）預測，在2017年有7萬億的無線設備將服務于70億人，即，連接網(wǎng)絡的無線設備的數(shù)量將達到世界人口的1 000倍[2]。隨著越來越多的設備鏈接到無線網(wǎng)絡，需要解決許多研究方面的挑戰(zhàn)。

最重要的挑戰(zhàn)之一是，為蜂窩通信分配稀缺的無線頻譜資源。蜂窩手機頻率使用超高頻頻段，通常范圍從幾兆赫到幾吉赫茲。然而運營商使用這些頻譜資源越來越困難。另一個挑戰(zhàn)是，先進的無線技術的商用造成高能量消耗[5]。事實上，在4G無線系統(tǒng)的初始階段節(jié)能高效的通信并不是被解決的問題之一，但它是在后一階段的問題。其他挑戰(zhàn)，例如，平均頻譜效率，高數(shù)據(jù)率和高流動性，無縫覆蓋，不同的服務質(zhì)量（QoS）要求，和分散的用戶體驗（不同的無線設備/接口和異構的網(wǎng)絡不兼容）。

運營商面對的是不斷增加的更高的數(shù)據(jù)率，更大的網(wǎng)絡容量，更高頻譜效率，更高的能源效率，以及新的無線應用所需更高的移動性的需求。在這個意義上，我們需要突破性的無線技術為解決上述萬億無線設備而引起的問題，研究人員已經(jīng)開始研究后4G(B4G)或5G無線技術。在這篇文章中，我們提出了一個富有前景的5G蜂窩結(jié)構以及探討可以滿足5G部署要求的一些有前途的技術。

1　5G無線通信網(wǎng)絡的蜂窩結(jié)構

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)構的設計上作一個重大的變化。我們知道無線用戶百分之八十的時間呆室內(nèi)，而只有大約百分之二十的時間呆在戶外[8]。無論用戶呆在室內(nèi)或室外，當前的傳統(tǒng)的小區(qū)結(jié)構通常是一個室外基站在移動通信小區(qū)的中間。室內(nèi)與室外基站通信的用戶信號穿過建筑物的墻壁，這會導致非常高的穿透損耗，大大損害了數(shù)據(jù)速率，頻譜效率，以及無線傳輸?shù)哪芰啃省?/p>

5G蜂窩結(jié)構設計的關鍵思想是分室外和室內(nèi)場景的，目的是避免建筑物墻壁的滲透損失。在分布式天線系統(tǒng)（DAS）和大規(guī)模MIMO技術的輔助下[7]，在一個基站上部署數(shù)十或數(shù)百個分布式天線陣列。目前的MIMO系統(tǒng)利用兩到四根天線，大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)的目標是利用大量的天線陣列來獲得更大的潛在的容量增益。室外基站將配備大量的分布在小區(qū)內(nèi)的天線陣列(大型天線陣列)并通過光纖連接到BS，受益于DAS和大規(guī)模MIMO技術。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陣列天線，其中與BS的天線陣列的構建虛擬海量的MIMO鏈路。在每個建筑的外部與室外基站或BS分布式天線陣列將被安裝。大型天線陣列通過電纜連接到無線接入點與大樓內(nèi)的室內(nèi)用戶通信。這在短期內(nèi)肯定會增加基礎設施的成本，然而長期運行的情況下，顯著提高小區(qū)的平均吞吐量，頻譜效率，能源效率和小區(qū)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率。

5G的小區(qū)結(jié)構應該與宏蜂窩，微蜂窩技術，微小區(qū)，和中繼進行異構。為了適應如用戶在車輛和高速列車高移動性用戶，我們已經(jīng)提出了移動毫微微蜂窩基站（mfemtocell）的概念[10]，這個概念是基于移動中繼和mfemtocell。mfemtocells位于車輛內(nèi)是與車輛內(nèi)的用戶通信的，而大型天線陣列位于車輛外部并與室外BSs進行通信。一個mfemtocell及其相關的用戶被BS視為一個單一的單元。從用戶的角度來看，一個mfemtocell看成是一個普通的BS。這與上述室內(nèi)（車內(nèi)）和室外場景分離的思想非常相似。它已被證明在[10]，用戶使用mfemtocells可以減少信令開銷享受高數(shù)據(jù)速率服務。上述5G異構蜂窩體系結(jié)構如圖1。

圖1　5G無線異構蜂窩結(jié)構

2　5G關鍵技術

這一部分，是基于上述提出的異構蜂窩結(jié)構，我們討論一些有前景的關鍵無線技術，這些關鍵技術可以實現(xiàn)5G無線網(wǎng)絡的性能要求。這些技術可以極大地增加系統(tǒng)容量并且可以提高5G所有資源的利用率?；谥南戕r(nóng)理論，系統(tǒng)總?cè)萘康腃sum可以近似表示

其中，Bi是第i個信道帶寬，iP是第i個信道的信號功率，Np表示噪聲功率。公式（1）表明系統(tǒng)總?cè)萘緾sum等價于所有子信道和異構網(wǎng)絡的容量總和。為了增加Csum，我們可以增加網(wǎng)絡的覆蓋范圍（如宏蜂窩，微蜂窩，小蜂窩，中繼，移動飛蜂窩[10]等異構網(wǎng)絡），子信道的數(shù)量（如大規(guī)模MIMO[7]，空間調(diào)制SM[11]，協(xié)作式MIMO，分布式天線系統(tǒng)DAS，干擾管理等），帶寬（如認知無線電CR網(wǎng)絡[9]，毫米波通信，可見光通信VLC[8]，多重標準系統(tǒng)等），和功率（能量效率或綠色通信）在下文，我們關注一些關鍵技術。

2.1大規(guī)模MIMO

MIMO系統(tǒng)在發(fā)射器和接收器之間有多個天線組成。通過添加多個天線和更大的自由度可以使無線信道能夠容納更多的信息數(shù)據(jù)。因此，在可靠性方面，頻譜效率，能源效率性能得到顯著改善。在大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射機或接收機配備了大量的天線元件（一般為幾十甚至數(shù)百個）。同時，一個設備或者分布的許多設備擁有大量的接收天線。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)還可以顯著提高頻譜效率和能源效率[9]。此外，在大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，噪聲的影響和快衰落消失了，并且使用簡單的線性預編碼和檢測方法可以減輕小區(qū)內(nèi)干擾。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，通過合理地利用多用戶MIMO（MU-MIMO），可以簡化MAC層的調(diào)度算法設計[14]。在多用戶MIMO系統(tǒng)中，BS發(fā)送單個的信號到使用相同的時頻資源的個人用戶。因此，本文講述的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢，能夠使大規(guī)模MIMO成為5G網(wǎng)絡的候選方案[11]。

2.2空間調(diào)制

空間調(diào)制是Haas等人首先提出來的，是一種新的MIMO技術，在不降低MIMO系統(tǒng)的系統(tǒng)性能的情況下降低了實現(xiàn)的復雜度[11]。而同時利用可用的天線發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)的SM編碼部分，被發(fā)送到每個陣列天線的發(fā)射天線的空間位置。因此，陣列天線起到第二星座圖的作用（除了一般的信號星座圖）就是所謂的空間星座圖，相對于單天線無線系統(tǒng)，可以提高數(shù)據(jù)速率（空間復用）。在任何時間只有一個發(fā)射天線是激活的，而其他的天線是空閑的。一個信息比特塊被分成兩個子塊log2(NB)bits和log2(M )bits，NB和M分別是發(fā)射天線的數(shù)目和復雜信號星座圖的大小。第一子塊標識發(fā)射天線集中的有源天線，而第二子塊則是從信號星座圖中選擇符號并從有源天線發(fā)射出去。因此，SM是一個組合的空間相移鍵控（SSK）和振幅/相位調(diào)制。圖2顯示一個例子，4個發(fā)射天線（NB=4）的SM星座圖有和正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制（M=4）的空間坐標圖。接收器可以使用最大似然（ML）檢測解碼接收的信號。

空間調(diào)制可以減輕傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)的三大問題：信道間干擾，天線間的同步，和多個RF鏈[11]。此外，在SM系統(tǒng)甚至非均衡的MIMO系統(tǒng)中，可以設計低復雜度的接收機和配置任意數(shù)量的發(fā)射和接受天線。我們必須指出傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)的SM的復用增益是與發(fā)送天線數(shù)的對數(shù)成線性關系的。因此，犧牲一定的自由度為代價降低實現(xiàn)復雜度。大多數(shù)SM研究集中在一個單一接收機的情況下（即，單用戶SM）。多用戶SM在5G無線通信系統(tǒng)中可以被視為一個新的研究方向[9]。

圖2　SM的星座圖使用四個發(fā)射天線（NB=4）和QPSK調(diào)制。

2.3認知無線電網(wǎng)絡

CR網(wǎng)絡是一個創(chuàng)新的軟件無線電技術，被認為是一個有前景的能夠改善擁擠的RF頻譜[9]。采用CR可以使無線電頻譜在大部分時間內(nèi)得到充分利用。在CR網(wǎng)絡中，或是在一個無干擾的基帶上或干擾容忍限度內(nèi)一個二級系統(tǒng)和授權主系統(tǒng)共享頻段[7]。CR網(wǎng)絡感知周圍的無線電環(huán)境并相應調(diào)節(jié)其傳輸功率。在無干擾CR網(wǎng)絡中，CR用戶可以利用授權用戶沒有使用的頻譜資源。為了使無干擾的CR網(wǎng)絡檢測空白的頻譜（空格），關鍵是展開寬帶頻譜。CR接收機首先應該監(jiān)控和分配未使用的頻譜（或結(jié)合隨著地理數(shù)據(jù)庫）和把信息反饋給CR發(fā)射機。協(xié)調(diào)機制是多個CR網(wǎng)絡嘗試訪問相同的匹配的頻譜時，防止用戶發(fā)生碰撞。在容錯干擾CR網(wǎng)絡中，CR用戶可以與授權系統(tǒng)共享頻譜資源，并且使干擾保持低于干擾門限值。在與無干擾的CR網(wǎng)絡的比較，耐干擾CR網(wǎng)絡可以與授權用戶共享無線電頻譜資源，提高頻譜利用率，以及更好的光譜和能源效率。然而事實證明CR系統(tǒng)的性能會對用戶密度，干擾閾值，并授權系統(tǒng)的傳輸?shù)奈⑿∽兓浅Ｃ舾小Ｔ谖墨I[13]中，在蜂窩網(wǎng)絡中增加混合CR網(wǎng)絡，可以使用額外的帶寬和拓展蜂窩網(wǎng)絡的容量。

2.4移動基站

MFemtocell是近年來提出的一個新概念，是下一代智能交通系統(tǒng)的一個潛在的候選技術[10]。它結(jié)合了毫微微蜂窩技術和移動中繼的概念（移動網(wǎng)絡）。一個MFemtocell是一個小的小區(qū)，可以左右移動和動態(tài)改變其連接到運營商的核心網(wǎng)絡。它可以部署在公共交通巴士，火車，甚至私家車，提高車內(nèi)用戶的服務質(zhì)量。部署MFemtocell可使蜂窩網(wǎng)絡受益。首先，MFemtocell可以提高整個網(wǎng)絡的頻譜效率。其次，MFemtocell可以有助于減少信令網(wǎng)絡的開銷。例如，一個MFemtocell可以對所有相關的用戶代表進行切換，從而減少在MFemtocell下的用戶切換活動。這使得MFemtocell適合部署在高速移動環(huán)境下。此外，在MFemtocell中用戶能耗可降低是由于較短的通信范圍和低的信令開銷[6]。

2.5可見光通信

可見光通信可以使用固態(tài)照明（SSL）發(fā)光二極管（LED）作為信號發(fā)射器和本征-n（PIN）光電二極管（PD）和雪崩光電二極管（APD）作為信號接收器[8]。這意味著，VLC使系統(tǒng)能夠照明并且同時提供寬帶無線數(shù)據(jù)連接。如果上行不希望有照明，紅外（IR）LED或者射頻是可行的解決方案。在VLC系統(tǒng)中，信息是通過光的強度（功率）攜帶信息的。射頻通信使用合成的雙極性信號的傳統(tǒng)數(shù)字調(diào)制方案。因此，有必要修改調(diào)制方案，我們有豐富的多載波調(diào)制技術改進經(jīng)驗，如高密度OFDM（IM）調(diào)制和直接檢測（DD）。已經(jīng)被驗證一個單一的LED可以提供3.5GBit/s的數(shù)據(jù)速率。必須指出，VLC不受快衰落的影響，并且波長比探測器面積明顯縮小。而鏈路級實驗證明VLC有助于減輕射頻通信的頻譜瓶頸的一種可行的技術方案，可以利用現(xiàn)有成熟的照明設施部署無線光網(wǎng)絡是可能的。這包括MU接入，干擾協(xié)調(diào)和其他的一些技術。小小區(qū)有助于提高網(wǎng)絡的頻譜效率，然而，主要的限制因素是干擾。由于光波不穿透墻壁光attocells較少受到干擾。

2.6綠色通信

5G無線系統(tǒng)的設計應考慮最大限度地減少能量消耗，實現(xiàn)更加綠色的無線通信系統(tǒng)[5]。世界各地的無線系統(tǒng)運營商都希望減少能源的消耗，從而有助于減少二氧化碳排放量。室內(nèi)通信技術對于獲得更好的能源效率是非常有前途的部署方案。這是因為從發(fā)射機到接收機之間有更好的信道環(huán)境。此外，通過分離室外流量和室內(nèi)流量，將會降低宏蜂窩基站無線資源分配的壓力和降低傳輸功率低，因此可以顯著減少能源消耗。VLC和毫米波技術也可以被認為是高效節(jié)能的無線通信解決方案，可以部署在5G無線系統(tǒng)中。例如，在VLC系統(tǒng)的一個燈泡消耗的能量比其基于RF的等價傳送相同的高密度數(shù)據(jù)消耗的能量少很多[3]。

3　小結(jié)

在這篇文章中，已在容量、頻譜效率、能源效率、數(shù)據(jù)速率和小區(qū)平均吞吐量方面明確5G無線通信系統(tǒng)的性能要求。提出一個新的異構5G蜂窩結(jié)構，分為的室內(nèi)應用和室外應用，可使用DAS和大規(guī)模MIMO技術。一些短距離通信技術，如WiFi，femtocell，VLC，和mmwave通信技術，可以被看作是有希望的候選技術能夠提供高質(zhì)量和高速率服務給室內(nèi)用戶，同時減少對室外基站的壓力。我們還討論了一些潛在的關鍵技術，可以在5G無線系統(tǒng)施展，滿足預期的性能要求，如CR網(wǎng)絡，SM，MFemtocells，VLC，和綠色通信，以及一些技術上的挑戰(zhàn)。

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收稿日期：（2015-12-10）

基金項目：新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)科技重大專項（2012ZX03000112-002）：國家“863”計劃 5G移動通信系統(tǒng)總體技術研究（2014AAO1A706）。

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.007