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毕业设计（论文）

设计说明书

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5G移动通信网络中的关键技术

学生：专业: 班级：指导教师：设计日期：

设计（论文

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毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目:5G移动通信网络中的关键技术毕业设计（论文）要求及原始数据(资料）：题目:应简洁、明确、有概括性，字数不宜超过20个字；摘要：要有高度的概括力，语言精练、明确,中文摘要约100—200字；关键词：从论文标题或正文中挑选3～5个，最能表达主要内容的词作为关键词；目录：写出目录，标明页码；正文:本科毕业论文正文字数一般应在15000字以上,毕业论文正文:包括前言、本论、结论三个部分:前言（引言）是论文的开头部分，主要说明论文写作的目的、现实意义、对所研究问题的认识，并提出论文的中心论点等。前言要写得简明扼要，篇幅不要太长.本论是毕业论文的主体，包括研究内容与方法、分析（讨论)等。在本部分要运用各方面资料，分析问题,论证观点，尽量反映出自己的科研能力和学术水平。结论是毕业论文的收尾部分，是围绕本论所作的结束语.其基本的要点就是总结全文，加深题意; 致谢：简述自己通过做毕业论文的体会，并应对指导教师和协助完成1

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论文的有关人员表示谢意；参考文献：在毕业论文末尾要列出在论文中参考过的专著、论文及其他资料,所列参考文献应按文中参考或引证的先后顺序排列。 2

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毕业设计（论文）主要内容：第一部分，主要介绍课题研究的背景，阐述了通信网络发展历程，国内外对5G网络的研究现状，以及本课题所研究的主要内容；第二部分，介绍了5G网络的应用场景、标志、指标、技术方向; 第三部分，介绍了大规模天线技术、超密集组网技术、全频谱接入、新型多址; 第四部分,设计一个简单的大规模天线系统,将其系统模型、频谱效率和传输过程与4G网络中所用的MIMO天线系统进行对比，说明其优势。说明为什么大规模天线技术会成为5G网络潜在的无线的关键技术；第五部分，总结部分,总结了在本次课程设计中得到的收获与成果，同时阐述了本次设计中遇到的难点和存在的问题，以便今后完善. 学生应交出的设计文件（论文): 1、开题报告; 2、中期检查表； 3、设计任务书； 4、毕业论文; 3

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5、英文翻译原件及译文； 6、光盘一张（包含上述1-5的内容）

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主要参考文献（资料）： [1］尤肖虎,潘志文，高西奇. 5G 移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学：信息科学,2014，44( 5）： 551 － 563．［2］ IMT—2020（5G) Promotion Group. 5G 无线技术架构［R］。 2015。［3］ ULLBERG H， POPOVSKI P， GOZALVEZ-SERRANO D， et al。 METIS system concept： the shape of 5G to come[J］. IEEE Communications Magazine， 2015. ［4]中兴通讯。用技术创新勾画 5G网络蓝图［J]。通信产业报，2014（34）。 [5] LI Y， WANG Q, ZHONG Z D. IEEE International Symposium on Antennas and Propagation ＆ USNC/URSI National Radio Science Meeting。 c2015:1808-1809 ［6] GUPTA A, JHA R K。 A survey of 5G network: architecture and emerging technologies［J]. IEEE Access，2015, 3：1206—1232 [7］ AGYAPONG P， IWAMURA M， STAEHLE D, et al。 Design considerations for a 5G network architecture[J］。 Communications， 2014， 52（11）： 65-75。 [8］ MARZETTA T L。 Non—cooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas[J］。 IEEE Transactions 5

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[18］ G。 Miao, J。 Zander, K-W Sung. Mobile Data Networks, Cambridge University Press。 2016. ［19] Goldsmith A， S A, Jindal N, et al. Capacity limits of MIMO channels［J］。 Select Areas in Communications， IEEE Journal on, 2003, 21(5）： 684—702 [20］ H. Q。 Ngo, E。 G。 Larsson, and T. L。 Marzetta. Uplink power of multiuser MIMO with very large antenna arrays. Urbana—Champaign， Illinois, US, Sep。 2011。［21］ M. Kobayashi, N。 Jindal， and G。， Training and feedback optimization for multiuser MIMO downlink， IEEE Trans。 Aug. 2011。 [22］ Larsson E G, generation wireless systems［J]. [23] H. Yin， D.et al。 for next 2013 ， and Y. Liu. A coordinated approach to channel estimation in large-scale multiple-antenna systems. 。 2013。， S. K. Mohammed， and E. G。 Larsson. On ［24］ A.the optimality of single-carrier transmission in large—scale antenna systems。 IEEE Wireless [25] J。。 Aug. 2012 ， S. ten Brink。 the UL/DL of cellular networks. 7

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IEEE J。 Sel. Areas[26］ F。. Feb. 2013. ， E. G。 Larsson， T。 L. Marzetta。 Scaling up MIMO： Opportunities and challenges with very large arrays. IEEE Signal Process. 2013. [27] Lu L, Li G， A, et al。 An overview of massive MIMO: benefits and challenges[J］。 IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing， 2014, 8(5)： 742—758。专业班级学生要求设计（论文）工作起止日期指导教师签字日期教研室主任审查签字日期系主任批准签字日期 8

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5G移动通信网络中的关键技术研究

摘要

移动通信网络发展到现在一共经历了4代，第一代是模拟技术,第二代实现了数字化语音通信,第三代是3G网络，已经能够实现基本的多媒体通信，是我们目前已经离不开的4G网络，其标志着无线宽带时代的到来。而本论文所研究的5G移动通信网络指的正是第五代移动通信网络。

5G网络还没有进入我们的生活，通过现有的4G网络来推测并不能准确的得知当5G网络普及之后我们的社会将发生多大的改变，本文根据各大组织，通讯企业发布的关于5G网络的信息,介绍什么是5G网络，国际上对5G网络的要求，5G网络的应用场景还有5G网络的技术发展方向。文章中主要还对5G网络潜在的无线技术进行分析，介绍大规模天线技术、超密集组网、全频谱接入和新型多址的基本概念、优势、挑战.再单独针对大规模天线技术进行研究，设计一个简单的大规模天线系统,将其系统模型、频谱效率和传输过程与4G网络中所用的MIMO天线系统进行对比,说明其优势。

5G网络的道路上还需要不断的探索，Verizon,英特尔，高通，华为,爱立信,三星等企业已经在为5G网络技术进行各方面的测试，这些测试结果将影响到5G网络的标准的制定。在通信领域,统一的通信标准将会极大的促进全球通信的发展，所以及早的明确5G网络的关键技术将对5G移动通信网络的发展具有极大的意义.

关键词:5G移动通信网络;大规模天线；全频谱接入；超密集组网；新型多址

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Research on Key Technology in Mobile Communication

Network

Abstract

Mobile communication network development has now experienced a total of four generations, the first generation is analog technology， the second generation to achieve a digital voice communications， the third generation is the 3G network, has been able to achieve basic multimedia communications， the fourth generation is that we can't be separated from the 4G network, which marks the arrival of wireless broadband era. The 5G mobile communication network studied in this paper refers to the fifth generation of mobile communication network.

5G has not entered our lives now and through the existing of 4G to speculate accurately know when the popularity of 5G after our society will be much change， according to the major organizations, communications companies issued on the 5G network of the information, what is the 5G network, the international requirements of the 5G network, 5G network applications, there are 5G network technology development direction. This paper also analyzes the potential wireless technology of 5G network, and introduces the basic concepts, advantages and challenges of large—scale antenna technology, ultra—dense network， full spectrum access and new multiple access。 And then a single large—scale antenna technology to study， design a simple large—scale antenna system， its system model, spectrum efficiency and transmission process and 4G used in the MIMO antenna system to compare its advantages.

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5G on the road also needs to continue to explore， Verizon， Intel, Qualcomm， Huawei, Ericsson, Samsung and other companies have been in the 5G technology for all aspects of the test， these test results will affect the 5G standard development。 In the field of communications， unified communication standards will greatly promote the development of global communications, so the early clear 5G key technology will be 5G mobile communication network development is of great significance.

Key words: 5G mobile communication network; massive MIMO； full spectrum access； ultra—dense network； new multiple access

III

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摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II 第1章绪论 ..................................................................................................... 1

1。1 选题目的和意义 ............................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................. 2 1.3 论文内容与组织结构 .......................................................................... 3 第2章 5G移动通信网络 ............................................................................... 5

2.1 5G网络简介 ......................................................................................... 5 2。2 5G应用场景 ...................................................................................... 6

2。2.1 车联网 ..................................................................................... 6 2.2.2 VR（虚拟现实） ....................................................................... 7 2。2。3 远程医疗保健 ...................................................................... 7 2。2.4 物联网 ..................................................................................... 7 2。3 5G网络的要求 .................................................................................. 8 2。4 5G网络的技术方向 .......................................................................... 8 2。5 5G网络面临的挑战 .......................................................................... 9 第3章 5G网络中的一些关键技术 ............................................................. 13

3。1 大规模天线 ..................................................................................... 13

3.1.1 大规模天线技术的应用场景 .................................................. 13 3.1.2 大规模天线技术的优势 .......................................................... 13 3.1。3 大规模天线技术所面临的挑战 ........................................... 14

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3.2 超密集组网 ........................................................................................ 15

3.2.1 超密集组网技术的优势 .......................................................... 15 3。2。2 5G网络的超密集组网技术面临的问题与挑战 ............... 16 3。3 全频谱接入 ..................................................................................... 16

3。3。1 全频谱接入的应用场景 .................................................... 17 3.3.2 全频段接入技术的优势 .......................................................... 18 3.3.3 全频段接入尚存在的问题 ...................................................... 18 3.4 新型多址技术 .................................................................................... 19 第4章大规模天线传输技术 ....................................................................... 21

4。1 大规模天线系统设计 ..................................................................... 21 4.2 系统模型上的优势 ............................................................................ 22

4。2.1 传统MIMO系统 ................................................................. 22 4。2.2 大规模天线系统 ................................................................... 23 4.2。3 大规模天线系统的优势 ....................................................... 25 4。3 系统频谱效率上的优势 ................................................................. 25

4.3.1 MIMO系统的频谱效率 .......................................................... 25 4。3.2 大规模天线系统上行链路 ................................................... 26 4.3.3 大规模天线系统下行链路 ...................................................... 27 4。3。4 大规模天线系统在频谱效率上的优势 ............................ 27 4.4传播过程中的优势 ............................................................................. 28

4.4.1 传输关键参数 .......................................................................... 28

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4.4。2 MIMO系统传输原理 ........................................................... 28 4.4.3 MIMO系统的缺陷与大规模天线系统的优势 ...................... 29 4。5 小结 ................................................................................................. 30 总结 ................................................................................................................... 31 参考文献 ........................................................................................................... 32 致谢 ............................................................................................................... 34 外文原文 ........................................................................................................... 35 中文翻译 ........................................................................................................... 56

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VII

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第1章绪论

1.1 选题目的和意义

移动通信网络发展到现在一共经历了4代，第一代是模拟技术，第二代实现了数字化语音通信，第三代是3G网络，已经能够实现基本的多媒体通信，是我们目前已经离不开的4G网络，其标志着无线宽带时代的到来。而本论文所研究的5G移动通信网络指的正是第五代移动通信网络1。

4G网络已经改变了我们的生活,使我们在能够足不出户的买到漂亮的服装和美味的食物，使我们能够更方便的远行,游玩，不再担心迷路或是无处可居。5G移动通信网络是4G网络的升级版,5G网络传输速度将会更快,传输功耗将会变得更低,成本也将更低，能够承载更多设备的接入.5G网络将会开启一个全新的时代，它瞄准的不再仅仅是人与人之间的连接，更包括了人与物，物与物的连接，将会实现的是整个社会的全面互联。

随着5G网络的到来,每种类型的通信都会受到很大的影响。新的5G移动通信网络,面对高吞吐量需求的不断增长,需要通过增加无线网络的数据量，提高质量和服务，并降低价格来满足社会的需求，这些是5G网络的重要因素。移动网络，医疗保健,互联网上的各种视频和音频，游戏，安全监控,以及我们生活的各个方面都将会利用到5G网络。它也将在商业，工业，学校和社会中发挥重要作用，改善大学生，医生，飞行员和的生活等等。我们生活的地区5G网络的最大优点之一是其能够建立全球网络。这个全球网络是基于所有可用的通信。考虑可穿戴设备的人造智能可用性，可以帮助我们监测我们身体的活动,如心脏速率,血压和大脑的活动，并在线保持与卫生保健中心的沟通.

5G移动通信系统想要满足2020年的移动互联网，物联网的需求，最关键的两点：快速，低功耗。而想要实现这两点，最重要的是对5G网络关键技术的选择。5G移动通信网络的实现需要

[]

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足够的技术支持，而5G网络无线技术是支持5G网络成功构建的基石性技术,只有其无线关键技术确保达到目标，才有可能实现整个社区5G网络的覆盖。5G移动通信系统所需要加强的主要是无线技术和网络架构两个方面。本文主要讨论了5G网络无线技术的潜在核心技术，根据国际主流组织机构发布的关于5G网络的最新信息，将5G网络所潜在的无线关键技术,进行介绍,并选择其中之一,解释其原理，应用场景，优势和问题。尽快明确5G网络的概念,技术方向和其核心技术，这将对聚集全球产业力量，促进5G网络的发展具有十分重要的意义［2]。

1。2 国内外研究现状

移动通信具有全球统一的工业生态，形成国际统一的5G移动通信网络的标准已成为通信行业的共同声音.国际电联于2016年推出了5G网络技术性能要求和评估方式，计划于2017年底开始5G网络候选方案收集，并且将在2020年底实现标准的制定.同时国际上各个国家为了获得5G网络标准技术制定权，进行着激烈的竞争。

美国：2012年7月，纽约大学设立了和商业组织的5G联盟。2015年9月7日，美国移动企业Verizon宣布，开始5G通信网络的试用,并在2017年于美国一些城市使用。2016年7月，美国通信委员会宣布，将为5G网络通信开通24 GHz以上的频段,并发布无线电通信研究计划（AWRI），以促进5G网络研究与发展,并确定未来七年投资4亿美元用于5G通信网络的研究，并且AWRI将在FCC允许的5G网络频率范围内，在4个城市中进行5G网络试验。

欧盟：2015年9月,欧盟成立了国际顶尖的5G创新中心.在2015年移动世界大会上，欧盟委员会和欧洲的技术行业提出了关于发展欧洲5G网络通信技术和构建5G网络基础设施的愿景.一年后，欧洲数字经济与社会事务专员在2016年移动世界大会上宣布，欧洲已经开始制定一这项行动计划，到2020年在欧盟部署5G网络技术。2016年7月，欧洲的通信行业发布了《5G宣言》，11月10日发布了欧洲5G网络频谱战略，确定5G网络初期频谱部署计划.

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日本：2013年10月，日本的无线工业和商贸联会设立了5G研究组，研究5G网络系统构成与无线接入技术。2014年5月,日本NTT其他各国的通信企业展开5G网络联合实验，并在2015年11月，该公司实施的5G网络试验中，在商业区以70GHz频段接收到信号,实现了超过2Gbit/s无线传输.

韩国:2013年6月韩国成立5G论坛，并提出5G网络发展战略.2014年1月，韩国宣布投资1。6万亿韩元用以5G网络核心技术的开发.2016年7月，韩国电信和美国Verizon运营商在关于5G移动通信网络中形成统一标准，加速了韩国5G移动通信网络的商业化。2016年10月，韩国的移动运营商SK电讯声明，将在韩国成立5G移动通信网络研讨中心。

中国：2013年2月，我国部门工业和信息部、科技部成立了“IMT-2020推进组”,提出中国将在5G网络标准制定中，发挥主导作用的目标。2014年1月，我国地区进行了5G网络发展产业和策略会议，并成立了专门的部门来推进5G网络的长期发展。2016年5月31日，由美洲5G America、日本5GMF、韩国5G论坛、欧盟5G PPP、中国IMT—2020推进组联合主办的第一届国际性的5G大会在北京召开。2017年1月,由我国工业和信息部发表的《信息通信行业发展规划》中明确指出,支持5G网络研究和相关技术测试，加快5G网络频谱规划。2017年3月，工作报告中指出要加快5G网络技术研发。

1。3 论文内容与组织结构

本篇论文主要是介绍5G移动通信系统的概念并分析和对比5G网络的无线关键技术。第一章主要介绍本文选题的目的和意义，简单的介绍了通信领域的发展，现在国际上各国和各组织对5G移动通信网络的研究与进展。

第二章专门对5G网络进行了介绍，什么是5G网络、5G网络的标志、5G网络的技术指标、应用场景、技术方向、还有5G网络所面临的挑战。

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第三章将介绍四种5G移动通信系统潜在的无线关键技术，并进行应用场景、技术优势、面临的挑战上的分析，使阅读本篇论文的各位学者对大规模天线技术、全频段接入技术、超密集组网技术和新型多址有所认知。

第四章将前面所提到的大规模天线技术专门提出来进行较为详细的分析,将其系统模型与传统的天线技术进行对比，并从大规模天线系统的频谱效率，传输过程等方面进行研究，将其与传统的天线技术MIMO技术进行对比，说明大规模天线技术所具有的优势。

第五章为全文总结,总结本文所介绍的内容与进行的工作。

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第2章 5G移动通信网络

2.1 5G网络简介

5G网络是指第五代移动通信网络.5G移动通信网络将会形成一个万物连接的系统,创建一个完全移动和完全关联的社会。5G网络主要包括生态，客户和商业模式三个方面，在5G移动通信网络当中将软件和硬件分开研究，并引入数据中心的云化，虚拟化的概念［3］。

到目前还没有官方的5G网络，也没有全球统一的标准，尽管它们正在进行中.具体标准可能因源而异,但都指向相同类型的改进：更快的速度，更高的容量，更高的可靠性,更低的延迟。5G网络的预期速度范围为千兆位到几十千兆，但在这个时候，我们还不知道真正的5G网络将如何.

5G移动通信网络将对智能技术产生巨大影响，其速度,延迟，网络弹性和电力消耗都有所改善，特别是允许各种设备和传感器实时有效地通信。5G网络会使物联网的应用成本降低很多。

Verizon，英特尔,高通，华为,爱立信，三星等企业已经在为5G网络技术进行各方面的测试，这些测试结果将影响到5G的标准的制定。5G移动通信网络的将会使用毫米波来传输信息，这是5G移动通信网络提升速度的关键。由于毫米波的波长短，能够缩小发射天线和接收信天线的尺寸，这为大规模天线系统的部署提供了支持。

2017年2月9日,国际通信标准组织公布了5G移动通信网络的Logo。如图2.1所示

图2。1 5G的Logo

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2。2 5G应用场景

5G网络的应用场景如图2.2所示,所有事物都相互关联，人与事物，事物与事物连接.数据云化，远程操作不再受空间的约束。VR（虚拟现实）、AR（增强现实）等将成为主流的设备，无人驾驶车辆将会真正实现。获取内容的方式更多将是视频，直播等形式。正如两个世纪前工业期间新技术的出现在改变了我们的生活,今天我们正在经历另一次技术，5G网络将使我们的城市环境现代化，以配合我们的生活［4]。

图2。2 5G网络应用场景

2。2。1 车联网

无人驾驶。当我们做在车上时，汽车可以自动检测出路上的风险,如果汽车行驶时离前方车辆很近，将会降低驾驶速度到安全距离.而且在车辆并行的过程,能判断和自动调整左右车的距离,大大提高交通安全。而在这种行驶中，需要具有超高速处理能力来处理巨大的数据。这些将5G移动通信网络中得以实现。

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2。2。2 VR(虚拟现实）

VR已经成为展览的宠儿。但是现在VR还能不能融入我们的生活.只有当5G网络时代到来后VR才有可能真正实现普及。

在5G网络时代VR将得到真正的利用，无线VR设备，只需要一个头戴显示器，便能够随时

从云端获取到内容，VR需要解决的关键问题是如何实现高速运行的游戏以及低延迟同步数据，这需要5G网络所提供的高速度和低延时,在5G移动通信网络的时代VR技术将会真正的应用到生活.

2。2.3 远程医疗保健

远程医疗与保健，利用应用程序来监测身体的状况,自动分析并汇报健康状况，给出合理建议,自动调节减轻患者的压力，特别是当病人面临突发情况时,可以利用5G网络的超高的可靠性和极低的延迟，远程控制对病人进行简单治疗。5G网络技术将使远程医疗和保健将得到广泛应用。远程医疗保健可能彻底改变现代医疗机构的运作方式，医疗服务将与网络密切相关,通过连接和装备构成远程医疗保健生态系统，使使患者病情能被及时采集并能分析得出结论。

2。2.4 物联网

在关于5G网络讨论中，物联网是最热门的话题。人和机器间的通信将更加方便,几乎没有延

迟。更高带宽和速度，能使机器可以更快速地处理大量的命令并快速反馈。智能应用也将在日常生活中随处可见，如停车场，体育馆,购物网站的智能转型。5G网络将带给物联网未来，实现万物互联，智慧城市。

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2。3 5G网络的要求

5G网络的目标是提供一个很高的数据传输速率给众多的用户。它还支持模拟用于部署大量传感器的连接。相比4G，5G移动通信网络的频谱效率有明显的提升。电信领域一直在经历新一代移动网络，几乎每10年出现1代。预计在5G网络时代,通信网络将拥有更高的峰值比特率，能同时处理更多的数据，连接更多的设备,更高的频谱效率，更低的电池消耗，更低的停机概率，更高的覆盖范围和更大的比特率，更低的延迟,较低的基础架构部署成本和更高的安全性。5G移动通信网络的计划部署时间是2020年[5].

Next Generation Mobile Network Alliance(下一代移动网络联盟）定义了5G网络的以下要求：

（1）数万用户同时使用时，数据传输速率达到10 Mbps；

(2）同时向同一楼层的办公人员提供服务时,数据传输速率达到1 Gbps; （3）支持数十万个设备同时连接,支持大量的传感器网络部署; （4）频谱效率显着提高；（5)覆盖率高于4G; (6）加强信号效率; （7）延迟显着低于LTE。

2.4 5G网络的技术方向

5G网络中还有许多潜在的无线技术[6］正在研究，根据国际上对通信的需求，5G网络所面临的主要困难和挑战是:更快！更低功耗!而想提高通信的速率和降低功耗,需要从最基本的理论上开始研究,香农公式:

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C=Blog2(1+S/N）（2—1)

公式（2—1)中B是信道带宽（Hz），S是信号功率（W），N为噪声功率（W），C是最大传输速率（bit/s）。由公式可以看出，信道传输速率C与信道带宽B正相关，为了提升最大传输速率C需要增大信道带宽B。

图2。3 5G网络提升速率的三个基本方向

提高传输速率是5G移动通信网络的关键，如图2.3所示,提升传输速率主要有三个方向： (1）更密集的布局,单位面积内增加基站或小型终端的数量。（2)扩展新的频谱范围，使用新的频段。

（3）提高频谱效率,通过大规模天线技术，提高使每单位频谱资源的传输速率上升。

2.5 5G网络面临的挑战

整合各种标准，提供共同平台并建立合适的基础设施是5G网络是设计中最重要的挑战。在建立5G无线网络时，需要在三个主要类别下解决问题。首先，从预期的5G网络，它应该能够提供巨大的容量和连接。第二,5G网络将支持各种服务，以及与不同生活领域内相关的用户。第

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三点建立5G网络利用所有可用容量,灵活满足并部署于各种不同网络场景。移动网络越来越多地覆盖了我们日常沟通的各个方面。所以这些网络应该能够提供具有适当QoS7的连接并且具有高度的可靠和安全。为实现这些目标，5G网络应该考虑支持视觉通信和多媒体互动。

5G网络的最终目标是支持所有的设备，从网络汽车到可穿戴设备到家用电器等等。5G网络的主要目标之一是构建智能城市,提供其所需的基础设施.这些聪明的城市将会提供移动工业自动化，车载连接和其他应用,这些都需要网络提供低延迟和高可靠性的连接。

随着移动业务日益多元化，服务范围越发广泛，需要不同的性能要求.图2.4显示了一个概述5G网络的要求,如网络遍及，延迟和连接数量。

［]

图2。4 5G网络服务和场景的要求.

根据图2。4，设计中有几个重要的挑战，为了满足提供超高清视频和虚拟现实应用的要求,5G网络应能够支持至少1 Gb / s或更高的数据速率。图2-4清楚显示5G网络预计将有多大的改善以满足所有的要求：无线接入技术之间的数据速率，延迟，切换时间，能源和能源消耗。一般来说，5G网络的潜在要求包括在交通负荷中增加容量，峰值数据速率为5—10为10 bps / Hz,对于用户，等待时间为1

,频谱效率

，另一个要求是移动性最高速度高于350公里/小时，

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切换时间低于10毫秒，网络的可靠性非常高.

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第3章 5G网络中的一些关键技术

3.1 大规模天线

2010年,贝尔实验室，托马斯在《无线通信》8中介绍了大规模多天线技术(Massive MIMO）应用在5G移动通信中可能产生的效果。大规模天线技术可以提高数百倍的系统容量，被业界认为是5G移动通信网络中的关键无线技术。与以前的单天线和4/8天线系统相比，大规模天线技术可以提高时域、空域和频域的频谱效率。大规模天线的动态组合可以使用波束赋形技术,因此较小的能量束可以集中在一个较小的区域，信号强度集中在一个特定的方向和特定的用户基础上，显着减少了自干扰和邻域干扰[9］。

[]

3。1.1 大规模天线技术的应用场景

大规模天线系统的主要应用场景如图3。1,分城区覆盖和郊区覆盖、无线回传和局部热点。基站之间的基本数据传输、宏站和小型终端之间的数据传输问题主要依靠无线回传来处理。较偏僻地区的无线传输依靠郊区覆盖来处理，大型赛事、演唱会、商场、交通枢纽等用户密度高的地区就需要局部热点来解决传输问题.

图3.1 大规模天线技术的应用场景

3.1。2 大规模天线技术的优势

（1）大量提升网络容量。其波束赋形的定向功能能够极大提升频谱效率，大幅度提高网络

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容量.

(2）能够减少单位硬件的成本。波束赋形的信号叠加增益功能使得每根天线只需以小功率发射信号，从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器，减少了硬件成本。

（3）低延时通信。大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。传统通信系统为了对抗信道的深度衰落，需要使用信道编码和交织器，将由深度衰落引起的连续突发错误分散到各个不同的时间段上,而这种过程导致接收机需完整接受所有数据才能获得信息，造成时延。在大规模天线下，得益于大数定理而产生的衰落消失，信道变得良好，对抗深度衰弱的过程可以大大简化,因此时延也可以大幅降低。

(4）与毫米波技术形成互补。毫米波拥有丰富的带宽，但是衰减强烈,而波束赋形则正好可以解决这一问题

3。1。3 大规模天线技术所面临的挑战

大规模天线技术还有许多问题需要解决，从理论上的研究来看，底层的研究面临许多困难.在实际部署中,硬件成本也是必须解决的问题之一.以下是一些大规模天线技术所需要解决的问题：

（1）信道估计和建模。在大规模天线系统中，天线不再固定组合而移动的用户终端也变得

更多,使传统的信道估计不再实用。天线阵列的分配将受到用户所在位置的影响，基站端需要能够依靠信道的移动性和空间中的能量的连续性来实现最佳或更好的信道估计。

(2）商业布置的成本控制。随着5G网络基站天线数量的大幅增加，大规模天线系统将使用

更多的天线，为了控制成本,需要解决在不同情况下应该布置多少天线的问题,在部署前控制好成本。将大规模多天线系统的设计，制造,安装，等成本降低,使商业部署得以实现。

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3。2 超密集组网

为了满足将来移动网络数据流量增大数百倍，将用户体验速率提高数百倍的要求，除了增加频谱带宽和使用大规模天线技术提高频谱的效率，提高空间重用的程度也是提高5G网络无线系统容量的有效的方法。以前无线通信网络采用单元划分方式来减小区半径,但是随着现代小区覆盖的减小，单元划分变得难以实现，需要超密集网技术,在数据使用量大的区域放置小型基站。结构如图3.2所示.

图3.2 超密集组网的结构示意简图

面对移动通信网络中数据使用大幅度增长的问题,使用超密集组网技术是一种有效的方法［

10]

，将小型基站放置在宏基站所覆盖的范围内,形成密集的异构网络，能够大大提高空间的重用

性。

3。2.1 超密集组网技术的优势

(1)移动性能提升

由于小型基站部署在宏基站的内部,可以始终保持宏基站与微基站之间的连接。微基站能够给用户提供连接，用户通过小型微基站就可以实现信息的添加，修改和删除.

（2）资源利用率提升

宏基站可以通过统一控制和管理小型基站,对小型基站动态开/关等给予协调管理，进行优

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化控制，提高整体的网络容量和资源使用效率，降低能耗。超密集组网络技术可以使终端在一些地区和发射节点之间的距离变得更近,能够得到更多的频谱，提升业务效率、频谱效率、大大提高系统容量

[11］

。

3。2。2 5G网络的超密集组网技术面临的问题与挑战

（1）干扰现象

在超密集组网中，由于各个节点之间的距离很小，信号将会将会互相干扰，主要类型是:共享频谱资源之间的干扰，相同频率之间干扰。在实际的应用中，如何有效的进行节点之间的协作,消除干扰已经成为一个关键问题,而现在业界提出的一系列的技术方案，尚未得到验证，效果依然需要测试。

（2）信令负荷

将小型基站大量的部署，使信号所覆盖的区域变得更加不规则，覆盖区域的边界数量增加，使信号需要通过更多的变换和切换.4G所使用的分布式交换算法信令负载会随着覆盖密度的增加以二次方趋势增加，这大大增大了网络控制信令的负载。现在超密集组网如何减少信令负荷是必须解决问题 [12]。

3.3 全频谱接入

全频谱接入技术是指通过有效的使用各种通信频段：高频段和低频段、连续频谱和不连续频谱等资源来提高数据传输速度和效率。所涉及的频带包括低于6GHz的低频带和6-100GHz的频带。选择频段时应遵循以下原则［13］:

（1）候选频段需要支持移动业务，并与频段内的其他现有业务兼容，以避免不同系统之间

的干扰.

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（2)候选频段需要具有宽的自由连续频谱，以满足5G网络高速率的传输。 (3）候选频带需要具有良好的传播特性。

由于卫星，广播，和地面的多种服务使用的频谱密集分布在6 GHz以下，如图3。3所示5G

网络的频谱资源在6 GHz以内可以用于低频带的频谱资源极为有限，无法满足5G网络的开发需求,必须开发6GHz以上的高频段。超过6 GHz的连续频谱资源非常丰富,非常适合未来增强的移动宽带高速连续大宽带需求［14].

图3.3 6 GHz以内频谱资源的使用情况

3。3。1 全频谱接入的应用场景

全频谱接入技术覆盖了较大的频率范围,频段间具有不同的特点和优势，通过频谱资源的灵活的部署，全频谱接入技术将满足未来5G网络需求的三大场景［15］。

（1）E MBB（增强型移动宽带）场景：6 GHz以下的低频带资源传播特性更适合满足增强覆

盖的需要，而高频带提供连续的大带宽，尽管高频带的衰减很大，覆盖面不好，但可以部署在热点区域，以提高速率和系统容量.所以高频和低频协作是满足E MBB场景的基本手段。

（2)M MTC（大规模机器类通信）场景：由于大规模机器类通信的速率要求较低,但对于覆盖

范围有较高的需求，故M MTC场景主要使用小于6GHz,特别是低于1GHz的频带。已经确定,在物联网中使用800M和900M频带中的窄带频带,能够满足大规模机器的通信需求。

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（3）U MTC（超可靠和低延迟通信）场景：U MTC场景需要超高的可靠性，因此频段的选择

将分配授权频谱。

3.3.2 全频段接入技术的优势

了解每个频段的特征是设计通信系统的基础，国际上对6 GHz以下频段的频谱特性进行了很多的研究，并且高频渠道特点的研究已经成为全频谱接入技术的关键项目.通过研究5G网络候选频带的信道传播特性并组合信道测量结果，构建高频信道模型，分析每个频点的使用场景,选择最合适的频带[16］对5G网络的实现具有巨大意义。

在高低混频网络中，使用了控制面和数据面分离技术，当终端处于数据密集区域时，由低频蜂窝网络来负责控制面的传输，高频蜂窝网络负责数据传输。而当终端在非高频基站覆盖的非是数据密集区时，控制面和数据面通过低频蜂窝网络传输。高频混合网络技术的使用可以有效地解决热点面积的速率和流量要求,而低频基站广泛覆盖可以减少基站数量，降低网络部署所需的成本。

3.3.3 全频段接入尚存在的问题

与低频设备技术和产业链相比，移动终端高频设备研究还处于起步阶段。目前的6—100 GHz元件在微波产品已经得到广泛使用，但现有的移动终端硬件技术不能支持高于6 GHz的高频带。高频带对于硬件的冲击主要在于射频模块，其中支持高频射频芯片需要修改射频核心,将导致整个射频芯片的设计变化。目前支持高频射频前端还没有实现小型化,无法集成到手机等小型移动终端。另外,随着频率的增加，天线的尺寸会减小，这将有利于大规模天线技术的部署，未来的移动终端也可以通过集成更多的天线来实现性能。目前，高频设备存在诸多问题，设计难度大，设备成本高,需要开发5G网络技术和加大产业链的投资[17]。

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3.4 新型多址技术

移动通信多址接入技术是为了满足多用户同时通信的需求,在用户同时通话时，能够防止相互干扰

［18]

。

根据信道类型，可以使用特定的多址技术进行通信。多址接入技术是现代移动通信系统的一个重要特征，在很大程度上，多址接入技术是移动通信技术发展的关键。下表3。1为四种新型的多址技术:

表3。1 四种多址技术的比较多址技术关键技术优点缺点 1 无明显远近效应 1。接收机复杂1 SIC（串行干非正交多址接2 上下链路的频度高扰删除）检测入（NOMA）谱效率提升 2。功率复用技2 功率域复用 3 下行链路吞吐术仍在研究中量提升 1 频谱效率提升1 低密度签名3倍以上算法 2 上行链路系统1 最优码的设稀疏编码多址2 高维调制技容量提升计和实现比较难接入技术（SCMA）术 3 相较于2 用户间干扰3 通过MPA进OFDMA，下行链路小区增加行近似最优检测的吞吐量提升，增益提升 1 适合复杂度1 图样的设计1 下行链路频谱的SIC的联合/整和最优化的实现较多址接入效率提升1。5倍体设计难（PDMA） 2 上行链路系统2 低复杂度最2 用户间干扰容量提升2—3倍大似然SIC检测增加。 1 SIC 检测 1 较低的块出错1 传输信号的2 复数域多元多用户共享接率设计比较难码入（MUSA） 2 支持大规模用2 用户间干扰3 叠加编码和户接入量增加叠加信号扩频技术 19

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第4章大规模天线传输技术

4。1 大规模天线系统设计

大规模天线系统中，受到5G毫米波技术的影响，使得天线尺寸能够足够的小,在单位面积内可以布置大量的天线，根据以往4G所采用的8根天线的MIMO系统［19]，其传输原理,获得设计理念，将以往的天线用天线块来代替,并布置更多的天线块，实现空间重用，在天线块的布置中每个天线间的间距为半波长，每个天线块之间的间距为十个波长，并且能够多个天线块同时同一终端传输信息，来实现空间分集、波束赋形。根据该理念来设计大规模天线系统.

图4.1 大规模天线系统架构设计

设计的大规模天线系统如图4.1，在该大规模天线系统中,实现空间分集和空间复用功能是以子天线块为单位，每个子天线块相当于多天线中的每个子天线，图4.1中所示的每个终端，至少接收2个子天线块发送的信号以实现空间分集。利用10个子天线块来支持4个终端，使该大规模天线系统可实现空间复用。而实现波束赋形功能同样是以子天线块为单位，每个子天线块是一个阵元数为n×m×q的阵列模块，所以图4。1中的每个子天线块发送的信号都是赋形波

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束。该系统中,由N×M个子天线块组成的多天线是一个二维系统，由n×m×q的阵元组成的阵列是一个三维系统,所以，该大规模MIMO天线中的总阵元数为大规模天线系统。

，是一个真正的

4.2 系统模型上的优势

将传统MIMO系统和该大规模天线系统的的系统模型进行对比,从基本模型对比来说明大规模天线系统的优势.

4.2。1 传统MIMO系统

MIMO技术在通信领域的早期便已经被提出,其能够增强通信。传统通信系统，一开始为单对单，即只有一个发射端,一个接受端,随着通信系统不断的发展，天线系统也在不断的发展,先后出现了多输入对单输出的天线系统和单输入对多输出的天线系统,并在20世纪90年代中期，多输入多输出的天线系统，MIMO（Multiple Input Multiple Output）系统应时而生。多输入多输出天线系统对为通信系统频谱效率的提高极为有效，MIMO系统成为通信领域中不可缺失的重要组成。

（1)MIMO系统模型

MIMO系统如上面所述，为多输入多输出的天线系统，其在接收端和发射段都使用多个天线单元，数据能够分解并利用多个天线来同时进行发射和接收,这种将数据先分解成小片段,然后并行发射，接受后在恢复,能够极大的提高传输的速率。

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图4。2 MIMO系统的简化模型

MIMO系统的传输模型如图4.2示,在MIMO天线系统的发射端有M根发射天线，在MIMO系统的接收段有N根接收天线,这样,整个天线传输链路就可以达到

条，用H来表示。

（4—1)

其中收到的信号为：

,表示第n根天线发射到第m根天线的通信链路，在MIMO系统中，接受端

（4—2）

其中

表示发射端发送的数据,为接受端天线收到的噪声。

4。2。2 大规模天线系统

大规模天线系统在第三章已经进行过简单的介绍，大规模天线系统是一种形式的MU—MIMO

（多用户多入多出）系统，其中基站端天线的数量很多。在大规模天线系统中，数百或数千个基站天线同时为相同频率的数十或数百个用户提供服务资源.大规模天线中基站的部分将装备

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大量的天线，大概100及以上,并能够同时的服务某一单天线的终端，大规模天线系统的天线结构如图4.3所示。

图4。3 大规模天线技术的结构

(2）大规模天线系统的系统模型如图4.4所示

图4.4 大规模天线系统的简化模型

如图4。4所示的大规模天线系统[20］,当有L个小区时,在小区的基站端布置N根天线，同时

为随机的分布到小区中的K个终端提供服务。对l小区内全部的终端到j小区内的基站的信道矩阵可以表示为

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(4-3）

其中

（4—4)

（4—5)

4。2。3 大规模天线系统的优势

根据MIMO系统的模型和该大规模天线系统模型的对比，该大规模天线系统的基站端的天线的数量有大幅度的增加,而且能够通过小区的基站为另一小区提供服务。根据最基本天线系统的信道矩阵便可以看出大规模天线系统的通信链路有明显的增加，能够在同一时间传输更多的信息。

4.3 系统频谱效率上的优势

本节主要通过简单介绍MIMO系统的频谱效率和大规模天线系统的频谱效率来从信息传输容量上说明大规模天线系统的优越性。频谱效率是指在通信系统中的带宽下，可以传送的数据的总量.它是在有限的频谱下，物理层通信协议能达到的使用效率的量度[21]。

4.3.1 MIMO系统的频谱效率

MIMO天线系统在发射端装备N条天线，在接受端装备M条天线，当一定时间内通信链路不

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变时，系统的频谱效率22为：

[］

(4—6)

SNR表示信噪比,H为通信信道，N为发射端天线数。当天线信道具有良好的非相干性时，可以看作为

个并行子信道,每个子信道理论上都拥有

（香农限）信道容量极限。相

对于MIMO天线系统之前的天线系统，MIMO天线系统的频谱效率已经得到了显著的提高,但是MIMO系统的频谱效率需要特定的的信道状态之下条件才能获得，在信道相关性较强的MIMO系统中,传输机制会被破坏，无法再提高系统频谱效率.

4。3。2 大规模天线系统上行链路

在基站端上行链路［23]所收到的信号可以表示为：

（4-7）

在公式（4—7）中，为所有的发送信号，是发送信号中的第矩阵（单小区），为接收到的噪声。为上行传输功率。

大规模天线系统的频谱效率为：

元素,H是上行信道的

（4-8）

在过去的实验中已经可以检测出如式(4-8）的系统频谱效率。当在基站端放置大量天线，甚至趋于无穷时,信道向量趋于正交，这时可以无视终端之间的干扰。

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4。3。3 大规模天线系统下行链路

在大规模天线系统的下行链路端置

［24]

，表示接受到的信号，大规模天线系统的下行信道用

来表示，终端收到的信号可以表示为：

（4—9）

表示从基站端发送出的信号，是零均值复高斯分布的加性噪声,为下行传输功率。通过功率分配大规模天线系统的下行频谱效率可表示为：

(4—10）

为正对角矩阵，通过功率配置，可达到最高的频谱效率。天线数越大，就越容易得到接近信道容量的速率。

4.3.4 大规模天线系统在频谱效率上的优势

结合上述频谱效率公式，将公式（4—6）和（4-8)对比，当天线数量很大时，大规模天线技术上行链路的传输效率相对于传统MIMO系统的频谱效率有显著提高.将公式（4—6）和（4-10）对比，天线数量越大,大规模天线系统下行链路的频谱效率相对于传统的MIMO系统越具有优势。大规模天线系统可以通过增加天线系统的中天线的数量来提高通信系统的频谱效率[25］，其频谱效率相对于传统的通信系统而言有着显着改善,提高了无线传输中的数据和业务。

面对通信可靠性的要求以及用户密度的始终增加。未来的无线通信需要新的技术，大规模天线系统可以满足这些需求。考虑上行链路传输(相同的参数可以用于下行链路传输。）有利传播的条件(用户之间的信道向量和基站成对正交)，上行链路传输的总容量为

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（4-11)

在（4-11）中,K是复用增益,M为阵列增益.当M和K很大时时，可以获得很大的光谱效率和能量效率，增加K和M,可以同时为更多用户提供更大的数据吞吐量.此外，加倍基站端天线的数量，可以将发射功率降低,而保持原有的服务质量。

4.4传播过程中的优势

4。4.1 传输关键参数

无线数据传输，要考虑的关键参数是无线吞吐量（比特/秒）其定义为：

吞吐量=带宽(Hz）×频谱效率(位/ s / Hz）.

显然，为了提高吞吐量，需要增加带宽或频谱效率［26］。一个众所周知的方式就是使用更多的天线.

在无线通信中，发射机和接收机之间传输的信号被衰落和衰减是由于多路径传播和传播过程中的障碍造成的.具有多输入多输出天线（MIMO）的传输是一种能用来提高通信的可靠性的技术。通过多个天线,可以发送多个数据流，因此，可以显着改善通信的复用增益容量。MIMO系统在过去几十年中得到了极大的关注现在已被纳入几代新一代无线标准。

4.4.2 MIMO系统传输原理

如图4。6所示，在发送端首先是对将收集到的信息和想要发送的信息进行数字调制，使信息变成能够被传输的数据，然后再将调制之后所形成的数据进行串并之间的转换，将一段串行的数据转换成多段能够同时传输的并行数据，再将通过空时编码后的每一段数据或几段数据分

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配给一根天线，最后通过天线将数据进行传输.在接收端，整个过程与发射的顺序刚好反过来，是通过天线接收到所需要信息的数据，然后在反空时编码,再由并行数据转为串行数据，然后通过解调,将数据还原成信息。

图4.6 MIMO天线系统的传输过程

4。4。3 MIMO系统的缺陷与大规模天线系统的优势

在天线系统中，对信号传播的容量、速率和传播可靠性提高主要是依赖空间分集，空间复用和波束赋形。其中空间分集是指在基站或终端设备使用多根天线接受相同信号，用以提高接收到的信号的质量。空间复用是指在同一频带上通过接受端和发射端的多根天线同时发送数据,来提高传输的容量.波束赋形是通过对天线阵列一些调整,使得天线发射出来的信号具有指向性，其能够减小信号传输过程中受到的干扰,大大提高信号传输的可靠性[27]。

传统MIMO天线系统中，天线的尺寸受到实际情况的[28]。在4G时代，信号传播的主要频率小于3 GHz，波长大于10厘米，使天线的尺寸大小受到导致基站和终端上所能布置的天线数很少，而这样的小数量的天线,使得空间复用，空间分集和波束赋形的作用受到约束。而在5G网络中将信号的传输将采用毫米波，毫米波的波长要短的多，能够使天线尺寸减小到毫米级,从几何尺寸上为大规模天线系统的实现提供了基础，能够使基站中建立存在数十个根，数千

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根的大规模天线系统。如图4。1设计的大规模天线系统，由N×M个子天线块组成，各子天线块间距分别为A、B，取10个波长.每个子天线块由n×m×q的三维阵元组成，各阵元间距分别为a、b、c，取半个波长。每个阵块既是一个波束赋形阵列，又是一个子天线块,所以这种大规模MIMO天线可以同时支持空间复用、空间分集和波束赋形.

4。5 小结

在本章中根据4G现在正在使用的MIMO系统，设计了一种可行的大规模天线系统，并从其系统模型、频谱效率、传播过程三个方面详细分析了该大规模天线系统相对于现在4G所使用的MIMO系统所具备的优势。

在系统模型上该大规模天线系统中天线布置数量大大增加，并且在覆盖区随机均匀的分布单天线的终端,显著提高了通信链路数量和通信效率。

在频谱效率上由公式（4-6）和（4—8)对比，当天线数量很大时，该大规模天线技术上行链路的传输效率相对于传统MIMO系统的频谱效率有显著提高。将公式(4-6）和(4—10）对比，天线数量越大，大规模天线系统下行链路的频谱效率相对于传统的MIMO系统越具有优势。

在传输方面，经过传输原理来分析,该大规模天线技术能更好的实现的空间分级，空间复用和波束赋形.而且除了上述方面性能的显著提升外，大规模天线系统的其他方面也有很大的提升

[29］

，国际上各个组织正不断的对其进行研究和试验。2015年,WIFI和LTE标准覆盖了8根天线,

部署了4个以上的网络。在实验室中,大规模天线技术功能已被证实，爱立信宣布将于2017年发货根的天线系统.华为,中兴和Facebook已经展示了96—128根的天线系统。

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总结

5G网络还没有进入我们的生活，通过现有的4G来推测并不能准确的得知当5G网络普及之后我们的社会将发生多大的改变，本文根据各大组织,通讯企业发布的关于5G网络的信息，介绍什么是5G网络，国际上对5G网络的要求，5G网络的应用场景还有5G网络的技术发展方向。文章中主要还对5G网络潜在的无线技术进行分析，介绍大规模天线技术、超密集组网、全频谱接入和新型多址的基本概念、优势、挑战.再单独针对大规模天线技术进行研究，根据4G网络使用的MIMO天线系统，设计一种大规模天线系统，将其系统模型、频谱效率和传输过程与4G网络中所用的MIMO天线系统进行对比，说明其优势.论文的具体内容如下:

（1)对5G移动通信系统进行简单介绍，说明什么是5G网络，5G网络应用场景,还有5G网络

的技术指标与技术方向.

（2）选取5G网络无线技术中潜力最大四种技术进行介绍，说明每种技术的应用场景，优势

还有其尚存在的问题或面临的挑战。

（3）针对大规模天线技术，结合现在所使用的MIMO天线技术,设计一种能够应用与5G网络

的大规模天线系统，通过分析它与MIMO天线系统架构上的区别,系统频谱效率的差距，还有传输方式上的不同从原理和应用来充分说明该大规模天线技术相对于传统的天线技术所具有的优势。

5G网络的道路上还需要不断的探索，在通信领域,统一的通信标准将会极大的促进全球通信的发展，所以及早的明确5G网络的关键技术将对5G网络的发展具有极大的意义。

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致谢

四年的大学学习和生活将要画上的句号，回顾这四年来的生活，得到了很多人的鼓励和帮助，尤其是和老师、同学一起度过的时光，是我人生中最美好的回忆.在此，我向大家表示感谢。

首先感谢我的导师郭丽芳.郭老师无论是在课堂上还是在生活中都给我提供了宝贵的学习资

源，指导我在学习上进步.郭老师严谨的治学态度、务实的工作作风及高度的责任感深深影响着我，必将有益于我以后的工作学习和生活.在此,在此向郭老师表示最崇高的敬意。

其次，我要感谢电子科与技术专业的同学们给与我的关怀和帮助，尤其是我的舍友们，他们给了我支持和鼓励，可以说，没有他们，我的大学学习不会有所成绩，在此向同学们表示感谢.我要感谢这帮的各位兄弟姐妹们,他们在学习及生活中给了我很多的鼓舞，和大家在一起，我充满了学习的动力，领悟到了生活的乐趣,这段美好的友谊，我终生难忘。

同时,我要感谢我的父母和家人，他们倾尽毕生的心血和汗水使我茁壮成长,他们给了我最大的支持和鼓励，尤其是当面对生活中的不顺畅,想想父母从小对我的教养，总能让我充满力量。我的父母给我的教诲，将会是我一生的财富。

另外，我还要感谢自己.在这个夏天，可能将要对自己的多年的求学生涯说再见了,真是舍不得这么多好时光,一幕幕难忘的时刻缠绕在脑海。

感谢百忙中为我审稿的各位老师

最后，感谢学校、学院、班级，感谢所有帮助、支持过我的亲朋好友,感谢所有的磨难，化我懂得了成长的滋味，收获更好的自己。

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外文原文

Cellular Architecture and Key Technologies for 5G Wireless

Communication Networks

ABSTRACT

The fourth generation of wireless communication systems have been deployed or are soon to be deployed in many countries. However， with an explosion of wireless mobile devices and services, there are still some challenges that cannot be accommodated even by 4G, such as the spectrum crisis and high energy consumption。 Wireless system designers have been facing the continuously increasing demand for high data rates and mobility required by new wireless applications and therefore have started research on fifth generation wireless systems that are expected to be deployed beyond 2020。 In this article， we propose a potential cellular architecture that separates indoor and outdoor scenarios, and discuss various promising technologies for 5G wireless communication systems, such as massive MIMO, energy—efficient communications, cognitive radio networks, and visible light communications. Future challenges facing these potential technologies are also discussed.

INTRODUCTION

The innovative and effective use of information and communication technologies （ICT） is becoming increasingly important to improve the economy of the world。 Wireless communication networks are perhaps the most critical element in the global ICT strategy， underpinning many other industries。 It is one of the fastest growing and most dynamic

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sectors in the world.

The European Mobile Observatory （EMO） reported that the mobile communication sector had total revenue of €174 billion in 2010, thereby bypassing the aerospace and pharmaceutical sectors。 The development of wireless technologies has greatly improved people5s ability to communicate and live in both business operations and social functions。

The phenomenal success of wireless mobile communications is mirrored by a rapid pace of technology innovation。 From the second generation (2G） mobile communication system debuted in 1991 to the 3G system first launched in 2001， the wireless mobile network has transformed from a pure telephony system to a network that can transport rich multimedia contents。 The 4G wireless systems were designed to fulfill the requirements of International Mobile Telecommunications Advanced （IMT-A） using IP for all services. In 4G systems， an advanced radio interface is used with orthogonal frequency—division multiplexing （OFDM）, multiple-input multiple-output （MIMO）, and link adaptation technologies。 4G wireless networks can support data rates of up to 1 Gb/s for low mobility， such as nomadic/local wireless access, and up to 100 Mb/s for high mobility， such as mobile access. Long—Term Evolution (LTE) and its extension， LTE—Advanced systems, as practical 4G systems， have recently been deployed or soon will be deployed around the globe。

However, there is still a dramatic increase in the number of users who subscribe to mobile broadband systems every year。 More and more people crave faster Internet access on the move， trendier mobiles， and， in general, instant communication with others or access to information. More powerful smartphones and laptops are becoming

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more popular nowadays, demanding advanced multimedia capabilities. This has resulted in an explosion of wireless mobile devices and services. The EMO pointed out that there has been a 92 percent growth in mobile broadband per year since 2006。 It has been predicted by the Wireless World Research Forum (WWRF） that 7 trillion wireless devices will serve 7 billion people by 2017; that is， the number of network-connected wireless devices will reach 1000 times the world's population。 As more and more devices go wireless， many research challenges need to be addressed。

One of the most crucial challenges is the physical scarcity of radio frequency （RF) spectra allocated for cellular communications。 Cellular frequencies use ultra-high-frequency bands for cellular phones, normally ranging from several hundred megahertz to several gigahertz。 These frequency spectra have been used heavily, making it difficult for operators to acquire more. Another challenge is that the deployment of advanced wireless technologies comes at the cost of high energy consumption。 The increase of energy consumption in wireless communication systems causes an increase of CO2 emission indirectly, which currently is considered as a major threat for the environment. Moreover， it has been reported by cellular operators that the energy consumption of base stations (BSs） contributes to over 70 percent of their electricity bill [5］. In fact, energy-efficient communication was not one of the initial requirements in 4G wireless systems, but it came up as an issue at a later stage。 Other challenges are, for example, average spectral efficiency, high data rate and high mobility， seamless coverage, diverse quality of service requirements, and fragmented user experience (incompatibility of different wireless devices/interfaces and heterogeneous networks）, to mention only a few.

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All the above issues are putting more pressure on cellular service providers， who are facing continuously increasing demand for higher data rates， larger network capacity， higher spectral efficiency, higher energy efficiency， and higher mobility required by new wireless applications。 On the other hand， 4G networks have just about reached the theoretical limit on the data rate with current technologies and therefore are not sufficient to accommodate the above challenges。 In this sense, we need groundbreaking wireless technologies to solve the above problems caused by trillions of wireless devices, and researchers have already started to investigate beyond 4G (B4G) or 5G wireless techniques. The project UK—China Science Bridges: (B）4G Wireless Mobile Communications (http://www。ukchinab4g。 ac.uk/) is perhaps one of the first projects in the world to start B4G research， where some potential B4G technologies were identified。 Europe and China have also initiated some 5G projects， such as METIS 2020 （https：//www。metis2020。 com/） supported by EU and National 863 Key Project in 5G supported by the Ministry of Science and Technology (M〇ST) in China。 Nokia Siemens Networks described how the underlying radio access technologies can be developed further to support up to 1000 times higher traffic volumes compared to 2010 travel levels over the next 10 years ［6］. Samsung demonstrated a wireless system using millimeter (mm) wave technologies with data rates faster than 1 Gb/s over 2 km。

What will the 5G network， which is expected to be standardized around 2020， look like？ It is now too early to define this with any certainty. However, it is widely agreed that compared to the 4G network， the 5G network should achieve 1000 times the system capacity， 10 times the spectral efficiency， energy efficiency and data rate （i。e。, peak data rate of 10 Gb/s for low mobility and peak data rate of 1 Gb/s for

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high mobility)， and 25 times the average cell throughput. The aim is to connect the entire world， and achieve seamless and ubiquitous communications between anybody (people to people）， anything (people to machine, machine to machine）， wherever they are （anywhere）， whenever they need （anytime）， by whatever electronic devices/services/networks they wish （anyhow). This means that 5G networks should be able to support communications for some special scenarios not supported by 4G networks （e.g。， for high-speed train users)。 High-speed trains can easily reach 350 up to 500 km/h, while 4G networks can only support communication scenarios up to 250 km/h。 In this article, we propose a potential 5G cellular architecture and discuss some promising technologies that can be deployed to deliver the 5G requirements。

The remainder of this article is organized as follows。 We propose a potential 5G cellular architecture。 We describe some promising key technologies that can be adopted in the 5G system. Future challenges are highlighted. Finally, conclusions are drawn。

A POTENTIAL 5G WIRELESS CELLULAR ARCHITECTURE

To address the above challenges and meet the 5G system requirements， we need a dramatic change in the design of cellular architecture. We know that wireless users stay indoors for about 80 percent of time, while only stay our doors about 20 percent of the time [8]。 The current conventional cellular architecture normally uses an outdoor BS in the middle of a cell communicating with mobile users, no matter whether they stay indoors or outdoors。 For indoor users communicating with the outdoor BS， the signals have to go through building walls， and this causes very high penetration loss, which significantly damages the data rate， spectral efficiency, and energy efficiency of

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wireless transmissions。

One of the key ideas of designing the 5G cellular architecture is to separate outdoor and indoor scenarios so that penetration loss through building walls can somehow be avoided. This will be assisted by distributed antenna system (DAS) and massive MIMO technology [9］, where geographically distributed antenna arrays with tens or hundreds of antenna elements are deployed。 While most current MIMO systems utilize two to four antennas， the goal of massive MIMO systems is to exploit the potentially large capacity gains that would arise in larger arrays of antennas. Outdoor BSs will be equipped with large antenna arrays with some antenna elements （also large antenna arrays） distributed around the cell and connected to the BS via optical fibers, benefiting from both DAS and massive MIMO technologies。 Outdoor mobile users are normally equipped with limited numbers of antenna elements， but they can collaborate with each other to form a virtual large antenna array, which together with BS antenna arrays will construct virtual massive MIMO links。 Large antenna arrays will also be installed outside of every building to communicate with outdoor BSs or distributed antenna elements of BSs， possibly with line of sight （LoS） components。 Large antenna arrays have cables connected to the wireless access points inside the building communicating with indoor users。 This will certainly increase the infrastructure cost in the short term while significantly improving the cell average throughput, spectral efficiency， energy efficiency， and data rate of the cellular system in the long run.

Using such a cellular architecture， as indoor users only need to communicate with indoor wireless access points （not outdoor BSs) with large antenna arrays installed outside buildings， many technologies can be utilized that are suitable for short-range

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communications with high data rates. Some examples include WiFi， femtocell， ultra wideband （UWB）， mm-wave communications (3—300 GHz） [7］, and visible light communications (VLC) (400—490 THz）［10］。 It is worth mentioning that mm—wave and VLC technologies use higher frequencies not traditionally used for cellular communications. These high-frequency waves do not penetrate solid materials very well and can readily be absorbed or scattered by gases, rain, and foliage. Therefore, it is hard to use these waves for outdoor and long distances applications. However, with large bandwidths available, mm- wave and VLC technologies can greatly increase the transmission data rate for indoor scenarios. To solve the spectrum scarcity problem, besides finding new spectrum not traditionally used for wireless services （e.g.， mm-wave communications and VLC）, we can also try to improve the spectrum utilization of existing radio spectra, for example， via cognitive radio （CR) networks [11]。

The 5G cellular architecture should also be a heterogeneous one， with macrocells， microcells， small cells， and relays. To accommodate high-mobility users such as users in vehicles and highspeed trains， we have proposed the mobile femtocell concept ［12］, which combines the concepts of mobile relay and femtocell。 MFemtocells are located inside vehicles to communicate with users within the vehicle， while large antenna arrays are located outside the vehicle to communicate with outdoor BSs. An MFemtocell and its associated users are all viewed as a single unit to the BS。 From the user point of view， an MFemtocell is seen as a regular BS。 This is very similar to the above idea of separating indoor （inside the vehicle） and outdoor scenarios。 It has been shown in ［12］ that users using MFemtocells can enjoy high—data—Rate services with reduced signaling overhead. The above proposed 5G heterogeneous cellular architecture is

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illustrated in Fig。 1。

Figure 1. A proposed 5G heterogeneous wireless cellular architecture。

PROMISING KEY 5G WIRELESS TECHNOLOGIES

In this section, based on the above proposed heterogeneous cellular architecture, we discuss some promising key wireless technologies that can enable 5G wireless networks to fulfill performance requirements。 The purpose of developing these technologies is to enable a dramatic capacity increase in the 5G network with efficient utilization of all possible resources。 Based on the well—known Shannon theory, the total system capacity QU can be approximately expressed by

Csum

piBi log21 (1） NpHetNetsChanneschannel,

where Bi is the bandwidth of the channel, Pi is the signal power of the

and Np denotes the noise power。 From Eq. 1, it is clear that the total system capacity

is equivalent to the sum capacity of all subchannels and heterogeneous networks。

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To increase ， we can increase the network coverage (via heterogeneous networks

with macrocells， microcells， small cells， relays, MFemtocell ［12], etc.), number of subchannels （via massive MIMO [9］, spatial modulation [SM] [13］, cooperative MIMO， DAS， interference management, etc。)， bandwidth (via CR networks ［11]， mm—wave communications， VLC ［10］， multi—standard systems, etc.）, and power (energy—efficient or green communications)。 In the following, we focus on some of the key technologies.

MASSIVE MIMO

MIMO systems consist of multiple antennas at both the transmitter and receiver. By adding multiple antennas， a greater degree of freedom （in addition to time and frequency dimensions) in wireless channels can be offered to accommodate more information data。 Hence, a significant performance improvement can be obtained in terms of reliability， spectral efficiency, and energy efficiency。 In massive MIMO systems, the transmitter and/or receiver are equipped with a large number of antenna elements (typically tens or even hundreds). Note that the transmit antennas can be co—located or distributed (i.e。, a DAS system) in different applications. Also, the enormous number of receive antennas can be possessed by one device or distributed to many devices. Besides inheriting the benefits of conventional MIMO systems, a massive MIMO system can also significantly enhance both spectral efficiency and energy efficiency [9］。 Furthermore, in massive MIMO systems, the effects of noise and fast fading vanish, and intracell interference can be mitigated using simple linear precoding and detection methods. By properly using multiuser MIMO （MU—MIM〇) in massive MIMO systems， the

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medium access control (MAC） layer design can be simplified by avoiding complicated scheduling algorithms [14］. With MU- MIMO, the BS can send separate signals to individual users using the same time-frequency resource， as first pro. Consequently， these main advantages enable the massive MIMO system to be a promising candidate for 5G wireless communication networks。

SPATIAL MODULATION

Spatial modulation, as first proposed by Haas et al., is a novel MIMO technique that has been proposed for low-complexity implementation of MIMO systems without degrading system performance [13］. Instead of simultaneously transmitting multiple data streams from the available antennas， SM encodes part of the data to be transmitted onto the spatial position of each transmit antenna in the antenna array。 Thus， the antenna array plays the role of a second (in addition to the usual signal constellation diagram) constellation diagram (the so-called spatial constellation diagram)， which can be used to increase the data rate (spatial multiplexing) with respect to single-antenna wireless systems. Only one transmit antenna is active at any time， while other antennas are idle。 A block of information bits is split into two sub—blocks of log2（

） and log2(M) bits， where NB and M are the number of transmit antennas

and the size of the complex signal constellation diagram， respectively. The first sub-block identifies the active antenna from a set of transmit antennas， while the second sub—block selects the symbol from the signal constellation diagram that will be sent from that active antenna。 Therefore， SM is a combination of space shift keying （SSK） and amplitude/phase modulation. Figure 2 shows the SM constellation diagram

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with 4 transmit antennas （NB = 4） and quadrature phase shift keying (QPSK） modulation （M = 4) as an example。 The receiver can then employ optimal maximum likelihood （ML) detection to decode the received signal.

Spatial modulation can mitigate three major problems in conventional MIMO systems: inter channel interference, inter—antenna synchronization, and multiple RF chains [13]。 Moreover， low—complexity receivers in SM systems can be designed and configured for any number of transmit and receive antennas， even for unbalanced MIMO systems。 We have to point out that the multiplexing gain in SM increases logarithmically with the increase in the number of transmit antennas, while it increases linearly in conventional MIMO systems。 Therefore， the low implementation complexity comes at the expense of sacrificing some degrees of freedom。 Most research on SM focuses on the case of a single receiver (i。e。， single-user SM)。 Multi-user SM can be considered as a new research direction to be considered in 5G wireless communication systems。

Figure 2. SM constellation diagram using four transmit antennas (N B = 4)

and QPSK modulation.

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COGNITIVE RADIO NETWORKS

The CR network is an innovative software defined radio technique considered to be one of the promising technologies to improve the utilization of the congested RF spectrum [9]. Adopting CR is motivated by the fact that a large portion of the radio spectrum is underutilized most of the time。 In CR networks， a secondary system can share spectrum bands with the licensed primary system， either on an interference—free basis or on an interference—tolerant basis ［9]. The CR network should be aware of the surrounding radio environment and regulate its transmission accordingly。 In interference—free CR networks, CR users are allowed to borrow spectrum resources only when licensed users do not use them。 A key to enabling interference—free CR networks is figuring out how to detect the spectrum holes (white space） that spread out in wideband frequency spectrums。 CR receivers should first monitor and allocate the unused spectrums via spectrum sensing (or combining with geolocation databases） and feed this information back to the CR transmitter。 A coordinating mechanism is required in multiple CR networks that try to access the same spectrum to prevent users colliding when accessing the matching spectrum holes. In interference-tolerant CR networks， CR users can share the spectrum resource with a licensed system while keeping the interference below a threshold。 In comparison with interference—free CR networks, interference—tolerant CR networks can achieve enhanced spectrum utilization by opportunistically sharing the radio spectrum resources with licensed users, as well as better spectral and energy efficiency。 However, it has been shown that the performance of CR systems can be very sensitive to any slight change in user densities， interference threshold， and transmission behaviors of the licensed system。 This fact is illustrated in Fig。 3,

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where we notice that the spectral efficiency decreases quickly with the increase in the number of primary receivers. However， the spectral efficiency can be improved by either relaxing the interference threshold of the primary system or considering only the CR users who have short distances to the secondary BS. In [15］, hybrid CR networks have been proposed for adoption in cellular networks to explore additional bands and expand the capacity.

Figure 3. The average system spectral efficiency of a CR network as a function of the number of primary receivers with different values of interference thresh-

olds Q (number of secondary receivers = 20）。

MOBILE FEMTOCELL

The MFemtocell is a new concept that has been proposed recently to be a potential candidate technology in next generation intelligent transportation systems [12]。 It combines the mobile relay concept (moving network） with femtocell technology。 An MFemtocell is a small cell that can move around and dynamically change its connection to an operator's core network. It can be deployed on public transport buses， trains, and even private cars to enhance service quality to users within vehicles。 Deployment of MFemtocells can potentially benefit cellular networks。 First， MFemtocells can

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improve the spectral efficiency of the entire network。 To demonstrate this fact, Fig. 4 compares the average spectral efficiency of the direct transmission scheme and an MFemtocell-enhanced scheme with two resource partitioning schemes (i。e., orthogonal and non-orthogonal resource partitioning schemes） as a function of the percentage of users associated with MFemtocells. Also， the comparison is done between maximum signal—to-noise ratio （MAX-SNR) and proportional fairness (PF） scheduling algorithms。 We can see that increasing the percentage of users that communicate with the BS through MFemtocells leads to an increase in spectral efficiency, which is much better compared to the case where users communicate directly with the BS (i。e., the direct transmission scheme）。 Second， MFemtocells can contribute to signaling overhead reduction of the network。 For instance, an MFemtocell can perform a handover on behalf of all its associated users， which can reduce the handover activities for users within the MFemtocell. This makes the deployment of MFemtocells suitable for high-mobility environments。 In addition, the energy consumption of users inside an MFemtocell can be reduced due to relatively shorter communication range and low signaling overhead。

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Figure 4. Average spectral efficiency of system—level MFemtocells with multi—

user scheduling and resource partitioning schemes

VISIBLE LIGHT COMMUNICATION

Visible light communication uses off-the-shelf white light emitting diodes (LEDs) used for solid-state lighting (SSL） as signal transmitters and off-the-shelf p-intrinsic-n (PIN) photodiodes （PDs) or avalanche photo—diodes (APDs） as signal receivers [10］。 This means that VLC enables systems that illuminate and at the same time provide broadband wireless data connectivity。 If illumination is not desired in the uplink, infrared （IR) LEDs or indeed RF would be viable solutions. In VLC, the information is carried by the intensity （power） of the light. As a result， the information—carrying signal has to be real valued and strictly positive. Traditional digital modulation schemes for RF communication use complex valued and bipolar signals. Modifications are therefore necessary， and there is a rich body of knowledge on modified multi—carrier modulation techniques such as OFDM for intensity modulation (IM) and direct detection （DD）. Data rates of 3.5 Gb/s have been reported from a single LED。 It has to be noted that VLC is not subject to fast fading effects as the wavelength is significantly smaller than the

detector area. While the link-level demonstrations are important steps to prove that VLC is a viable technique to help mitigate spectrum bottlenecks in RF communications, it is essential to show that full-fledged optical wireless networks can be developed by using existing lighting infrastructures。 This includes MU access techniques， interference coordination， and others。 To this end, let us assume multiple light fixtures in a room。 Each of these light fixtures is envisaged to function as a very

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small optical BS resulting in a network of very small cells called optical attocells。 This is in analogy to femtocells in RF communications and in recognition of the fact that a single room can be served by many of these very small cells. An optical attocell covers an area of 1-10 m2 and distances of about 3 m。 It is well known in cellular RF communications that small cells have significantly contributed to recent improvements in network spectral efficiency. However, the main limiting factor is interference。 Optical attocells are less subject to interference since lightwaves do not propagate through walls. The ratio of the area spectral efficiency （ASE） in bits per second per Hertz per square meter attained for the attocell network and the ASE for the femtocell network is illustrated in Fig. 5 against a varying number of femtocells per floor。 The number of optical access points per room varies from one to four。 The gains diminish as the number of femtocells per floor is increased as expected, but the gain is still above 100 for 20 femtocells per floor and 4 optical attocells per room. The maximum gain in ASE is close to 1000。 As an example, let us assume a typical ASE of 1.2 b/s/Hz/m2 for the optical attocell network and a bandwidth of 10 MHz for LED and RF。 This would mean that users can on average share a total of 300 Mb/s in a 5 m x 5 m x 3 m room in the case of the optical attocell network。 In the case of the RF femtocell network and the best case of 20 femtocells per floor， the attainable capacity for the same room is only about 3 Mb/s.

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Figure 5。 The ratio of ASE attained for the optical attocell network to ASE for

the femtocell network against varying numbers of femtocells per floor。

GREEN COMMUNICATIONS

The design of 5G wireless systems should take into account minimizing the energy consumption in order to achieve greener wireless communication systems Wireless system

operators around the world should aim to achieve such energy consumption reductions, which consequently contribute to the reduction of CO2 emissions. The indoor communication technologies are promising deployment strategies to get better energy efficiency。 This is because of the favorable channel conditions they can offer between the transmitters and receivers。 Moreover， by separating indoor traffic from outdoor traffic， the marcocell BS will have less pressure in allocating radio resources and can transmit with low power， resulting in a significant reduction in energy consumption. VLC and mm—wave technologies can also be considered as energy efficient wireless communication solutions to be deployed in 5G wireless systems. For example, in VLC systems the consumed energy in one bulb is much less than that in its RF—based

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equivalents for transmitting the same high-density data.

FUTURE CHALLENGES IN 5G WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS

Although there have been some developments in the above potential key 5G wireless technologies， there are still many challenges ahead. Due to the limited space, in this section we only discuss some of these challenges.

OPTIMIZING PERFORMANCE METRICS

The evaluation of wireless communication networks has been commonly characterized by considering only one or two performance metrics while neglecting other metrics due to high complexity. For a complete and fair assessment of 5G wireless systems， more performance metrics should be considered。 These include spectral efficiency, energy efficiency， delay， reliability， fairness of users， QoS， implementation complexity， and so on. Thus， a general framework should be developed to evaluate the performance of 5G wireless systems, taking into account as many performance metrics as possible from different perspectives. There should be a trade—off among all performance metrics。 This requires high—complexity joint optimization algorithms and long simulation times.

REALISTIC CHANNEL MODELS FOR 5G WIRELESS SYSTEMS

Realistic channel models with proper accura—cy-complexity trade—off are indispensable for some typical 5G scenarios， such as massive MIMO channels and high—mobility channels （e.g., high-speed train channels and vehicle—to— vehicle channels)。 Conventional MIMO channel models cannot be directly applied to massive MIMO channels in which different antennas may observe different sets of clusters. Massive

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MIMO channel models should take into account specific characteristics that make them different from those in conventional MIMO channels, such as the spherical wavefront assumption and non-stationary properties。 Also, 3D massive MIMO models， which jointly consider azimuth and elevation angles， are more practical but more complicated。 Some existing massive MIMO channel models are briefly summarized and classified in Table 1 [14］。

Compared to conventional low—mobility wireless channels， high-mobility channels have greater dynamics and possibly more severe fading, and are essentially non-stationary. How to characterize non-stationary high—mobility channels is also very challenging。

Table 1。 Recent advances in massive MIMO channel models.

REDUCING SIGNAL PROCESSING COMPLEXITY FOR MASSIVE MIMO

One technical challenge in developing massive MIMO systems is the signal processing complexity。 As transmit and receive signals are quite lengthy， the search algorithms

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must be performed over many possible permutations of symbols. In the current literature， massive MIMO research is often treated as a detection problem based on a search motivated by the well-known ML criterion. The existing detection algorithms assume that the channel has been perfectly estimated， which appears to be an unreasonable assumption given the size of the channel matrix and thus amount of channels to be tracked。 A possible solution to this problem is to apply the SM concept to massive MIMO systems。 In this case, the spatial signature of each antenna needs to be different from the point of view of the receiver because data is encoded into the choice of transmit antenna active in the transmit array. It is therefore possible that channel estimation does not need to be exact but rather be merely sufficient to distinguish each transmit antenna。 This may be a reasonable prospect， especially if the receive array is large， in which case each transmit antenna would have a quite detailed and thus distinct spatial signature。

INTERFERENCE MANAGEMENT FOR CR NETWORKS

A major issue in interference—tolerant CR networks in 5G is how to reliably and practically manage the mutual interference of CR and primary systems. Regulating the transmit power is essential for the CR system to coexist with other licensed systems. An interference temperature model is introduced for this purpose to characterize the interference from the CR to the licensed networks。 Interference cancellation techniques should also be applied to mitigate the interference at CR receivers. Another issue in interference—tolerant CR networks is that a feedback mechanism is important to periodically inform the CR network about the current interference status at the licensed system。 A practical solution is that the interference state information can be sent

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from licensed systems and collected by a central unit (or a third party system)。 Any CR network should first register to the central unit in order to be updated regarding the allowed spectrum and interference. Alternatively， the CR transmitters can listen to beacon signals transmitted from the primary receivers and rely on the channel reciprocity to estimate the channel coefficient。 In this case, the CR transmitters can cooperate among themselves to regulate the transmit power and prevent the interference at the primary receivers being above the threshold。

CONCLUSIONS

In this article， the performance requirements of 5G wireless communication systems have been defined in terms of capacity， spectral efficiency, energy efficiency, data rate， and cell average throughput. A new heterogeneous 5G cellular architecture has been proposed with separated indoor and outdoor applications using DAS and massive MIMO technology。 Some short-range communication technologies, such as WiFi, femtocell, VLC， and mm-wave communication technologies, can be seen as promising candidates to provide high-quality and high—data-rate services to indoor users while at the same time reducing the pressure on outdoor BSs. We have also discussed some potential key technologies that can be deployed in 5G wireless systems to satisfy the expected performance requirements, such as CR networks， SM， MF to cells， VLC， and green communications, along with some technical challenges。

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中文翻译

5G 无线通信网络蜂窝结构体系和关键技术

摘要

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，随着无线移动设备和服务爆炸式的发展，它们仍然面临着甚至4G不能调解的一些挑战，例如，频谱危机和高能耗。无线系统设计人员面临着不断增长的高数据率和移动性要求的需求的新的无线应用.因此,已经开始研究第五代无线系统,预计将在2020年部署。在本文中，我们提出一个潜在的蜂窝体系结构,分室内场景和室外场景，并讨论5G无线通信系统各种有前途的技术，比如，大规模MIMO，节能高效通信,认知无线电网络和可见光通信。还讨论了未来面对这些潜在的技术的挑战。

介绍

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战略中可能是最为关键的因素，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。无线技术的发展大大提高了人们的沟通能力、在商业活动和社交活动中的生活。

无线移动通信显著的成就反映技术更新快速步调。从第2代移动通信系统(2G)在1991年的初次露面到3G系统在2001年首次着手进行,无线移动系统从一个单纯的电话系统已经变换成一个能传输丰富多媒体内容的网络。4G无线系统设计满足高级国际移动通信（IMT-A）的需求，利用IP协议提供所有服务。在4G系统,采用一种高级无线电接口,是利用正交频分复用（OFDM），多输入多输出(MIMO）和链路适配（或自适应）技术.4G无线网络可以支持在低速移动中1 Gb/s

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速率，例如漫游/本地无线接入；在高速移动中最高100Mb/s，例如移动接入.长期演进（LTE）和它的延伸，先进的长期演进系统,作用可实现的4G系统，最近已部署或很快将在全球部署。

然而，订制移动宽带系统的用户数量每年都在以引人关注的增加。越来越多的人渴望更快的移动互联网接入服务,时尚的手机,总的来说，与他人或获取信息的即时通信。当今为更强大的智能手机和便携式电脑越来越受欢迎,它追求先进的多媒体功能。这导致了无线移动设备和服务的爆发。EMO指出，从2006年以来移动宽带每年以92%的速度增长.它已被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。随着越来越多的设备无线上网,很多研究需要面临解决的挑战.

最关键性的挑战之一是物理上为蜂窝通信分配的射频（RF）频谱十分稀缺。蜂窝频率使用超高频段的手机，通常范围从几百MHz到几GHz.这些频谱大量被使用，使运营商获得更多的频谱很困难。另一个挑战是,先进的无线技术的部署是以高能耗为代价 .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,目前被认为是对环境的一大威胁。此外，它已被报道,蜂窝运营商基站（BSS）的能耗占他们的电费账单70％。事实上,节能高效的通信不在4G无线系统的初始条件之一，但它是后一阶段的问题。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），仅举几例。

所有上述问题给蜂窝服务供应商施加更多压力，他们正面临着不断增加更高的数据传输速率，更大的网络容量,更高的频谱效率，更高的能源效率,高流动性的新的无线应用所需的需求。另一方面,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。在这个意义上，我们需要突破性的无线技术来解决由数万亿无线设备造成上述问题，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:（B）4G无线移动通信(http://www。ukchinab4g.ac.uk /）或许是世界上第一个开始研究B4G的项目，其中一些潜在的B4G技术被鉴定.欧洲和中国也开始了一些5G项目，如由欧盟支持的METIS 2020项目，和在中国由科技部

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支持的国家863重点项目在5G。诺基亚西门子网络描述了潜在的无线接入技术可以进一步发展，以支持在接下来的10年与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）波技术无线系统在2公里的情况下传输速率超过1 GB / s。

5G网络将是什么，预期2020年左右使其标准化,是什么样子的？现在定义为时过早。然而，人们普遍认为，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10 GB / s和在高速移动下峰值速率为1 GB / s），和25倍的平均小区吞吐量。目的是连接整个世界，实现无缝和无处不在的通信,任何人之间（人与人），任何事物之间（人与机器，机器与机器），无论他们在哪里(任何地方），无论他们什么时候需要(任何时候)，无论他们想用什么电子设备/服务/网络（无论如何）。这意味着,5G网络应该能够支持一些特殊场景的通信，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500公里/小时,而4G网络只能支持的通信场景为250公里/小时.在这篇文章中，我们提出了一个潜在的5G的蜂窝体系结构和讨论一些有前途的技术，可以部署提供5G的要求。

本文的其余部分安排如下：我们提出了一个潜在的5G蜂窝体系结构。我们描述了一些有前途的关键技术，可以在5G系统采用。未来的挑战也重点强调了。最后，得出结论。

一个潜在的5G无线蜂窝结构

为了解决上述挑战和满足5G系统的要求，我们需要在蜂窝结构的设计中有一个引人注目的变化。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。目前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，无论他们在室内还是室外。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，以及能量效率。

一种5G蜂窝结构设计的关键理念是单独的室外和室内场景，以便用这种方式避免通过建筑物的墙壁造成的穿透损耗。这将借助于分布式天线系统（DAS）和大规模MIMO技术，在地理上

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的分布式天线阵列是由部署数十或数百个天线单元构成的。虽然目前大多数的MIMO系统利用两到四根天线,大规模MIMO系统的目标是在大型天线阵列中开拓出潜在的大容量增益。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,受益于DAS和大规模MIMO技术.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，连同BS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。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的同时,从长远来看会显著提高小区的平均吞吐量,频谱效率，能源效率，和数据速率的蜂窝系统。

使用这样的蜂窝结构，室内用户只需和室内无线接入点通信（不是室外BSS），与大型阵列天线安装在建筑物外面,许多适于短距离高数据速率通信的技术可以利用.一些例子包括WiFi，飞蜂窝，超宽带（UWB），毫米波通信（3—300GHz），和可见光通信（VLC)(400-490THz）。值得一提的是,毫米波和VLC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（例如，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.

5G蜂窝结构也应该是异构的，包括宏蜂窝，微蜂窝，小蜂窝，和中继。为了适应高移动用户,如用户在车辆和高速列车上。我们已经提出了移动飞蜂窝(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

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内）和室外场景分离的想法。这证明用户使用移动飞蜂窝可以减少信令开销享受高数据速率服务。上述5G异构蜂窝结构,如图1所示。

图1 一种5G异构无线蜂窝结构

有前途的关键5G无线技术

在这一部分中,基于前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：

piCsumBi log21 （1)

NpHetNetsChannes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1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,我们可以增加网络的覆盖范围（如宏蜂窝，微蜂窝，小蜂窝，中继，移动飞蜂窝等异构网络），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），带宽

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（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），和功率（能量效率或绿色通信）。在下面，我们重点关注的一些关键技术。

大规模MIMO

MIMO系统是由发射机和接收机都有多个天线组成。通过增加多个天线，在无线信道中一个更大的自由度（除了时间和频率维度外）能够容纳更多的信息数据.因此，在可靠性、频谱效率、能源效率方面性能可以获得一个显着的改善。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(一般为几十或甚至数百个）.请注意，发射天线根据不同的应用可以是集中或分布式（即，一个分布式天线系统DAS).同时，庞大的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，一个大规模MIMO系统可以显著提高频谱效率和能量效率。此外,在大规模MIMO系统中，噪声和快速衰落消失的影响和小区内的干扰可以使用简单的线性预编码和检测方法来减轻。在大规模MIMO系统中，通过合理地利用多用户MIMO（MU-MIMO)技术，通过避免复杂的调度算法来简化介质访问控制（MAC）层的设计。就MUMIMO技术来说，最早提出基站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。因此，这些优点使大规模MIMO系统成为5G无线通信网络中一种很有前途的候选者。

空间调制（SM)

空间调制，最初哈斯等人提出的，是一个新颖的MIMO技术，已经在低复杂设备的MIMO系统被提出，不降低系统性能的。代替了从可用天线同时发送多个数据流，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,天线阵列中的第二次（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）相对于单天线无线系统。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

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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。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。接收机可以采用最佳最大似然(ML）检测,译码接收的信号.

空间调制可以减轻在传统MIMO系统中三大问题:信道间干扰，天线间的同步，和多个RF链[ 13 ]。此外，在空间调制SM系统中,可以设计低复杂度接收机，并配置任何数量的发射和接收天线,即使不平衡MIMO系统。我们必须指出，随着发送天线数量的增加SM复用增益成对数增加，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.

图2 采用四个发射天线（NB = 4）和QPSK调制的SM星座图

认知无线电网络

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一部分无线电频谱未被充分使用.在CR网络中，次系统能够与授权系统共享频段，可以在一个无干扰的基础上或在干扰容忍基础上。

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CR网络应该意识到周围的无线环境和调节其相应传输.在无干扰的CR中，CR用户允许借用频谱资源，当授权的用户不使用它们。使无干扰的CR网络成为可能的一个关键是找出如何检测出分布在宽带频谱的频谱空洞（白色空间）。CR接收机首先应该通过频谱感知（或结合地理定位数据库）监控和分配未使用的频谱,并把信息反馈给CR发射机。在多个CR网络尝试接入相同的频谱时，需要协调机制防止用户接入匹配的频谱空穴发生碰撞。在干扰容忍CR网络中，在干扰保持低于阈值(临界值)期间，CR用户可以与授权系统共享频谱资源。与无干扰的CR网络相比，干扰容忍CR网络通过适当时机共享授权用户无线电频谱资源，可以达到提高频谱利用率,以及更好的频谱和能源效率。然而，它已经表明,CR系统的性能对于在用户密度、干扰阈值和授权系统的传输性能的任何轻微变化非常敏感.这一事实，如图3所示,我们注意到,在主接收器的数量增加的频谱效率迅速降低。然而，频谱效率可以通过放松的主系统的干扰阈值或只考虑CR用户谁到第二BS距离短得到提高改善。在，混合CR网络中已经被提出，并在蜂窝网络采用，目的是探索另外的频带和扩大容量。

图3 关于取不同干扰阈值Q（次接收机数量为20)时， CR网络平均系统频谱效率作为主接收器数量为

函数的图示

移动飞蜂窝（移动超小型化移动基站）

移动飞蜂窝MFemtocell是一个新的概念，最近已经提出作为一个潜在的候选技术在下一代智能运输系统[ 12 ］。它结合了移动中继的概念(移动网络）与飞蜂窝技术.一个MFemtocell是一个小的基站,可以四处移动和动态变化，与运营商的核心网络连接。它可以部署在公交车、火

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车、甚至私人汽车上，提高车内用户的服务质量。部署MFemtocell可能有益于蜂窝网络。首先，MFemtocell可以提高整个网络的频谱效率。为了证明这一事实，图4比较了直接传输方案的平均频谱效率和MFemtocell增强方案两种资源划分方案(即，正交和非正交资源划分方案)作为一种与MFemtocell连接的用户比例的函数.同时，比较了最大信噪比之间的（MAX—SNR）和比例公平（PF）调度算法。我们可以看到,通过增加MFemtocell与BS通信的用户比例导致频谱效率的增加,这比用户直接与BS通信好得多(即，直接传输方案）.第二，MFemtocell可以促进网络信令开销的减少.例如，一个MFemtocell可以对所有与之相关联的代表用户执行切换，从而减少在MFemtocell内用户切换活动。这使得MFemtocell部署适合高速移动环境下。此外，在MFemtocell内由于相对较短的通信范围和较低的信令开销，用户的能源消耗可以减少.

图4 系统级MFemtocell的平均频谱效率与多用户调度和资源分配方案图示

可见光通信

可见光通信使用现成的白光发光二极管（LED）用于固态照明（SSL）信号发射机,和现成的对本征（PIN)光电二极管（PDs）或雪崩光电二极管（APD）作为信号接收机[ 10 ］。这意味着,VLC使系统在照明同时，提供宽带无线数据连接。如果在上行链路不需要照明，红外（IR）发光二极管或甚至射频是确实可行的解决方案。在VLC，信息是通过光的强度（功率)进行传输。因此，携带信息的信号必须是实数值和严格为正。传统的数字调制方案射频通信使用复数和双极性信号。因此，必须修改,并有基于改进的多载波调制技术的丰富知识实体，比如OFDM强度调制（IM）

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和直接检测（DD)。据报道,从一个单一的LED数据率已可以达到3.5 GB / s.必须指出的是,VLC不受快衰落的影响，由于波长明显小于检测器面积。链路级论证的重要步骤是证明VLC是帮助减轻射频通信的频谱瓶颈的一种可行的技术，它可以利用现有的照明设施开发成熟的无线光网络是必不可少的.这包括多用户接入技术，干扰协调等等.最后，让我们假设在一个房间有多个发光体固定装置。每个发光体固定装置想像担任一个非常小的光学基站形成一个非常小的蜂窝网络被称为光学attocells(渺蜂窝）.这是类似于在射频通信的femtocell，事实上一个房间可以由许多这些非常小的蜂窝服务。一种光学渺蜂窝attocell覆盖面积为1～10 m2，距离约3m。众所周知，在蜂窝射频通信中，小的蜂窝明显有助于提高网络的频谱效率.然而，主要的因子是干扰。由于光波不能穿过墙蔓延，所以光学attocells较少受到干扰。面积频谱效率（ASE）采用每平方米每赫兹每秒比特（bit/s/Hz/m2）表示，如图5所示，是attocell网络的ASE和femtocell网络的ASE的比值与每层楼不同数量的femtocell的图示说明。每个房间的光接入点的数量从一到四变化。和预期的一样，增益随着每楼层femtocells数量的增加而减少,但在每层楼有20个femtocell和4个光学attocells情况下,增益仍高于100。ASE最大增益接近1000.

举一个例子，让我们假设一个典型1.2 b/s/Hz/m2的ASE的光学attocell网络和带宽为10 MHz的LED和射频。这就意味着在光学attocell网络情况下，用户可以在一个5m×5m×3m的房间里平均分享共300 MB /s。在RF femtocell网络情况下，每层楼有20个femtocell最好的情况下，对于同一房间达到容量只有约3 MB /秒。

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图5 在每层楼不同数量的femtocell时，attocell网络ASE与femtocell网络ASE的比值

绿色通信

5G无线系统的设计应考虑最大限度地减少能源消耗，以实现绿色无线通信系统。世界各地的无线系统的运营商应该以实现减少能源消费量为目的,从而有助于减少二氧化碳排放量.有前途的室内通信技术部署策略可实现更好的能源效率。这是因为在发射机和接收机之间他们能提供具有良好的信道条件。此外,通过将室内传输与室外传输分离，可使marcocell BS分配无线资源压力较小,可以低功率发射，致使有效的减少能源消耗。VLC和毫米波技术也被认为是在5G无线系统发展中能量效率解决方案。例如，在VLC系统中一个灯泡消耗的能量远远小于发送相同高密度数据的RF基站消耗的能量。

5G无线通信网络中未来的挑战

尽管上述潜在关键5G无线技术有了一些进展,在前面仍然有许多挑战。由于篇幅有限,在这一部分中我们只讨论其中的一些挑战。

优化性能指标

评价无线通信网络的一般特征仅考虑一个或两个性能指标，而由于高复杂度忽视其他指标。对于一个完整的和合理的评价5G无线系统，应考虑更多的性能指标.这些包括的频谱效率,能源效率，延迟,可靠性，用户的公平性，服务质量QoS，设备的复杂性，等等。因此,应该发展一个总体的框架来评估5G无线系统的性能，尽可能从不同的角度考虑到多的性能指标。应该权衡所有性能指标。这就需要高复杂度的联合优化算法和长的仿真时间。

5G无线系统的实际信道模型

用适当的精度、复杂度权衡实际的信道模型，对一些典型的5G的场景都是必不可少的，例如，大规模MIMO信道和高移动信道（如，高速列车信道和车辆与车辆信道）。传统MIMO信道模

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型不能直接应用于大规模MIMO信道,不同的天线遵守不同的群集。大规模MIMO信道模型应考虑到特定的特性，使它们不同于传统MIMO信道的特征，如球面波假设和非平稳特性。同样，3D大规模MIMO模型，联合考虑方位角和俯仰角，越实用就越复杂。

表1是一些现有的大规模MIMO信道模型进行了简要的总结和分类。与传统的低移动性的无线信道相比,高移动信道有更大的动态和可能更严重的衰落，本质上都是非平稳的。如何描述非平稳高移动性的信道也很有挑战性。

表1 最近大规模MIMO通道模型的研究进展

是否为信道模型窄带同分布的瑞利窄带CBSM（Weichselberger）窄带CBSM（Kronecker）宽带椭圆CBSM 复杂性描述大规模MIMO准备低中等中等高不相关的模型联合相关模型经典的相关模型考虑大规模MIMO性能否否否是

降低大规模MIMO信号处理的复杂度

在发展大规模的MIMO系统的一个技术挑战是信号处理的复杂度。作为发射和接收信号是相当冗长的（漫长的），搜索算法必须执行许多可能的符号排列。在目前的文献中,大规模MIMO的研究往往被视为一个基于著名的最大似然ML准则为搜索依据的检测课题。现有的检测算法,假设信道是理想，给定的信道矩阵的大小，因此监测传递数量，这似乎是不合理的假设.这个问题可能的解决方案是将SM概念运用于大量的MIMO系统。在这种情况下,每个天线的空间识别标志需要不同于接收器的观察点，因为在发射天线阵列中，数据编码选择激活的发射天线。因此，信道估计不需要精确而仅仅是足以区分每个发射天线。这可能是一个合理的前景，尤其即使接收阵列很大,在这种情况下，每个发射天线也会有一个非常详细说明，因此区别空间识别标志。

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CR网络的干扰管理

在5G干扰容忍CR网络的一个主要问题是如何可靠的和实用的管理CR和主系统的相互干扰。为了与其他许可制度并存的CR系统,调节发射功率是必不可少的。干扰温度模型被推出的目的是来描述从CR到授权网络的干扰特征。干扰消除技术也应用于减轻CR接收机的干扰。在干扰容忍的CR网络的另一个问题是，一个反馈机制很重要，在授权系统定期通知CR网络当前干扰状况.一种实用的解决方案是，干扰状态信息可以从授权系统发送和由一个单元收集(或第三方系统）。任何CR网络首先要注册到单元，为了更新允许的光谱和干扰.另外,CR发射机可以听到来自主接收机发送的信标信号和依赖于信道互易性估计信道系数。在这种情况下，CR发射机可以互相合作来调节发射功率和防止在主接收机的干扰高于阈值.

结论

在这篇文章中，已在容量、频谱效率、能源效率、数据速率和小区平均吞吐量方面明确5G无线通信系统的性能要求。提出一个新的异构5G蜂窝结构,分为的室内应用和室外应用，可使用DAS和大规模MIMO技术。一些短距离通信技术，如WiFi,femtocell,VLC,和mm-wave通信技术，可以被看作是有希望的候选技术能够提供高质量和高速率服务给室内用户，同时减少对室外基站的压力.我们还讨论了一些潜在的关键技术，可以在5G无线系统施展，满足预期的性能要求,如CR网络，SM，VLC，和绿色通信，以及一些技术上的挑战。

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