蜂窝结构与5G无线通信网络关键技术*

［王琼 乔宽 杨中豪］



蜂窝结构与5G无线通信网络关键技术*

［王琼 乔宽 杨中豪］

摘要

随着无线移动设备数量和服务的激增，无线系统设计师一直面临不断增的长高数据率和新无线应用的移动性的需求。因此已经开始研究5G无线通信系统，预计将在2020年后部署。在这篇文章中，我们提出了一个室内场景和室外场景分离的小区结构，并讨论5G无线通信系统中各种富有前景的新技术，例如大规模的MIMO，节能的通信，认知无线电网络，以及可见光的通信。面对这些未来的挑战，我们讨论了一些潜在的技术。

关键词：系统架构 关键技术 5G 大规模MIMO

王琼

女，重庆重邮信科（集团）股份有限公司，正高级工程师，主要研究方向为通信新技术应用。

乔宽

男，重庆邮电大学新一代宽带移动终端研究所，硕士，主要研究方向为通信新技术应用。

杨中豪

男，硕士，重庆邮电大学，主要研究方向为大规模MIMO。

引言

无线移动通信的巨大成功反映了技术创新的快速进步。从1991年的2G系统率先发布，到2001年第三代（3G）移动通信系统的率先推出，无线移动网络已经从单纯的电话系统转换成可以传输丰富的多媒体内容的网络。4G无线系统的设计是为满足IMT-A使用IP提供所有服务的要求[1]。在4G无线通信系统中，许多先进的无线电接口技术得到应用，如正交频分复用（OFDM），多输入多输出（MIMO）和链路自适应技术。在低移动性下4G无线网络可以支持高达1Gbit/s的数据传输速率，如漫游/本地无线接入，以及高流动性条件下高达100Mbit/s的数据传输速率。LTE系统以及增强的LTE-A系统作为实际4G系统，已经或即将在世界各地的部署。然而，每年仍然有很多新增手机移动宽带用户。越来越多的人渴望在移动中有更快的互联网接入和时髦的移动设备。具有先进的即时通讯和多媒体功能，更强大的智能手机和笔记本电脑正成为时下比较流行的。这导致了无线移动设备和服务的激增。据无线世界研究论坛（WWRF）预测，在2017年有7万亿的无线设备将服务于70亿人，即，连接网络的无线设备的数量将达到世界人口的1 000倍[2]。随着越来越多的设备链接到无线网络，需要解决许多研究方面的挑战。

最重要的挑战之一是，为蜂窝通信分配稀缺的无线频谱资源。蜂窝手机频率使用超高频频段，通常范围从几兆赫到几吉赫兹。然而运营商使用这些频谱资源越来越困难。另一个挑战是，先进的无线技术的商用造成高能量消耗[5]。事实上，在4G无线系统的初始阶段节能高效的通信并不是被解决的问题之一，但它是在后一阶段的问题。其他挑战，例如，平均频谱效率，高数据率和高流动性，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/接口和异构的网络不兼容）。

运营商面对的是不断增加的更高的数据率，更大的网络容量，更高频谱效率，更高的能源效率，以及新的无线应用所需更高的移动性的需求。在这个意义上，我们需要突破性的无线技术为解决上述万亿无线设备而引起的问题，研究人员已经开始研究后4G(B4G)或5G无线技术。在这篇文章中，我们提出了一个富有前景的5G蜂窝结构以及探讨可以满足5G部署要求的一些有前途的技术。

1　5G无线通信网络的蜂窝结构

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上作一个重大的变化。我们知道无线用户百分之八十的时间呆室内，而只有大约百分之二十的时间呆在户外[8]。无论用户呆在室内或室外，当前的传统的小区结构通常是一个室外基站在移动通信小区的中间。室内与室外基站通信的用户信号穿过建筑物的墙壁，这会导致非常高的穿透损耗，大大损害了数据速率，频谱效率，以及无线传输的能量效率。

5G蜂窝结构设计的关键思想是分室外和室内场景的，目的是避免建筑物墙壁的渗透损失。在分布式天线系统（DAS）和大规模MIMO技术的辅助下[7]，在一个基站上部署数十或数百个分布式天线阵列。目前的MIMO系统利用两到四根天线，大规模的MIMO系统的目标是利用大量的天线阵列来获得更大的潜在的容量增益。室外基站将配备大量的分布在小区内的天线阵列(大型天线阵列)并通过光纤连接到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阵列天线，其中与BS的天线阵列的构建虚拟海量的MIMO链路。在每个建筑的外部与室外基站或BS分布式天线阵列将被安装。大型天线阵列通过电缆连接到无线接入点与大楼内的室内用户通信。这在短期内肯定会增加基础设施的成本，然而长期运行的情况下，显著提高小区的平均吞吐量，频谱效率，能源效率和小区系统的数据速率。

5G的小区结构应该与宏蜂窝，微蜂窝技术，微小区，和中继进行异构。为了适应如用户在车辆和高速列车高移动性用户，我们已经提出了移动毫微微蜂窝基站（mfemtocell）的概念[10]，这个概念是基于移动中继和mfemtocell。mfemtocells位于车辆内是与车辆内的用户通信的，而大型天线阵列位于车辆外部并与室外BSs进行通信。一个mfemtocell及其相关的用户被BS视为一个单一的单元。从用户的角度来看，一个mfemtocell看成是一个普通的BS。这与上述室内（车内）和室外场景分离的思想非常相似。它已被证明在[10]，用户使用mfemtocells可以减少信令开销享受高数据速率服务。上述5G异构蜂窝体系结构如图1。

图1　5G无线异构蜂窝结构

2　5G关键技术

这一部分，是基于上述提出的异构蜂窝结构，我们讨论一些有前景的关键无线技术，这些关键技术可以实现5G无线网络的性能要求。这些技术可以极大地增加系统容量并且可以提高5G所有资源的利用率。基于著名的香农理论，系统总容量的Csum可以近似表示

其中，Bi是第i个信道带宽，iP是第i个信道的信号功率，Np表示噪声功率。公式（1）表明系统总容量Csum等价于所有子信道和异构网络的容量总和。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[10]等异构网络），子信道的数量（如大规模MIMO[7]，空间调制SM[11]，协作式MIMO，分布式天线系统DAS，干扰管理等），带宽（如认知无线电CR网络[9]，毫米波通信，可见光通信VLC[8]，多重标准系统等），和功率（能量效率或绿色通信）在下文，我们关注一些关键技术。

2.1大规模MIMO

MIMO系统在发射器和接收器之间有多个天线组成。通过添加多个天线和更大的自由度可以使无线信道能够容纳更多的信息数据。因此，在可靠性方面，频谱效率，能源效率性能得到显著改善。在大规模的MIMO系统中，发射机或接收机配备了大量的天线元件（一般为几十甚至数百个）。同时，一个设备或者分布的许多设备拥有大量的接收天线。除了继承传统的MIMO系统的好处外，一个大规模MIMO系统还可以显著提高频谱效率和能源效率[9]。此外，在大规模的MIMO系统中，噪声的影响和快衰落消失了，并且使用简单的线性预编码和检测方法可以减轻小区内干扰。在大规模MIMO系统中，通过合理地利用多用户MIMO（MU-MIMO），可以简化MAC层的调度算法设计[14]。在多用户MIMO系统中，BS发送单个的信号到使用相同的时频资源的个人用户。因此，本文讲述的大规模MIMO系统的优势，能够使大规模MIMO成为5G网络的候选方案[11]。

2.2空间调制

空间调制是Haas等人首先提出来的，是一种新的MIMO技术，在不降低MIMO系统的系统性能的情况下降低了实现的复杂度[11]。而同时利用可用的天线发送多个数据流，数据的SM编码部分，被发送到每个阵列天线的发射天线的空间位置。因此，阵列天线起到第二星座图的作用（除了一般的信号星座图）就是所谓的空间星座图，相对于单天线无线系统，可以提高数据速率（空间复用）。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。一个信息比特块被分成两个子块log2(NB)bits和log2(M )bits，NB和M分别是发射天线的数目和复杂信号星座图的大小。第一子块标识发射天线集中的有源天线，而第二子块则是从信号星座图中选择符号并从有源天线发射出去。因此，SM是一个组合的空间相移键控（SSK）和振幅/相位调制。图2显示一个例子，4个发射天线（NB=4）的SM星座图有和正交相移键控（QPSK）调制（M=4）的空间坐标图。接收器可以使用最大似然（ML）检测解码接收的信号。

空间调制可以减轻传统的MIMO系统的三大问题：信道间干扰，天线间的同步，和多个RF链[11]。此外，在SM系统甚至非均衡的MIMO系统中，可以设计低复杂度的接收机和配置任意数量的发射和接受天线。我们必须指出传统的MIMO系统的SM的复用增益是与发送天线数的对数成线性关系的。因此，牺牲一定的自由度为代价降低实现复杂度。大多数SM研究集中在一个单一接收机的情况下（即，单用户SM）。多用户SM在5G无线通信系统中可以被视为一个新的研究方向[9]。

图2　SM的星座图使用四个发射天线（NB=4）和QPSK调制。

2.3认知无线电网络

CR网络是一个创新的软件无线电技术，被认为是一个有前景的能够改善拥挤的RF频谱[9]。采用CR可以使无线电频谱在大部分时间内得到充分利用。在CR网络中，或是在一个无干扰的基带上或干扰容忍限度内一个二级系统和授权主系统共享频段[7]。CR网络感知周围的无线电环境并相应调节其传输功率。在无干扰CR网络中，CR用户可以利用授权用户没有使用的频谱资源。为了使无干扰的CR网络检测空白的频谱（空格），关键是展开宽带频谱。CR接收机首先应该监控和分配未使用的频谱（或结合随着地理数据库）和把信息反馈给CR发射机。协调机制是多个CR网络尝试访问相同的匹配的频谱时，防止用户发生碰撞。在容错干扰CR网络中，CR用户可以与授权系统共享频谱资源，并且使干扰保持低于干扰门限值。在与无干扰的CR网络的比较，耐干扰CR网络可以与授权用户共享无线电频谱资源，提高频谱利用率，以及更好的光谱和能源效率。然而事实证明CR系统的性能会对用户密度，干扰阈值，并授权系统的传输的微小变化非常敏感。在文献[13]中，在蜂窝网络中增加混合CR网络，可以使用额外的带宽和拓展蜂窝网络的容量。

2.4移动基站

MFemtocell是近年来提出的一个新概念，是下一代智能交通系统的一个潜在的候选技术[10]。它结合了毫微微蜂窝技术和移动中继的概念（移动网络）。一个MFemtocell是一个小的小区，可以左右移动和动态改变其连接到运营商的核心网络。它可以部署在公共交通巴士，火车，甚至私家车，提高车内用户的服务质量。部署MFemtocell可使蜂窝网络受益。首先，MFemtocell可以提高整个网络的频谱效率。其次，MFemtocell可以有助于减少信令网络的开销。例如，一个MFemtocell可以对所有相关的用户代表进行切换，从而减少在MFemtocell下的用户切换活动。这使得MFemtocell适合部署在高速移动环境下。此外，在MFemtocell中用户能耗可降低是由于较短的通信范围和低的信令开销[6]。

2.5可见光通信

可见光通信可以使用固态照明（SSL）发光二极管（LED）作为信号发射器和本征-n（PIN）光电二极管（PD）和雪崩光电二极管（APD）作为信号接收器[8]。这意味着，VLC使系统能够照明并且同时提供宽带无线数据连接。如果上行不希望有照明，红外（IR）LED或者射频是可行的解决方案。在VLC系统中，信息是通过光的强度（功率）携带信息的。射频通信使用合成的双极性信号的传统数字调制方案。因此，有必要修改调制方案，我们有丰富的多载波调制技术改进经验，如高密度OFDM（IM）调制和直接检测（DD）。已经被验证一个单一的LED可以提供3.5GBit/s的数据速率。必须指出，VLC不受快衰落的影响，并且波长比探测器面积明显缩小。而链路级实验证明VLC有助于减轻射频通信的频谱瓶颈的一种可行的技术方案，可以利用现有成熟的照明设施部署无线光网络是可能的。这包括MU接入，干扰协调和其他的一些技术。小小区有助于提高网络的频谱效率，然而，主要的限制因素是干扰。由于光波不穿透墙壁光attocells较少受到干扰。

2.6绿色通信

5G无线系统的设计应考虑最大限度地减少能量消耗，实现更加绿色的无线通信系统[5]。世界各地的无线系统运营商都希望减少能源的消耗，从而有助于减少二氧化碳排放量。室内通信技术对于获得更好的能源效率是非常有前途的部署方案。这是因为从发射机到接收机之间有更好的信道环境。此外，通过分离室外流量和室内流量，将会降低宏蜂窝基站无线资源分配的压力和降低传输功率低，因此可以显著减少能源消耗。VLC和毫米波技术也可以被认为是高效节能的无线通信解决方案，可以部署在5G无线系统中。例如，在VLC系统的一个灯泡消耗的能量比其基于RF的等价传送相同的高密度数据消耗的能量少很多[3]。

3　小结

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mmwave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，MFemtocells，VLC，和绿色通信，以及一些技术上的挑战。

参考文献

1A.Hashimoto,H.Yorshino,and H.Atarashi.Roadmap of IMT-advanced development.IEEE Microwave Mag.,2008,9(4):80–88

2L.Sorensen and K.E.Skouby.User scenarios 2020,report,WWRF,July 2009.07,http://www.wireless-worldresearch.org

3C.Han et al.Green radio:radio techniques to enable energy efficient wireless networks.IEEE Commun.Mag.,2011,4p(6):46–54

4Nokia Siemens Networks.2020:Beyond 4G:Radio evolution for the gigabit experience.white paper,2011

5A.Bleicher.Millimeter waves may be the future of 5G phones.IEEE Spectrum,2013,08

6V.Chandrasekhar,J.G.Andrews.and A.Gatherer.Femtocell networks:A survey.IEEE Commun.Mag.,2008,46(p):59–67

7F.Rusek et al.Scaling up MIMO:opportunities and challenges with very large arrays.IEEE Sig.Proc.Mag.,2013,30(1):40–60

8H.Haas.Wireless data from every light bulb.TED website.2011,08.http://bit.ly/tedvlc

9X.Hong et al.Secondary spectrum access networks:recent developments on the spatial models.IEEEVehic.Tech.Mag.,2009,4(2):36–43

10F.Haider et al.Spectral efficiency analysis of mobile femtocell based cellular systems.Proc.IEEE ICCT ’11,Jinan,China,2011,09:347–51

11M.D.Renzo et al.Spatial modulation for generalized MIMO:Challenges,Opportunities,and Implementation.Proc

12C-X.Wang and S.Wu.Massive MIMO channel measurements and modeling:advances and challenges.IEEE Wireless Commun..,submitted for publication

13X.Hong et al.Capacity analysis of hybrid cognitive radio networks with distributed VAAs,IEEE Trans.Vehic.Tech.2010,5p(7):3510–23

收稿日期：（2015-12-10）

基金项目：新一代宽带无线移动通信网科技重大专项（2012ZX03000112-002）：国家“863”计划 5G移动通信系统总体技术研究（2014AAO1A706）。

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.007