一、摘要

第4代無線通信系統已經部署或即將被部署在許多國家。然而，隨著無線移動設備和服務爆炸式的發展，它們仍然面臨著甚至4G不能調解的一些挑戰，例如，頻譜危機和高能耗。

無線系統設計人員面臨著不斷增長的高數據率和移動性要求的需求的新的無線應用。因此，已經開始研究第五代無線系統，預計將在2020年部署。在本文中，我們提出一個潛在的蜂窩體系結構，分室內場景和室外場景，并討論5G無線通信系統各種有前途的技術，比如，大規模MIMO，節能高效通信，認知無線電網絡和可見光通信。還討論了未來面對這些潛在的技術的挑戰。

二、介紹

創新和有效的利用信息和通信技術（ICT）已在提高世界經濟中變得越來越重要。無線通信網絡在全球ICT戰略中可能是最關鍵的因素，是許多其他工業的支柱。它是世界上發展最快、最具活力的行業之一。

歐洲移動天文臺報道稱：移動通信業在2010年有總計1740億歐元收入。一舉超過了航空工業和制藥業。無線技術的發展大大提高了人們的溝通能力、在商業活動和社交活動中的生活。

無線移動通信顯著的成就反映技術更新快速步調。從第2代移動通信系統（2G）在1991年的初次露面到3G系統在2001年首次著手進行，無線移動系統從一個單純的電話系統已經變換成一個能傳輸豐富多媒體內容的網絡。4G無線系統設計滿足高級國際移動通信（IMT-A）的需求，利用IP協議提供所有服務。在4G系統，采用一種高級無線電接口，是利用正交頻分復用（OFDM），多輸入多輸出（MIMO）和鏈路適配（或自適應）技術。

4G無線網絡可以支持在低速移動中1 Gb/s速率，例如漫游/本地無線接入；在高速移動中最高100Mb/s，例如移動接入。長期演進（LTE）和它的延伸，先進的長期演進系統，作用可實現的4G系統，最近已部署或很快將在全球部署。

然而，訂制移動寬帶系統的用戶數量每年都在以引人關注的增加。越來越多的人渴望更快的移動互聯網接入服務，時尚的手機，總的來說，與他人或獲取信息的即時通信。當今更強大的智能手機和便攜式電腦越來越受歡迎，它追求先進的多媒體功能。這導致了無線移動設備和服務的爆發。EMO指出，從2006年以來移動寬帶每年以92%的速度增長。它已被無線世界研究論壇的預測（WWRF）到2017年時有7萬億無線設備服務于7億人口；換句話說，連接網絡的無線設備將達到世界人口的1000倍。隨著越來越多的設備無線上網，很多研究需要面臨解決的挑戰。

最關鍵性的挑戰之一是物理上為蜂窩通信分配的射頻（RF）頻譜十分稀缺。蜂窩頻率使用超高頻段的手機，通常范圍從幾百MHz到幾GHz。這些頻譜大量被使用，使運營商獲得更多的頻譜很困難。另一個挑戰是，先進的無線技術的部署是以高能耗為代價 。在無線通信系統中的能量消耗的增加會間接的導致二氧化碳排放增加，目前被認為是對環境的一大威脅。

此外，它已被報道，蜂窩運營商基站（BSS）的能耗占他們的電費賬單70%。事實上，節能高效的通信不在4G無線系統的初始條件之一，但它是后一階段的問題。其他挑戰，例如，平均頻譜效率，高速率和高移動性，無縫覆蓋，不同的服務質量（QoS）要求，和分散的用戶體驗（不同的無線設備/接口和異構網絡不兼容性），僅舉幾例。

所有上述問題給蜂窩服務供應商施加更多壓力，他們正面臨著不斷增加更高的數據傳輸速率，更大的網絡容量，更高的頻譜效率，更高的能源效率，高流動性的新的無線應用所需的需求。另一方面，4G網絡在現有技術的數據率上已經達到理論極限，因此不足以容納上述挑戰。

在這個意義上，我們需要突破性的無線技術來解決由數萬億無線設備造成上述問題，研究人員已經開始研究超4G（B4G）或5G無線技術。中英科學的橋梁項目：（B）4G無線移動通信（http://www.ukchinab4g.ac.uk /）或許是世界上第一個開始研究B4G的項目，其中一些潛在的B4G技術被鑒定。歐洲和中國也開始了一些5G項目，如由歐盟支持的METIS 2020項目，和在中國由科技部支持的國家863重點項目在5G。諾基亞西門子網絡描述了潛在的無線接入技術可以進一步發展，以支持在接下來的10年與2010年通信水平相比高達1000倍的通信流量[ 6 ]。三星證明使用毫米（mm）波技術無線系統在2公里的情況下傳輸速率超過1 GB / s [ 7 ]。

5G網絡將是什么，預期2020年左右使其標準化商用，是什么樣子的？然而，人們普遍認為，相比于4G網絡，5G網絡系統容量應達到1000倍，10倍的頻譜效率，能源效率和數據速率（即，在低速移動下峰值速率為10 GB / s和在高速移動下峰值速率為1 GB / s），和25倍的平均小區吞吐量。目的是連接整個世界，實現無縫和無處不在的通信，任何人之間（人與人），任何事物之間（人與機器，機器與機器），無論他們在哪里（任何地方），無論他們什么時候需要（任何時候），無論他們想用什么電子設備/服務/網絡（無論如何）。

這意味著，5G網絡應該能夠支持一些特殊場景的通信，4G網絡不支持（例如，高速列車的用戶）。高速列車可以達到350到500公里/小時，而4G網絡只能支持的通信場景為250公里/小時。在這篇文章中，我們提出了一個潛在的5G的蜂窩體系結構和討論一些有前途的技術，可以部署提供5G的要求。

本文的其余部分安排如下：我們提出了一個潛在的5G蜂窩體系結構。我們描述了一些有前途的關鍵技術，可以在5G系統采用。未來的挑戰也重點強調了。最后，得出結論。

三、一個潛在的5G無線蜂窩結構

為了解決上述挑戰和滿足5G系統的要求，我們需要在蜂窩結構的設計中有一個引人注目的變化。我們知道，無線用戶大約80%的時間呆在室內，而只有20%的時間呆在室外[ 8 ]。目前傳統的蜂窩結構通常使用在小區中間的室外基站與移動用戶通信，無論他們在室內還是室外。對于室內用戶與室外基站通信，信號必須通過建筑物的墻壁，這會導致非常高的穿透損耗，大大損害了無線傳輸的數據速率，頻譜效率，以及能量效率。

一種5G蜂窩結構設計的關鍵理念是單獨的室外和室內場景，以便用這種方式避免通過建筑物的墻壁造成的穿透損耗。這將借助于分布式天線系統（DAS）和大規模MIMO技術[ 9 ]，在地理上的分布式天線陣列是由部署數十或數百個天線單元構成的。

雖然目前大多數的MIMO系統利用兩到四根天線，大規模MIMO系統的目標是在大型天線陣列中開拓出潛在的大容量增益。室外基站將配備有大型天線陣列的天線元件（或大陣列天線）分布在小區周圍，通過光纖連接到BS，受益于DAS和大規模MIMO技術。室外移動用戶通常配備的天線元件的數量有限，但它們可以相互合作，形成一個虛擬的大型天線陣列，連同BS天線陣列構建虛擬大規模MIMO鏈路。大型天線陣列也將安裝所有建筑物的外面與室外BSS或BSS分布式天線單元通信，可能與線性的視線（LOS）組件通信。大型天線陣列的電纜連接到建筑物內部無線接入點與室內用戶通信。這肯定會在短期內增加基礎設施成本的同時，從長遠來看會顯著提高小區的平均吞吐量，頻譜效率，能源效率，和數據速率的蜂窩系統。

使用這樣的蜂窩結構，室內用戶只需和室內無線接入點通信（不是室外BSS），與大型陣列天線安裝在建筑物外面，許多適于短距離高數據速率通信的技術可以利用。一些例子包括WiFi，飛蜂窩，超寬帶（UWB），毫米波通信（3—300GHz）[ 7 ]，和可見光通信（VLC）（400—490THz）[ 10 ]。值得一提的是，毫米波和VLC技術使用較高頻率，不采用傳統的蜂窩通信。這些高頻波無法很好穿透固體材料，可以很容易地被氣體、雨和樹葉吸收或散射。因此，很難用這些波在室外或長距離上應用。然而，可利用的大帶寬，毫米波和VLC技術可以大大提高室內環境下的數據傳輸速率。為了解決頻譜短缺的問題，除了尋找不被傳統的無線服務使用的新的頻譜（例如，毫米波通信和VLC），我們也可以嘗試改善現有的無線電頻譜的頻譜利用率，例如，通過認知無線電（CR）網絡[ 11 ]。

5G蜂窩結構也應該是異構的，包括宏蜂窩，微蜂窩，小蜂窩，和中繼。為了適應高移動用戶，如用戶在車輛和高速列車上。我們已經提出了移動飛蜂窩（MFemtocell）的概念[ 12 ]，它結合移動中繼和飛蜂窩的概念。移動飛蜂窩位于車輛內部與車輛里的用戶通信，而大型天線陣列位于車輛外部與室外基站通信。一個移動飛蜂窩及其相關的用戶都是被視為一個單一的單位與基站BS通信。從用戶的角度來看，一個移動飛蜂窩看成是一個普通的基站BS。這很相似上述室內（車內）和室外場景分離的想法。這證明用戶使用移動飛蜂窩可以減少信令開銷享受高數據速率服務。

上述5G異構蜂窩結構，如圖1所示。

圖1、一種5G異構無線蜂窩結構

四、有前途的關鍵5G無線技術

在這一部分中，基于前面提出的異構蜂窩結構，我們討論了一些有前途的關鍵無線技術，可以使5G無線網絡來滿足性能要求。發展這些技術的目的是使容量急劇增加，在5G網絡中有效利用所有可能的資源。基于著名的香農理論，系統總容量的Csum近似表達式為：

式中，Bi是第i個信道的帶寬，Pi是第i個信道的信號功率和Np表示的是噪聲功率。公式1明確系統總容量的Csum等于所有子信道的和異構網絡容量的總和。為了增加CSUM，我們可以增加網絡的覆蓋范圍（如宏蜂窩，微蜂窩，小蜂窩，中繼，移動飛蜂窩[12]等異構網絡），子信道的數量（如大規模MIMO [ 9 ]，空間調制SM [ 13 ]，協作式MIMO，分布式天線系統DAS，干擾管理等），帶寬（如認知無線電CR網絡[ 11 ]，毫米波通信，可見光通信VLC [ 10 ]，多重標準系統等），和功率（能量效率或綠色通信）。在下面，我們重點關注的一些關鍵技術。

1. 大規模MIMO

MIMO系統是由發射機和接收機都有多個天線組成。通過增加多個天線，在無線信道中一個更大的自由度（除了時間和頻率維度外）能夠容納更多的信息數據。因此，在可靠性、頻譜效率、能源效率方面性能可以獲得一個顯著的改善。在大規模MIMO系統中，發射機或接收機都配備了大量的天線元件（一般為幾十或甚至數百個）。請注意，發射天線根據不同的應用可以是集中或分布式（即，一個分布式天線系統DAS）。同時，龐大的接收天線可以附在一個設備或分布到許多設備。除了繼承傳統的MIMO系統的好處外，一個大規模MIMO系統可以顯著提高頻譜效率和能量效率[ 9 ]。此外，在大規模MIMO系統中，噪聲和快速衰落消失的影響和小區內的干擾可以使用簡單的線性預編碼和檢測方法來減輕。在大規模MIMO系統中，通過合理地利用多用戶MIMO（MU-MIMO）技術，通過避免復雜的調度算法來簡化介質訪問控制（MAC）層的設計[ 14 ]。就MUMIMO技術來說，最早提出基站BS可以發送分離的信號給使用相同時間和頻率資源的個人用戶。因此，這些優點使大規模MIMO系統成為5G無線通信網絡中一種很有前途的候選者。

2. 空間調制（SM）

空間調制，最初哈斯等人提出的，是一個新穎的MIMO技術， 已經在低復雜設備的MIMO系統被提出，不降低系統性能的[ 13 ]。代替了從可用天線同時發送多個數據流，空間調制SM把部分的數據編碼傳送到天線陣的每個發射天線的空間位置。因此，天線陣列中的第二次（除了通常的信號星座圖）星座圖（所謂的空間星座圖），它可以用來提高數據速率（空間復用）相對于單天線無線系統。在任何時間只有一個發射天線是激活的，而其他的天線是空閑的。一節的信息比特被分成兩個子節log2（NB）的log2（M）位，其中，NB和M分別是發射天線的數量和復雜信號星座圖的大小。第一子節從一組發射天線中識別出激活的天線，而第二子節是將信號星座圖選擇符號從激活的天線發送。因此，SM是一個組合的空間移鍵控（SSK）和振幅/相位調制。圖2顯示了以4個發射天線（NB = 4）和正交相移鍵控（QPSK）調制（M = 4）為例的SM星座圖。接收機可以采用最佳最大似然（ML）檢測，譯碼接收的信號。

空間調制可以減輕在傳統MIMO系統中三大問題：信道間干擾，天線間的同步，和多個RF鏈[ 13 ]。此外，在空間調制SM系統中，可以設計低復雜度接收機，并配置任何數量的發射和接收天線，即使不平衡MIMO系統。我們必須指出，隨著發送天線數量的增加SM復用增益成對數增加，而與傳統的MIMO系統成線性增加。因此，實現低復雜度設備是在犧牲一定的自由度為代價。大多數研究SM集中在一個單一的接收器的情況下（即，單用戶SM）。多用戶SM可以看作是在5G無線通信系統被認為是一個新的研究方向。

圖2、采用四個發射天線（NB = 4）和QPSK調制的SM星座圖

4. 認知無線電網絡

CR網絡是一個創新的軟件定義的無線電技術，被認為是有前途的技術之一，可有效的提高擁擠的RF頻譜[ 9 ]利用率。采用CR的根據是大部分時間很大一部分無線電頻譜未被充分使用。在CR網絡中，次系統能夠與授權系統共享頻段，可以在一個無干擾的基礎上或在干擾容忍基礎上[ 9 ]。CR網絡應該意識到周圍的無線環境和調節其相應傳輸。在無干擾的CR中，CR用戶允許借用頻譜資源，當授權的用戶不使用它們。使無干擾的CR網絡成為可能的一個關鍵是找出如何檢測出分布在寬帶頻譜的頻譜空洞（白色空間）。

CR接收機首先應該通過頻譜感知（或結合地理定位數據庫）監控和分配未使用的頻譜，并把信息反饋給CR發射機。在多個CR網絡嘗試接入相同的頻譜時，需要協調機制防止用戶接入匹配的頻譜空穴發生碰撞。在干擾容忍CR網絡中，在干擾保持低于閾值（臨界值）期間，CR用戶可以與授權系統共享頻譜資源。與無干擾的CR網絡相比，干擾容忍CR網絡通過適當時機共享授權用戶無線電頻譜資源，可以達到提高頻譜利用率，以及更好的頻譜和能源效率。

然而，它已經表明，CR系統的性能對于在用戶密度、干擾閾值和授權系統的傳輸性能的任何輕微變化非常敏感。這一事實，如圖3所示，我們注意到，在主接收器的數量增加的頻譜效率迅速降低。然而，頻譜效率可以通過放松的主系統的干擾閾值或只考慮CR用戶誰到第二BS距離短得到提高改善。在[ 15 ]，混合CR網絡中已經被提出，并在蜂窩網絡采用，目的是探索另外的頻帶和擴大容量。

圖3、關于取不同干擾閾值Q（次接收機數量為20）時，CR網絡平均系統頻譜效率作為主接收器數量為函數的圖示

4. 移動飛蜂窩（移動超小型化移動基站）

移動飛蜂窩MFemtocell是一個新的概念，最近已經提出作為一個潛在的候選技術在下一代智能運輸系統[ 12 ]。它結合了移動中繼的概念（移動網絡）與飛蜂窩技術。一個MFemtocell是一個小的基站，可以四處移動和動態變化，與運營商的核心網絡連接。它可以部署在公交車、火車、甚至私人汽車上，提高車內用戶的服務質量。部署MFemtocell可能有益于蜂窩網絡。首先，MFemtocell可以提高整個網絡的頻譜效率。

為了證明這一事實，圖4比較了直接傳輸方案的平均頻譜效率和MFemtocell增強方案兩種資源劃分方案（即，正交和非正交資源劃分方案）作為一種與MFemtocell連接的用戶比例的函數。同時，比較了最大信噪比之間的（MAX-SNR）和比例公平（PF）調度算法。我們可以看到，通過增加MFemtocell與BS通信的用戶比例導致頻譜效率的增加，這比用戶直接與BS通信好得多（即，直接傳輸方案）。第二，MFemtocell可以促進網絡信令開銷的減少。例如，一個MFemtocell可以對所有與之相關聯的代表用戶執行切換，從而減少在MFemtocell內用戶切換活動。這使得MFemtocell部署適合高速移動環境下。此外，在MFemtocell內由于相對較短的通信范圍和較低的信令開銷，用戶的能源消耗可以減少。

圖4、系統級MFemtocell的平均頻譜效率與多用戶調度和資源分配方案圖示

5. 可見光通信

可見光通信使用現成的白光發光二極管（LED）用于固態照明（SSL）信號發射機,和現成的對本征（PIN）光電二極管（PDs）或雪崩光電二極管（APD）作為信號接收機[ 10 ]。這意味著，VLC使系統在照明同時，提供寬帶無線數據連接。

如果在上行鏈路不需要照明，紅外（IR）發光二極管或甚至射頻是確實可行的解決方案。在VLC，信息是通過光的強度（功率）進行傳輸。因此，攜帶信息的信號必須是實數值和嚴格為正。傳統的數字調制方案射頻通信使用復數和雙極性信號。因此，必須修改，并有基于改進的多載波調制技術的豐富知識實體，比如OFDM強度調制（IM）和直接檢測（DD）。

據報道，從一個單一的LED數據率已可以達到3.5 GB / s。必須指出的是，VLC不受快衰落的影響，由于波長明顯小于檢測器面積。鏈路級論證的重要步驟是證明VLC是幫助減輕射頻通信的頻譜瓶頸的一種可行的技術，它可以利用現有的照明設施開發成熟的無線光網絡是必不可少的。這包括多用戶接入技術，干擾協調等等。最后，讓我們假設在一個房間有多個發光體固定裝置。每個發光體固定裝置想像擔任一個非常小的光學基站形成一個非常小的蜂窩網絡被稱為光學attocells（渺蜂窩）。這是類似于在射頻通信的femtocell，事實上一個房間可以由許多這些非常小的蜂窩服務。一種光學渺蜂窩attocell覆蓋面積為1～10 m2，距離約3m。

眾所周知，在蜂窩射頻通信中，小的蜂窩明顯有助于提高網絡的頻譜效率。然而，主要的限制因子是干擾。由于光波不能穿過墻蔓延，所以光學attocells較少受到干擾。面積頻譜效率（ASE）采用每平方米每赫茲每秒比特（bit/s/Hz/m2）表示，如圖5所示，是attocell網絡的ASE和femtocell網絡的ASE的比值與每層樓不同數量的femtocell的圖示說明。每個房間的光接入點的數量從一到四變化。和預期的一樣，增益隨著每樓層femtocells數量的增加而減少，但在每層樓有20個femtocell和4個光學attocells情況下，增益仍高于100。ASE最大增益接近1000。

舉一個例子，讓我們假設一個典型1.2 b/s/Hz/m2的ASE的光學attocell網絡和帶寬為10 MHz的LED和射頻。這就意味著在光學attocell網絡情況下,用戶可以在一個5m×5m×3m的房間里平均分享共300 MB /s。在RF femtocell網絡情況下，每層樓有20個femtocell最好的情況下，對于同一房間達到容量只有約3 MB /秒。

圖5、在每層樓不同數量的femtocell時，attocell網絡ASE與femtocell網絡ASE的比值

6. 綠色通信

5G無線系統的設計應考慮最大限度地減少能源消耗，以實現綠色無線通信系統[ 5 ]。世界各地的無線系統的運營商應該以實現減少能源消費量為目的，從而有助于減少二氧化碳排放量。有前途的室內通信技術部署策略可實現更好的能源效率。這是因為在發射機和接收機之間他們能提供具有良好的信道條件。此外，通過將室內傳輸與室外傳輸分離，可使marcocell BS分配無線資源壓力較小，可以低功率發射，致使有效的減少能源消耗。VLC和毫米波技術也被認為是在5G無線系統發展中能量效率解決方案。例如，在VLC系統中一個燈泡消耗的能量遠遠小于發送相同高密度數據的RF基站消耗的能量。

五、5G無線通信網絡中未來的挑戰

盡管上述潛在關鍵5G無線技術有了一些進展，在前面仍然有許多挑戰。由于篇幅有限，在這一部分中我們只討論其中的一些挑戰。

1. 優化性能指標

評價無線通信網絡的一般特征僅考慮一個或兩個性能指標，而由于高復雜度忽視其他指標。對于一個完整的和合理的評價5G無線系統，應考慮更多的性能指標。這些包括的頻譜效率，能源效率，延遲，可靠性，用戶的公平性，服務質量QoS，設備的復雜性，等等。因此，應該發展一個總體的框架來評估5G無線系統的性能，盡可能從不同的角度考慮到多的性能指標。應該權衡所有性能指標。這就需要高復雜度的聯合優化算法和長的仿真時間。

2. 5G無線系統的實際信道模型

用適當的精度、復雜度權衡實際的信道模型，對一些典型的5G的場景都是必不可少的，例如，大規模MIMO信道和高移動信道（如，高速列車信道和車輛與車輛信道）。傳統MIMO信道模型不能直接應用于大規模MIMO信道，不同的天線遵守不同的群集。大規模MIMO信道模型應考慮到特定的特性，使它們不同于傳統MIMO信道的特征，如球面波假設和非平穩特性。同樣，3D大規模MIMO模型，聯合考慮方位角和俯仰角，越實用就越復雜。

表1是一些現有的大規模MIMO信道模型進行了簡要的總結和分類[ 14 ]。與傳統的低移動性的無線信道相比，高移動信道有更大的動態和可能更嚴重的衰落，本質上都是非平穩的。如何描述非平穩高移動性的信道也很有挑戰性。

3. 降低大規模MIMO信號處理的復雜度

在發展大規模的MIMO系統的一個技術挑戰是信號處理的復雜度。作為發射和接收信號是相當冗長的（漫長的），搜索算法必須執行許多可能的符號排列。在目前的文獻中，大規模MIMO的研究往往被視為一個基于著名的最大似然ML準則為搜索依據的檢測課題。現有的檢測算法，假設信道是理想，給定的信道矩陣的大小，因此監測傳遞數量，這似乎是不合理的假設。這個問題可能的解決方案是將SM概念運用于大量的MIMO系統。

在這種情況下，每個天線的空間識別標志需要不同于接收器的觀察點，因為在發射天線陣列中，數據編碼選擇激活的發射天線。因此，信道估計不需要精確而僅僅是足以區分每個發射天線。這可能是一個合理的前景，尤其即使接收陣列很大，在這種情況下，每個發射天線也會有一個非常詳細說明，因此區別空間識別標志。

4. CR網絡的干擾管理

在5G干擾容忍CR網絡的一個主要問題是如何可靠的和實用的管理CR和主系統的相互干擾。為了與其他許可制度并存的CR系統，調節發射功率是必不可少的。干擾溫度模型被推出的目的是來描述從CR到授權網絡的干擾特征。

干擾消除技術也應用于減輕CR接收機的干擾。在干擾容忍的CR網絡的另一個問題是，一個反饋機制很重要，在授權系統定期通知CR網絡當前干擾狀況。一種實用的解決方案是，干擾狀態信息可以從授權系統發送和由一個中央單元收集（或第三方系統）。任何CR網絡首先要注冊到中央單元，為了更新允許的光譜和干擾。另外，CR發射機可以聽到來自主接收機發送的信標信號和依賴于信道互易性估計信道系數。在這種情況下，CR發射機可以互相合作來調節發射功率和防止在主接收機的干擾高于閾值。

六、結論

在這篇文章中，已在容量、頻譜效率、能源效率、數據速率和小區平均吞吐量方面明確5G無線通信系統的性能要求。提出一個新的異構5G蜂窩結構，分為的室內應用和室外應用，可使用DAS和大規模MIMO技術。

一些短距離通信技術，如WiFi，femtocell，VLC，和mm-wave通信技術，可以被看作是有希望的候選技術能夠提供高質量和高速率服務給室內用戶，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無線系統施展，滿足預期的性能要求，如CR網絡，SM，MFemtocells，VLC，和綠色通信，以及一些技術上的挑戰。