一、摘要

第4代無(wú)線通信系統(tǒng)已經(jīng)部署或即將被部署在許多國(guó)家。然而，隨著無(wú)線移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)爆炸式的發(fā)展，它們?nèi)匀幻媾R著甚至4G不能調(diào)解的一些挑戰(zhàn)，例如，頻譜危機(jī)和高能耗。

無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著不斷增長(zhǎng)的高數(shù)據(jù)率和移動(dòng)性要求的需求的新的無(wú)線應(yīng)用。因此，已經(jīng)開(kāi)始研究第五代無(wú)線系統(tǒng)，預(yù)計(jì)將在2020年部署。在本文中，我們提出一個(gè)潛在的蜂窩體系結(jié)構(gòu)，分室內(nèi)場(chǎng)景和室外場(chǎng)景，并討論5G無(wú)線通信系統(tǒng)各種有前途的技術(shù)，比如，大規(guī)模MIMO，節(jié)能高效通信，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和可見(jiàn)光通信。還討論了未來(lái)面對(duì)這些潛在的技術(shù)的挑戰(zhàn)。

二、介紹

創(chuàng)新和有效的利用信息和通信技術(shù)（ICT）已在提高世界經(jīng)濟(jì)中變得越來(lái)越重要。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在全球ICT戰(zhàn)略中可能是最關(guān)鍵的因素，是許多其他工業(yè)的支柱。它是世界上發(fā)展最快、最具活力的行業(yè)之一。

歐洲移動(dòng)天文臺(tái)報(bào)道稱：移動(dòng)通信業(yè)在2010年有總計(jì)1740億歐元收入。一舉超過(guò)了航空工業(yè)和制藥業(yè)。無(wú)線技術(shù)的發(fā)展大大提高了人們的溝通能力、在商業(yè)活動(dòng)和社交活動(dòng)中的生活。

無(wú)線移動(dòng)通信顯著的成就反映技術(shù)更新快速步調(diào)。從第2代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）在1991年的初次露面到3G系統(tǒng)在2001年首次著手進(jìn)行，無(wú)線移動(dòng)系統(tǒng)從一個(gè)單純的電話系統(tǒng)已經(jīng)變換成一個(gè)能傳輸豐富多媒體內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)。4G無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足高級(jí)國(guó)際移動(dòng)通信（IMT-A）的需求，利用IP協(xié)議提供所有服務(wù)。在4G系統(tǒng)，采用一種高級(jí)無(wú)線電接口，是利用正交頻分復(fù)用（OFDM），多輸入多輸出（MIMO）和鏈路適配（或自適應(yīng)）技術(shù)。

4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以支持在低速移動(dòng)中1 Gb/s速率，例如漫游/本地?zé)o線接入；在高速移動(dòng)中最高100Mb/s，例如移動(dòng)接入。長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）和它的延伸，先進(jìn)的長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)，作用可實(shí)現(xiàn)的4G系統(tǒng)，最近已部署或很快將在全球部署。

然而，訂制移動(dòng)寬帶系統(tǒng)的用戶數(shù)量每年都在以引人關(guān)注的增加。越來(lái)越多的人渴望更快的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，時(shí)尚的手機(jī)，總的來(lái)說(shuō)，與他人或獲取信息的即時(shí)通信。當(dāng)今更強(qiáng)大的智能手機(jī)和便攜式電腦越來(lái)越受歡迎，它追求先進(jìn)的多媒體功能。這導(dǎo)致了無(wú)線移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)的爆發(fā)。EMO指出，從2006年以來(lái)移動(dòng)寬帶每年以92%的速度增長(zhǎng)。它已被無(wú)線世界研究論壇的預(yù)測(cè)（WWRF）到2017年時(shí)有7萬(wàn)億無(wú)線設(shè)備服務(wù)于7億人口；換句話說(shuō)，連接網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線設(shè)備將達(dá)到世界人口的1000倍。隨著越來(lái)越多的設(shè)備無(wú)線上網(wǎng)，很多研究需要面臨解決的挑戰(zhàn)。

最關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)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(jī)，通常范圍從幾百M(fèi)Hz到幾GHz。這些頻譜大量被使用，使運(yùn)營(yíng)商獲得更多的頻譜很困難。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，先進(jìn)的無(wú)線技術(shù)的部署是以高能耗為代價(jià) 。在無(wú)線通信系統(tǒng)中的能量消耗的增加會(huì)間接的導(dǎo)致二氧化碳排放增加，目前被認(rèn)為是對(duì)環(huán)境的一大威脅。

此外，它已被報(bào)道，蜂窩運(yùn)營(yíng)商基站（BSS）的能耗占他們的電費(fèi)賬單70%。事實(shí)上，節(jié)能高效的通信不在4G無(wú)線系統(tǒng)的初始條件之一，但它是后一階段的問(wèn)題。其他挑戰(zhàn)，例如，平均頻譜效率，高速率和高移動(dòng)性，無(wú)縫覆蓋，不同的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，和分散的用戶體驗(yàn)（不同的無(wú)線設(shè)備/接口和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不兼容性），僅舉幾例。

所有上述問(wèn)題給蜂窩服務(wù)供應(yīng)商施加更多壓力，他們正面臨著不斷增加更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，更大的網(wǎng)絡(luò)容量，更高的頻譜效率，更高的能源效率，高流動(dòng)性的新的無(wú)線應(yīng)用所需的需求。另一方面，4G網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)據(jù)率上已經(jīng)達(dá)到理論極限，因此不足以容納上述挑戰(zhàn)。

在這個(gè)意義上，我們需要突破性的無(wú)線技術(shù)來(lái)解決由數(shù)萬(wàn)億無(wú)線設(shè)備造成上述問(wèn)題，研究人員已經(jīng)開(kāi)始研究超4G（B4G）或5G無(wú)線技術(shù)。中英科學(xué)的橋梁項(xiàng)目：（B）4G無(wú)線移動(dòng)通信（http://www.ukchinab4g.ac.uk /）或許是世界上第一個(gè)開(kāi)始研究B4G的項(xiàng)目，其中一些潛在的B4G技術(shù)被鑒定。歐洲和中國(guó)也開(kāi)始了一些5G項(xiàng)目，如由歐盟支持的METIS 2020項(xiàng)目，和在中國(guó)由科技部支持的國(guó)家863重點(diǎn)項(xiàng)目在5G。諾基亞西門(mén)子網(wǎng)絡(luò)描述了潛在的無(wú)線接入技術(shù)可以進(jìn)一步發(fā)展，以支持在接下來(lái)的10年與2010年通信水平相比高達(dá)1000倍的通信流量[ 6 ]。三星證明使用毫米（mm）波技術(shù)無(wú)線系統(tǒng)在2公里的情況下傳輸速率超過(guò)1 GB / s [ 7 ]。

5G網(wǎng)絡(luò)將是什么，預(yù)期2020年左右使其標(biāo)準(zhǔn)化商用，是什么樣子的？然而，人們普遍認(rèn)為，相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量應(yīng)達(dá)到1000倍，10倍的頻譜效率，能源效率和數(shù)據(jù)速率（即，在低速移動(dòng)下峰值速率為10 GB / s和在高速移動(dòng)下峰值速率為1 GB / s），和25倍的平均小區(qū)吞吐量。目的是連接整個(gè)世界，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫和無(wú)處不在的通信，任何人之間（人與人），任何事物之間（人與機(jī)器，機(jī)器與機(jī)器），無(wú)論他們?cè)谀睦铮ㄈ魏蔚胤剑瑹o(wú)論他們什么時(shí)候需要（任何時(shí)候），無(wú)論他們想用什么電子設(shè)備/服務(wù)/網(wǎng)絡(luò)（無(wú)論如何）。

這意味著，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠支持一些特殊場(chǎng)景的通信，4G網(wǎng)絡(luò)不支持（例如，高速列車的用戶）。高速列車可以達(dá)到350到500公里/小時(shí)，而4G網(wǎng)絡(luò)只能支持的通信場(chǎng)景為250公里/小時(shí)。在這篇文章中，我們提出了一個(gè)潛在的5G的蜂窩體系結(jié)構(gòu)和討論一些有前途的技術(shù)，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(gè)潛在的5G蜂窩體系結(jié)構(gòu)。我們描述了一些有前途的關(guān)鍵技術(shù)，可以在5G系統(tǒng)采用。未來(lái)的挑戰(zhàn)也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了。最后，得出結(jié)論。

三、一個(gè)潛在的5G無(wú)線蜂窩結(jié)構(gòu)

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(gòu)的設(shè)計(jì)中有一個(gè)引人注目的變化。我們知道，無(wú)線用戶大約80%的時(shí)間呆在室內(nèi)，而只有20%的時(shí)間呆在室外[ 8 ]。目前傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)通常使用在小區(qū)中間的室外基站與移動(dòng)用戶通信，無(wú)論他們?cè)谑覂?nèi)還是室外。對(duì)于室內(nèi)用戶與室外基站通信，信號(hào)必須通過(guò)建筑物的墻壁，這會(huì)導(dǎo)致非常高的穿透損耗，大大損害了無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，頻譜效率，以及能量效率。

一種5G蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵理念是單獨(dú)的室外和室內(nèi)場(chǎng)景，以便用這種方式避免通過(guò)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(tǒng)（DAS）和大規(guī)模MIMO技術(shù)[ 9 ]，在地理上的分布式天線陣列是由部署數(shù)十或數(shù)百個(gè)天線單元構(gòu)成的。

雖然目前大多數(shù)的MIMO系統(tǒng)利用兩到四根天線，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的目標(biāo)是在大型天線陣列中開(kāi)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(qū)周圍，通過(guò)光纖連接到BS，受益于DAS和大規(guī)模MIMO技術(shù)。室外移動(dòng)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(gè)虛擬的大型天線陣列，連同BS天線陣列構(gòu)建虛擬大規(guī)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(nèi)部無(wú)線接入點(diǎn)與室內(nèi)用戶通信。這肯定會(huì)在短期內(nèi)增加基礎(chǔ)設(shè)施成本的同時(shí)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看會(huì)顯著提高小區(qū)的平均吞吐量，頻譜效率，能源效率，和數(shù)據(jù)速率的蜂窩系統(tǒng)。

使用這樣的蜂窩結(jié)構(gòu)，室內(nèi)用戶只需和室內(nèi)無(wú)線接入點(diǎn)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(shù)據(jù)速率通信的技術(shù)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(jiàn)光通信（VLC）（400—490THz）[ 10 ]。值得一提的是，毫米波和VLC技術(shù)使用較高頻率，不采用傳統(tǒng)的蜂窩通信。這些高頻波無(wú)法很好穿透固體材料，可以很容易地被氣體、雨和樹(shù)葉吸收或散射。因此，很難用這些波在室外或長(zhǎng)距離上應(yīng)用。然而，可利用的大帶寬，毫米波和VLC技術(shù)可以大大提高室內(nèi)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸速率。為了解決頻譜短缺的問(wèn)題，除了尋找不被傳統(tǒng)的無(wú)線服務(wù)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(xiàn)有的無(wú)線電頻譜的頻譜利用率，例如，通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電（CR）網(wǎng)絡(luò)[ 11 ]。

5G蜂窩結(jié)構(gòu)也應(yīng)該是異構(gòu)的，包括宏蜂窩，微蜂窩，小蜂窩，和中繼。為了適應(yīng)高移動(dòng)用戶，如用戶在車輛和高速列車上。我們已經(jīng)提出了移動(dòng)飛蜂窩（MFemtocell）的概念[ 12 ]，它結(jié)合移動(dòng)中繼和飛蜂窩的概念。移動(dòng)飛蜂窩位于車輛內(nèi)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(gè)移動(dòng)飛蜂窩及其相關(guān)的用戶都是被視為一個(gè)單一的單位與基站BS通信。從用戶的角度來(lái)看，一個(gè)移動(dòng)飛蜂窩看成是一個(gè)普通的基站BS。這很相似上述室內(nèi)（車內(nèi)）和室外場(chǎng)景分離的想法。這證明用戶使用移動(dòng)飛蜂窩可以減少信令開(kāi)銷享受高數(shù)據(jù)速率服務(wù)。

上述5G異構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1、一種5G異構(gòu)無(wú)線蜂窩結(jié)構(gòu)

四、有前途的關(guān)鍵5G無(wú)線技術(shù)

在這一部分中，基于前面提出的異構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)，我們討論了一些有前途的關(guān)鍵無(wú)線技術(shù)，可以使5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足性能要求。發(fā)展這些技術(shù)的目的是使容量急劇增加，在5G網(wǎng)絡(luò)中有效利用所有可能的資源。基于著名的香農(nóng)理論，系統(tǒng)總?cè)萘康腃sum近似表達(dá)式為：

式中，Bi是第i個(gè)信道的帶寬，Pi是第i個(gè)信道的信號(hào)功率和Np表示的是噪聲功率。公式1明確系統(tǒng)總?cè)萘康腃sum等于所有子信道的和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)容量的總和。為了增加CSUM，我們可以增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍（如宏蜂窩，微蜂窩，小蜂窩，中繼，移動(dòng)飛蜂窩[12]等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)），子信道的數(shù)量（如大規(guī)模MIMO [ 9 ]，空間調(diào)制SM [ 13 ]，協(xié)作式MIMO，分布式天線系統(tǒng)DAS，干擾管理等），帶寬（如認(rèn)知無(wú)線電CR網(wǎng)絡(luò)[ 11 ]，毫米波通信，可見(jiàn)光通信VLC [ 10 ]，多重標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)等），和功率（能量效率或綠色通信）。在下面，我們重點(diǎn)關(guān)注的一些關(guān)鍵技術(shù)。

1. 大規(guī)模MIMO

MIMO系統(tǒng)是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都有多個(gè)天線組成。通過(guò)增加多個(gè)天線，在無(wú)線信道中一個(gè)更大的自由度（除了時(shí)間和頻率維度外）能夠容納更多的信息數(shù)據(jù)。因此，在可靠性、頻譜效率、能源效率方面性能可以獲得一個(gè)顯著的改善。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)或接收機(jī)都配備了大量的天線元件（一般為幾十或甚至數(shù)百個(gè)）。請(qǐng)注意，發(fā)射天線根據(jù)不同的應(yīng)用可以是集中或分布式（即，一個(gè)分布式天線系統(tǒng)DAS）。同時(shí)，龐大的接收天線可以附在一個(gè)設(shè)備或分布到許多設(shè)備。除了繼承傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)的好處外，一個(gè)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以顯著提高頻譜效率和能量效率[ 9 ]。此外，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，噪聲和快速衰落消失的影響和小區(qū)內(nèi)的干擾可以使用簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼和檢測(cè)方法來(lái)減輕。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，通過(guò)合理地利用多用戶MIMO（MU-MIMO）技術(shù)，通過(guò)避免復(fù)雜的調(diào)度算法來(lái)簡(jiǎn)化介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）層的設(shè)計(jì)[ 14 ]。就MUMIMO技術(shù)來(lái)說(shuō)，最早提出基站BS可以發(fā)送分離的信號(hào)給使用相同時(shí)間和頻率資源的個(gè)人用戶。因此，這些優(yōu)點(diǎn)使大規(guī)模MIMO系統(tǒng)成為5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中一種很有前途的候選者。

2. 空間調(diào)制（SM）

空間調(diào)制，最初哈斯等人提出的，是一個(gè)新穎的MIMO技術(shù)， 已經(jīng)在低復(fù)雜設(shè)備的MIMO系統(tǒng)被提出，不降低系統(tǒng)性能的[ 13 ]。代替了從可用天線同時(shí)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流，空間調(diào)制SM把部分的數(shù)據(jù)編碼傳送到天線陣的每個(gè)發(fā)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(hào)星座圖）星座圖（所謂的空間星座圖），它可以用來(lái)提高數(shù)據(jù)速率（空間復(fù)用）相對(duì)于單天線無(wú)線系統(tǒng)。在任何時(shí)間只有一個(gè)發(fā)射天線是激活的，而其他的天線是空閑的。一節(jié)的信息比特被分成兩個(gè)子節(jié)log2（NB）的log2（M）位，其中，NB和M分別是發(fā)射天線的數(shù)量和復(fù)雜信號(hào)星座圖的大小。第一子節(jié)從一組發(fā)射天線中識(shí)別出激活的天線，而第二子節(jié)是將信號(hào)星座圖選擇符號(hào)從激活的天線發(fā)送。因此，SM是一個(gè)組合的空間移鍵控（SSK）和振幅/相位調(diào)制。圖2顯示了以4個(gè)發(fā)射天線（NB = 4）和正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制（M = 4）為例的SM星座圖。接收機(jī)可以采用最佳最大似然（ML）檢測(cè)，譯碼接收的信號(hào)。

空間調(diào)制可以減輕在傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中三大問(wèn)題：信道間干擾，天線間的同步，和多個(gè)RF鏈[ 13 ]。此外，在空間調(diào)制SM系統(tǒng)中，可以設(shè)計(jì)低復(fù)雜度接收機(jī)，并配置任何數(shù)量的發(fā)射和接收天線，即使不平衡MIMO系統(tǒng)。我們必須指出，隨著發(fā)送天線數(shù)量的增加SM復(fù)用增益成對(duì)數(shù)增加，而與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)成線性增加。因此，實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度設(shè)備是在犧牲一定的自由度為代價(jià)。大多數(shù)研究SM集中在一個(gè)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(wú)線通信系統(tǒng)被認(rèn)為是一個(gè)新的研究方向。

圖2、采用四個(gè)發(fā)射天線（NB = 4）和QPSK調(diào)制的SM星座圖

4. 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)

CR網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)創(chuàng)新的軟件定義的無(wú)線電技術(shù)，被認(rèn)為是有前途的技術(shù)之一，可有效的提高擁擠的RF頻譜[ 9 ]利用率。采用CR的根據(jù)是大部分時(shí)間很大一部分無(wú)線電頻譜未被充分使用。在CR網(wǎng)絡(luò)中，次系統(tǒng)能夠與授權(quán)系統(tǒng)共享頻段，可以在一個(gè)無(wú)干擾的基礎(chǔ)上或在干擾容忍基礎(chǔ)上[ 9 ]。CR網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該意識(shí)到周圍的無(wú)線環(huán)境和調(diào)節(jié)其相應(yīng)傳輸。在無(wú)干擾的CR中，CR用戶允許借用頻譜資源，當(dāng)授權(quán)的用戶不使用它們。使無(wú)干擾的CR網(wǎng)絡(luò)成為可能的一個(gè)關(guān)鍵是找出如何檢測(cè)出分布在寬帶頻譜的頻譜空洞（白色空間）。

CR接收機(jī)首先應(yīng)該通過(guò)頻譜感知（或結(jié)合地理定位數(shù)據(jù)庫(kù)）監(jiān)控和分配未使用的頻譜，并把信息反饋給CR發(fā)射機(jī)。在多個(gè)CR網(wǎng)絡(luò)嘗試接入相同的頻譜時(shí)，需要協(xié)調(diào)機(jī)制防止用戶接入匹配的頻譜空穴發(fā)生碰撞。在干擾容忍CR網(wǎng)絡(luò)中，在干擾保持低于閾值（臨界值）期間，CR用戶可以與授權(quán)系統(tǒng)共享頻譜資源。與無(wú)干擾的CR網(wǎng)絡(luò)相比，干擾容忍CR網(wǎng)絡(luò)通過(guò)適當(dāng)時(shí)機(jī)共享授權(quán)用戶無(wú)線電頻譜資源，可以達(dá)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(jīng)表明，CR系統(tǒng)的性能對(duì)于在用戶密度、干擾閾值和授權(quán)系統(tǒng)的傳輸性能的任何輕微變化非常敏感。這一事實(shí)，如圖3所示，我們注意到，在主接收器的數(shù)量增加的頻譜效率迅速降低。然而，頻譜效率可以通過(guò)放松的主系統(tǒng)的干擾閾值或只考慮CR用戶誰(shuí)到第二BS距離短得到提高改善。在[ 15 ]，混合CR網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)被提出，并在蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用，目的是探索另外的頻帶和擴(kuò)大容量。

圖3、關(guān)于取不同干擾閾值Q（次接收機(jī)數(shù)量為20）時(shí)，CR網(wǎng)絡(luò)平均系統(tǒng)頻譜效率作為主接收器數(shù)量為函數(shù)的圖示

4. 移動(dòng)飛蜂窩（移動(dòng)超小型化移動(dòng)基站）

移動(dòng)飛蜂窩MFemtocell是一個(gè)新的概念，最近已經(jīng)提出作為一個(gè)潛在的候選技術(shù)在下一代智能運(yùn)輸系統(tǒng)[ 12 ]。它結(jié)合了移動(dòng)中繼的概念（移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）與飛蜂窩技術(shù)。一個(gè)MFemtocell是一個(gè)小的基站，可以四處移動(dòng)和動(dòng)態(tài)變化，與運(yùn)營(yíng)商的核心網(wǎng)絡(luò)連接。它可以部署在公交車、火車、甚至私人汽車上，提高車內(nèi)用戶的服務(wù)質(zhì)量。部署MFemtocell可能有益于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。首先，MFemtocell可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。

為了證明這一事實(shí)，圖4比較了直接傳輸方案的平均頻譜效率和MFemtocell增強(qiáng)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(shù)。同時(shí)，比較了最大信噪比之間的（MAX-SNR）和比例公平（PF）調(diào)度算法。我們可以看到，通過(guò)增加MFemtocell與BS通信的用戶比例導(dǎo)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(jìn)網(wǎng)絡(luò)信令開(kāi)銷的減少。例如，一個(gè)MFemtocell可以對(duì)所有與之相關(guān)聯(lián)的代表用戶執(zhí)行切換，從而減少在MFemtocell內(nèi)用戶切換活動(dòng)。這使得MFemtocell部署適合高速移動(dòng)環(huán)境下。此外，在MFemtocell內(nèi)由于相對(duì)較短的通信范圍和較低的信令開(kāi)銷，用戶的能源消耗可以減少。

圖4、系統(tǒng)級(jí)MFemtocell的平均頻譜效率與多用戶調(diào)度和資源分配方案圖示

5. 可見(jiàn)光通信

可見(jiàn)光通信使用現(xiàn)成的白光發(fā)光二極管（LED）用于固態(tài)照明（SSL）信號(hào)發(fā)射機(jī),和現(xiàn)成的對(duì)本征（PIN）光電二極管（PDs）或雪崩光電二極管（APD）作為信號(hào)接收機(jī)[ 10 ]。這意味著，VLC使系統(tǒng)在照明同時(shí)，提供寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)連接。

如果在上行鏈路不需要照明，紅外（IR）發(fā)光二極管或甚至射頻是確實(shí)可行的解決方案。在VLC，信息是通過(guò)光的強(qiáng)度（功率）進(jìn)行傳輸。因此，攜帶信息的信號(hào)必須是實(shí)數(shù)值和嚴(yán)格為正。傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方案射頻通信使用復(fù)數(shù)和雙極性信號(hào)。因此，必須修改，并有基于改進(jìn)的多載波調(diào)制技術(shù)的豐富知識(shí)實(shí)體，比如OFDM強(qiáng)度調(diào)制（IM）和直接檢測(cè)（DD）。

據(jù)報(bào)道，從一個(gè)單一的LED數(shù)據(jù)率已可以達(dá)到3.5 GB / s。必須指出的是，VLC不受快衰落的影響，由于波長(zhǎng)明顯小于檢測(cè)器面積。鏈路級(jí)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(shù)，它可以利用現(xiàn)有的照明設(shè)施開(kāi)發(fā)成熟的無(wú)線光網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。這包括多用戶接入技術(shù)，干擾協(xié)調(diào)等等。最后，讓我們假設(shè)在一個(gè)房間有多個(gè)發(fā)光體固定裝置。每個(gè)發(fā)光體固定裝置想像擔(dān)任一個(gè)非常小的光學(xué)基站形成一個(gè)非常小的蜂窩網(wǎng)絡(luò)被稱為光學(xué)attocells（渺蜂窩）。這是類似于在射頻通信的femtocell，事實(shí)上一個(gè)房間可以由許多這些非常小的蜂窩服務(wù)。一種光學(xué)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(wǎng)絡(luò)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(guò)墻蔓延，所以光學(xué)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(wǎng)絡(luò)的ASE和femtocell網(wǎng)絡(luò)的ASE的比值與每層樓不同數(shù)量的femtocell的圖示說(shuō)明。每個(gè)房間的光接入點(diǎn)的數(shù)量從一到四變化。和預(yù)期的一樣，增益隨著每樓層femtocells數(shù)量的增加而減少，但在每層樓有20個(gè)femtocell和4個(gè)光學(xué)attocells情況下，增益仍高于100。ASE最大增益接近1000。

舉一個(gè)例子，讓我們假設(shè)一個(gè)典型1.2 b/s/Hz/m2的ASE的光學(xué)attocell網(wǎng)絡(luò)和帶寬為10 MHz的LED和射頻。這就意味著在光學(xué)attocell網(wǎng)絡(luò)情況下,用戶可以在一個(gè)5m×5m×3m的房間里平均分享共300 MB /s。在RF femtocell網(wǎng)絡(luò)情況下，每層樓有20個(gè)femtocell最好的情況下，對(duì)于同一房間達(dá)到容量只有約3 MB /秒。

圖5、在每層樓不同數(shù)量的femtocell時(shí)，attocell網(wǎng)絡(luò)ASE與femtocell網(wǎng)絡(luò)ASE的比值

6. 綠色通信

5G無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最大限度地減少能源消耗，以實(shí)現(xiàn)綠色無(wú)線通信系統(tǒng)[ 5 ]。世界各地的無(wú)線系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)減少能源消費(fèi)量為目的，從而有助于減少二氧化碳排放量。有前途的室內(nèi)通信技術(shù)部署策略可實(shí)現(xiàn)更好的能源效率。這是因?yàn)樵诎l(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間他們能提供具有良好的信道條件。此外，通過(guò)將室內(nèi)傳輸與室外傳輸分離，可使marcocell BS分配無(wú)線資源壓力較小，可以低功率發(fā)射，致使有效的減少能源消耗。VLC和毫米波技術(shù)也被認(rèn)為是在5G無(wú)線系統(tǒng)發(fā)展中能量效率解決方案。例如，在VLC系統(tǒng)中一個(gè)燈泡消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)送相同高密度數(shù)據(jù)的RF基站消耗的能量。

五、5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中未來(lái)的挑戰(zhàn)

盡管上述潛在關(guān)鍵5G無(wú)線技術(shù)有了一些進(jìn)展，在前面仍然有許多挑戰(zhàn)。由于篇幅有限，在這一部分中我們只討論其中的一些挑戰(zhàn)。

1. 優(yōu)化性能指標(biāo)

評(píng)價(jià)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的一般特征僅考慮一個(gè)或兩個(gè)性能指標(biāo)，而由于高復(fù)雜度忽視其他指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)完整的和合理的評(píng)價(jià)5G無(wú)線系統(tǒng)，應(yīng)考慮更多的性能指標(biāo)。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(wù)質(zhì)量QoS，設(shè)備的復(fù)雜性，等等。因此，應(yīng)該發(fā)展一個(gè)總體的框架來(lái)評(píng)估5G無(wú)線系統(tǒng)的性能，盡可能從不同的角度考慮到多的性能指標(biāo)。應(yīng)該權(quán)衡所有性能指標(biāo)。這就需要高復(fù)雜度的聯(lián)合優(yōu)化算法和長(zhǎng)的仿真時(shí)間。

2. 5G無(wú)線系統(tǒng)的實(shí)際信道模型

用適當(dāng)?shù)木取?fù)雜度權(quán)衡實(shí)際的信道模型，對(duì)一些典型的5G的場(chǎng)景都是必不可少的，例如，大規(guī)模MIMO信道和高移動(dòng)信道（如，高速列車信道和車輛與車輛信道）。傳統(tǒng)MIMO信道模型不能直接應(yīng)用于大規(guī)模MIMO信道，不同的天線遵守不同的群集。大規(guī)模MIMO信道模型應(yīng)考慮到特定的特性，使它們不同于傳統(tǒng)MIMO信道的特征，如球面波假設(shè)和非平穩(wěn)特性。同樣，3D大規(guī)模MIMO模型，聯(lián)合考慮方位角和俯仰角，越實(shí)用就越復(fù)雜。

表1是一些現(xiàn)有的大規(guī)模MIMO信道模型進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)和分類[ 14 ]。與傳統(tǒng)的低移動(dòng)性的無(wú)線信道相比，高移動(dòng)信道有更大的動(dòng)態(tài)和可能更嚴(yán)重的衰落，本質(zhì)上都是非平穩(wěn)的。如何描述非平穩(wěn)高移動(dòng)性的信道也很有挑戰(zhàn)性。

3. 降低大規(guī)模MIMO信號(hào)處理的復(fù)雜度

在發(fā)展大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是信號(hào)處理的復(fù)雜度。作為發(fā)射和接收信號(hào)是相當(dāng)冗長(zhǎng)的（漫長(zhǎng)的），搜索算法必須執(zhí)行許多可能的符號(hào)排列。在目前的文獻(xiàn)中，大規(guī)模MIMO的研究往往被視為一個(gè)基于著名的最大似然ML準(zhǔn)則為搜索依據(jù)的檢測(cè)課題。現(xiàn)有的檢測(cè)算法，假設(shè)信道是理想，給定的信道矩陣的大小，因此監(jiān)測(cè)傳遞數(shù)量，這似乎是不合理的假設(shè)。這個(gè)問(wèn)題可能的解決方案是將SM概念運(yùn)用于大量的MIMO系統(tǒng)。

在這種情況下，每個(gè)天線的空間識(shí)別標(biāo)志需要不同于接收器的觀察點(diǎn)，因?yàn)樵诎l(fā)射天線陣列中，數(shù)據(jù)編碼選擇激活的發(fā)射天線。因此，信道估計(jì)不需要精確而僅僅是足以區(qū)分每個(gè)發(fā)射天線。這可能是一個(gè)合理的前景，尤其即使接收陣列很大，在這種情況下，每個(gè)發(fā)射天線也會(huì)有一個(gè)非常詳細(xì)說(shuō)明，因此區(qū)別空間識(shí)別標(biāo)志。

4. CR網(wǎng)絡(luò)的干擾管理

在5G干擾容忍CR網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要問(wèn)題是如何可靠的和實(shí)用的管理CR和主系統(tǒng)的相互干擾。為了與其他許可制度并存的CR系統(tǒng)，調(diào)節(jié)發(fā)射功率是必不可少的。干擾溫度模型被推出的目的是來(lái)描述從CR到授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的干擾特征。

干擾消除技術(shù)也應(yīng)用于減輕CR接收機(jī)的干擾。在干擾容忍的CR網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)問(wèn)題是，一個(gè)反饋機(jī)制很重要，在授權(quán)系統(tǒng)定期通知CR網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前干擾狀況。一種實(shí)用的解決方案是，干擾狀態(tài)信息可以從授權(quán)系統(tǒng)發(fā)送和由一個(gè)中央單元收集（或第三方系統(tǒng)）。任何CR網(wǎng)絡(luò)首先要注冊(cè)到中央單元，為了更新允許的光譜和干擾。另外，CR發(fā)射機(jī)可以聽(tīng)到來(lái)自主接收機(jī)發(fā)送的信標(biāo)信號(hào)和依賴于信道互易性估計(jì)信道系數(shù)。在這種情況下，CR發(fā)射機(jī)可以互相合作來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射功率和防止在主接收機(jī)的干擾高于閾值。

六、結(jié)論

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(wú)線通信系統(tǒng)的性能要求。提出一個(gè)新的異構(gòu)5G蜂窩結(jié)構(gòu)，分為的室內(nèi)應(yīng)用和室外應(yīng)用，可使用DAS和大規(guī)模MIMO技術(shù)。

一些短距離通信技術(shù)，如WiFi，femtocell，VLC，和mm-wave通信技術(shù)，可以被看作是有希望的候選技術(shù)能夠提供高質(zhì)量和高速率服務(wù)給室內(nèi)用戶，同時(shí)減少對(duì)室外基站的壓力。我們還討論了一些潛在的關(guān)鍵技術(shù)，可以在5G無(wú)線系統(tǒng)施展，滿足預(yù)期的性能要求，如CR網(wǎng)絡(luò)，SM，MFemtocells，VLC，和綠色通信，以及一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。