关于下一代无线通信网络的详细综述（论文谷歌翻译）

计算机无线网络前沿理论与技术

课程报告

关于下一代无线通信网络的详细综述（论文谷歌翻译）

学院：计算机与信息技术学院 专业：计算机科学与技术专业 学号： 姓名： 教师：

摘要

相对比当前4G LTE网络。下一代5G无线通信的愿景在于提供非常高的数据速率(通常为Gbps数量级)，极低的延迟，基站容量的增加以及用户感知的服务质量(QoS)的显着改善。智能设备的不断增加，新兴的多媒体应用的引入，以及无线数据(多媒体)需求和使用的指数增长已经对现有蜂窝网络造成了重大负担。 5G无线系统，具有改进的数据速率，容量，延迟和QoS预期是当前蜂窝网络的大多数问题的灵丹妙药。在本次调查中，我们对5G网络的无线演进做了详尽的回顾。我们首先讨论与无线接入网(RAN)设计相关的新架构变化，包括空中接口，智能天线，云和异构RAN。随后，我们对基础的新型毫米波物理层技术进行深入调查，包括新的信道模型估计，定向天线设计，波束成形算法和大规模MIMO技术。接下来，讨论有效支持这个新物理层所需的MAC层协议和复用方案的细节。我们还研究了杀手级应用程序，被认为是5G背后的主要驱动力。为了了解改进的用户体验，我们提供与5G演进相关的新的QoS，QoE和SON功能的亮点。为了减少增加的网络能耗和运营成本，我们对能源意识和成本效率进行了详细审查。因为了解5G实施的当前状态对于其最终的商业化是重要的，我们还讨论相关的现场试验，驱动测试和模拟实验。最后，我们指出现有的主要研究问题，并确定未来的研究方向。

关键字：5G毫米波 波束成型 信道模型 C-RANSDNHetNets大规模MIMO，SDMA，IDMA，D2D，M2M，IoT，QoE，SON，可持续性，实验

1.引言

移动无线通信始于第一代，纯语音系统已经有几十年了。在过去几十年中，世界已经目睹了移动无线通信逐渐向第二，第三和第四代无线网络演进的趋势。引入数字调制，有效的频率复用，基于分组的因特网的渗透以及诸如WCDMA，OFDMA，MIMO，HARQ等物理层技术的快速发展已经对这种逐渐演进做出了重大贡献。除此之外，随着智能设备的日益普及，当前基于IP的第四代LTE网络已经成为日常生活的一部分。因此，一系列新的，面向用户的移动多媒体应用，如移动视频会议，流视频，电子医疗保健和在线游戏等。这些新的应用不仅满足了用户的要求，而且为无线运营商开拓了新的业务视野，增加了收入。

1.1 现有的蜂窝网络 - 问题和挑战

最近的无线网络统计数据显示，2014年全球移动业务增长了70％[1]。只有26％的智能手机(占全球移动设备总数)占移动数据传输总量的88％[1]。思科的视觉网络指数(VNI)预测，到2019年，移动网络将有一半以上的连接设备作为智能设备。越来越多的智能手机使用率导致移动视频(多媒体)业务量呈指数级增长。事实上，自2012年以来，视频业务占全球移动业务的一半以上[1]。一个普通的移动用户预计到2020年每年下载1T字节的数据[2]。此外，研究人员正在探索增强现实，物联网(IoT)，车辆互联网(IoV)，设备到设备(D2D)通信，电子医疗保健，机器对机器(M2M)通信和金融技术(FinTech)。在当前的4G LTE蜂窝系统中，支持数据使用和连接的这种巨大且快速的增长是极其艰巨的任务。例如，对于理论上的150Mbps最大下行链路数据速率，传统的LTE系统，2×2 MIMO可以只支持最多(150/4)同时全高清(@ 4 Mbps速率)视频流。此外，虽然标准LTE网络最初被设计为每小区支持高达600个RCC连接的用户[3]，[4]，M2M通信和IoT要求在单个小区中支持数万个连接的设备。 LTE蜂窝网络正在探索不同研究和开发的途径，如MIMO，小型小区，协调多点(CoMP)传输，HetNets和多个天线，以增强容量和数据速率。然而，从长远来看，不可能持续这种持续的交通爆炸[2]。因此，主要关注的是满足移动宽带通信中用户和业务能力的显着增长。

1.2 毫米波——无线电频谱的新领域

无线通信的容量取决于光纤的效率和带宽。它也与小区大小有关[5]。小区尺寸变小，物理层技术已经在香农容量的边界[6]。当然，系统带宽仍然没有开发。目前，几乎所有的无线通信都使用300MHz到3GHz频带的频谱，通常被称为“最佳点”或“海滨频谱”[2]，[7]。这个频带在不同的无线电环境中从几千米的可靠传播特性中获益[8]，[2]。从亚毫米波段到满足爆炸性移动业务和连接的期望似乎有问题[8]。因此，为了增加容量，无线通信不能帮助面对高频带宽的新挑战。下一代5G无线网络的关键在于探索这种未使用的高频毫米波频带，范围为3-300GHz。历史上，碰撞避免雷达是首先利用这个毫米波频谱[9]。美国联邦通信委员会(FCC)分别在59-64GHz和81-86GHz之间为非授权无线和对等通信打开了频谱[9]。射电天文学，雷达，机场通信和许多军事应用已经在过去几十

年中使用毫米波频带。

图1 毫米波在3-300GHz的频谱

如图1所示，在巨大的3-300GHz毫米波频谱中，仅57-64GHz和164-200GHz不适合通信。即使是可用的毫米波频谱的一小部分可以支持超过当前的蜂窝频谱数百倍的数据速率和容量[8]。因此，大量的毫米波频谱的可用性为频谱约束的未来无线通信开辟了新的视野[8]，[9]。

1.35G：愿景和动力

新兴的毫米波频谱接入，超连接视觉和新的应用特定要求的组合效应将触发无线通信的下一个重大演变 - 5G(第五代)[7]，[10]，[11] 。 如图2所示，5G无线通信设想无线数据速率，带宽，覆盖和连接性的增加，大大减少了往返延迟和能量消耗。 图3展示了5G标准化活动的广泛概述[12]。 它指出，第一个标准预计将在2020年之前成熟。GSM协会正在与其合作伙伴一起致力于5G通信的最终形成。

图2 下一代5G应用场景 图3 5G标准化活动的广泛概述

根据行业和学术界的不同研究计划，下一代5G系统的8个主要要求[7]，[10]，[11]被识别为：

1)实际网络中1-10GBps的数据速率：这几乎是传统LTE网络的理论峰值数据速率150 Mbps的10倍。

2)1ms往返行程延迟：从4G的10ms往返时间减少近10倍。 3)单位面积中的高带宽：需要在特定区域中使具有更高带宽的大量连接的设备具有更长的持续时间[10]。

4)大量的连接设备：为了实现物联网的愿景，新兴的5G网络需要提供连接到成千上万的设备[10]。

5)99.999％的感知可用性：5G设想网络应该实际上总是可用的。

6)几乎100％的覆盖“随时随地”连接：5G无线网络需要确保完全覆盖，而不管用户的位置[10]。

7)能源使用量减少近90％：标准机构已经考虑了绿色技术的发展。这对于高数据速率和5G无线的大规模连接将更加重要[10]。

8)高电池寿命：器件的功耗降低对新兴的5G网络十分重要[10]。

有了上述八个要求，无线产业，学术界和研究机构已经开始在5G无线系统的不同方面进行合作。表1显示了来自不同全球着名无线供应商和运营商的5G的愿景。爱立信[13]预计5G开发应该以与现有4G LTE网络向后兼容的方式开始。这将有助于使用与传统设备相同的载波频率继续服务。爱立信还与韩国市场领导者SK电信合作，在2018年冬季奥运会上展示5G网络[13]。高通[14]正在开发并驱动4G和5G并联以实现最大潜力。统一平台应该有助于提高成本和能源效率，同时实现广泛的新服务。华为正在与国际贸易协会，许多大学，政府和生态系统合作伙伴合作，建立关键的5G创新[15]。 Docomo网络已经确定了两个重要的趋势：(i)无处不在的无线连接(ii)实时的广泛的丰富内容传送[16]。它认为高频和低频频带的集成是5G部署的关键。较低的频率将负责基本覆盖，较高的频率将提供高数据速率[16]。优化频谱使用，5G，密集小区和改进性能的革命性进步是诺基亚实现5G无线的关键概念[17]。数十亿自主连接的多元化设备，导致物联网的开始是三星的5G的愿景[18]。 METIS(二十二(2020)信息社会的移动和无线通信促进者)和HORIZON 2020是欧盟(EU)[19]，[20]，[21]发起和资助的主要5G研究项目。 为了配合市场需求部署5G，5GPPP(第五代合作伙伴计划)正在与主要利益相关者[19]早日达成多租户和单一数字市场协议[19]。 IEEE通信协会的“5G培训和认证”[22]计划正在协调由IEEE赞助的研讨会和会议的5G培训，以及制定5G认证计划的过程。 韩国，日本和中国之间的合作研究和开发工作已经导致形成5G论坛[23]。 各种5G活动的概述在[26]中给出。

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