5g综述（部分）

madgnot

1.引言

最近几年，通信的研究热点问题已经由4G转向5G了，由于当前的4G研究已经趋于饱和，频谱资源的短缺已经开始显现出来，这使得研究人员开始意识到接下来应当做些什么？这不仅仅是一个智力的挑战，感谢Cisco公司每年所做的视觉网络指数（VNI）报告，我们有充分的证据表明无线网络数据会持续的增长。

在过去的10年间，由无线网络引起的IP数据

为了更好的理解5G所面临的工程挑战，首先定义5G系统的要求是什么是很有必要的，简单来说，5G系统要求提高无线网络的数据数率，带宽，覆盖范围以及链接性，减少系统的延迟和能量消耗。在2020年会推出5G的第一个标准。由不同的研究机构和学术团体[1][2][3]为5G系统提出如下的8个主要的问题：

（1）在实际的网络中达到1~10Gbps的数据数率:这几乎是10倍的增长与传统的4G网络峰值数率（150Mbps）相比。

（2）1ms的往返延迟：与4G网络相比减少了10倍。

（3）单位面积内更大的带宽：为了支持更多的接入设备和在某些特殊的区域更长的接入时间[2]。

（4）大量的接入设备：为了实现IoT，5G网络应当要提供数以千计的接入设备的可连接性。[2]

（5）99.999%的感知可用性：5G要求在实际的蜂窝中，蜂窝系统几乎总是可用使用的。

（6）在任何时候几乎100%的信号覆盖范围：5G无线网络需要无论用户在什么地方都能够保证完全的覆盖范围。

（7）减少90%的能量消耗：绿色通信技术已经在标准的考虑之中。[3]

（8）延长电池的寿命：减少设备功率的消耗在正在成型的5G网络标准中是很重要的。

2.5G的网络结构

        由低延迟和频谱带宽限制，研究人员现在主要集中于设计以用户为中心的网络，即用户的角色不再仅仅只是无线网络的终端，用户在网络中将扮演存储，中继，传输和计算的角色。未来的网络将链接各式各样的节点在不同的距离上，小蜂窝，微蜂窝，微微蜂窝的部署已经正在进行了。因此，5G网络将会有很大的同信道干扰，这将会使得当前的空时接口不在适用了。使用波束成型的新天线来代替以前的全向天线已经是不可避免的趋势了，SDMA和有效的天线设计是最重要的研究点。在这一章中，我们将讨论5G网络所要求的网络结构，空时接口的改变，如何设计智能天线，正在形成的技术： SDN，Cloud-Ran和异构网络。

2.1无线网络演讲

5G无线网络的整体布局打破了以往以基站为中心布局的观点，转变为以设备为中心的拓扑结构[4]。5G网络提出使用更高的频率进行通信。在室外的环境下毫米波信号的传播和渗透相当有限[5]，因此节点的分布不能够再像传统的蜂窝网络设计或者以任何固定的模式。

Rappaport和他的团队提出了5G无线网络的特定的布局[6]。

5G蜂窝技术需要应对大量的用户同时工作，首先需要考虑的就是5G基站和4G基站的融合[7]。不同的格点模型，mm-wave基站格点系统，三星电子分别提出了毫米波基站和4G基站融合或者毫米波基站单独工作的方案[7],[8]。大的波束成型增益提高了基站的覆盖范围，同时减少了在蜂窝边缘的干扰，提高了链路质量，这些特性使得毫米波系统能够达到低的延迟以及高的能量使用效率[7]。因此，5G系统的无线网络将会与4G网络有很多的不同之处，无线网络的改变将会改变空时接口。

2.2先进的空时接口

由于毫米波的短波长特性，使得使用大数量的天线成为可能。通过使用天线阵列控制信号的相位和幅度，来增强需要的信号并且消除其他方向的信号[9]。高度的方向发射方式能够使用波束成型技术来实现，有效的SDMA提高了在传输端和接收端的频率复用的效率[10]。

混合信号的高功率的消耗是限制这些优点主要因素，在硬件的实现上，不可能为每个天线都链接一个高数率的ADC和DAC,混合天线结构是一个可行的解决方案[4]。更多的模拟和数字波束成型在[8]中有详细的讨论。将基站分成多个扇区也降低了硬件的约束，然而这使得数据在传输时会产生同步的问题[11]。最优的天线设计对不同的波束成型技术有增强作用。理解基本的空时接口将有助于更好的实现5G系统。

2.3下一代智能天线

5G网络的成功实现取决于有效的天线阵列的设计。

3.物理层技术3.1毫米波

当前的地面的无线通信系统将载波频率限制在几百兆赫兹到几G赫兹，但是当前的频谱已经过载了，特别是在通信的高峰期，频谱资源已经无法满足未来的无线通信的需求。

尽管当前的频谱带宽分配策略能够有效的利用当前的频谱资源，但是为了使用大量的新频谱资源，唯一的办法就是提高载波频率。幸运的是在30-300Ghz的mmWave频谱范围中存在着大量的理想频段可以使用，在20-30Ghz也有10Ghz的频段可以使用。

mmWave在很长的一段时间内是被认为不适合用于无线通信的，因为过于苛刻的传输性质：高路径损失，雨天的干扰，在障碍物边的低散射特性以及无法穿透大部分障碍物，由于频率太高，相位噪声很严重，仪器设备成本较高。过去认为毫米波只适合于短距离传输[18]-[20]。由于半导体行业的发展，成本和功率消耗都急剧减小，而其他的传输困难也是可以逐渐克服的[21]-[26]。

3.2理解mm-wave无线信道

在无线通信中使用mm-wave作为载波需要有新的问题要克服，主要的问题之一就是当前没有任何可以使用的信道模型。深刻的理解信道的实际情况有助于提出新的物理层结构，不同的多址接入（multiple access）以及新的空时接口（air interface）[6]。Samsung的Farooq

认为无线信道的特征应当包括下面4个因素：传输损失，信号穿透，多普勒效应，多径[9][12]。

1.传输损失：在自由空间的传输损失可以由下面的公式近似：，表示载波频率，表示传输机和接收机的距离[12]。

公式似乎表明损失主要是由于高频率导致的。短波长使得在密集的小区域内可以装载大量的天线，而这将会使得在未来的5G网络中使用等方向性的天线存在问题[12]。[9],[13]的研究工作表明与毫米波与微波相比，在同样的天线孔径的情况下，毫米波并不应当被认为是有很大的缺陷的，并且，mm-wave链路能够在非常窄的波束空间发射。比如在70Ghz的链路与18Ghz的链路相比大约是4倍窄[14]。 并且最近的研究[12]也证明了在蜂窝网络中使用非常窄的波束空间中传输信号能减轻干扰和增强空间复用。关于毫米波不适合于无线通信的观点已经被***了，毫米波在未来的5G通信中被寄予厚望[14]。毫米波链路的情况还取决于许多其他的因素，节点间的距离，发送端的链路余量，多径分集[14]。

2.穿透和LOS损失：对于一个高效蜂窝系统的设计，深刻理解毫米波在不同情况下传输的特点是很有必要的。为了理解室内和室外的传输特征，确定信号穿过常见的结构的特性是很有必要的。理解毫米波在各种不同的环境中散射，穿射，衍射和反射的特性是发展5G通信的基础。

Rappaport教授和他的团队对毫米波信号穿过各种常见的材料进行了研究[6]，研究表明大多数的室外建筑材料对毫米波都有很强的抗穿透性。在室内的环境中，很多材料也对毫米波的传输有明显的衰减效果。由Sylvain collonge of RNRT French的研究项目对毫米波在办工室环境下传输做出了测度定[15]，人体会对毫米波的传输造成显著的影响，由于人的移动而产生的衰落可以通过使用大天线波束和角分集来减轻[15]。由[6][12]的实验结果表明使用毫米波传输信号，在室外的信号基本上无法穿透到室内，这个结论表明需要分别在室内和室外设定不同的节点来覆盖不同的区域，室内和室外环境的分开减轻了无线资源的分配和传输功率的消耗[16]。小蜂窝结构已经在密集的城市环境下部署了，在小蜂窝环境中使用毫米波进行LOS传输似乎是一个很好的方案，为了是LOS传输自动化，需要探索NLOS传输时的特性。

3.多径和NLOS：在无线通信中，多径是由于天线在接收过程中不止一条路径[16]。由Sylvain Ranvier和Mikko Kyro of SMRAD中心的研究表明，信道的多径特性是很好的描述通过选择延迟扩展作为一个验证参数，RMS（root mean square）和PDP（powe delay profiles）参数帮助探索在毫米波通信下信道的多径效应。理解信道的多径可以减轻NLOS问题，在动态的室外的环境下LOS链路并非总是可行的，确定链路在什么情况下是LOS或者NLOS是很重要的。

建筑物的边缘，角落和人的移动并不会总是对链路LOS状态有影响，但是这些情况常常会导致衰落

4.多普勒效应：载波频率和移动性是影响多普勒效应的两个主要因素，接收信号的相位与原信号的相位不同导致多普勒效应。通过减少数据包的大小和合适的信道的相干时间编码可以很容易消除多普勒产生的时间选择性衰落[17],使用毫米波通信，减少发射的波束空间角同样也可以减轻多普勒效应[9][12]。因此多普勒效应并不会对5G通信造成大的影响。