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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-RAN SDN HetNets 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701。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881。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，22 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。1.3 5G：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。图4 5G综述中所涉及到的相关论文下一代5G无线网络的上述优势和愿景激励我们进行详细的文献调查。图4显示了我们调查的大致轮廓。本文的其余部分组织如下：第二部分阐述了密集的，以用户为中心的5G网络的架构要求。它还包括与5G无线相关的云计算和HetNets的进步。在第三部分，我们讨论5G无线网络的新的基于mm波的物理层方面。随后，我们回顾MAC层中需要的更改，以支持第IV节中的物理层修改。接下来，我们来看看第5节中5G无线的新型杀手级应用。第六章提供了对质量和网络管理的评论。与可持续性和能源意识相关的主要研究工作在第七节中描述。与第5G无线相关的主要现场试验和模拟实验在第VIII节中进行了说明。我们指出第九节中的开放研究问题和未来的研究方向。最后第十节总结我们的调查。2. 5G架构：范式转变随着在传统无线频谱中亚毫秒等待时间和带宽限制的要求，蜂窝网络现在准备破坏基站(BS)为中心的网络范例。 图5描绘了从BS中心到设备中心网络的这种逐渐移动。 无线工业需求的增长推动了从最初的宏观六边形覆盖向小得多的小区部署的发展。 现在的研究人员专注于设计以用户为中心的网络的方法。 用户不再是无线网络的最终分辨率，而是希望在网络中参与存储，中继，内容交付和计算。未来网络预期连接不同邻近的不同节点。 小型，微型，微微和毫微微小区部署已经在进行中。 因此，密集的5G网络将具有高的同信道干扰，这将逐渐使当前的空中接口过时。 这推动了扇区化和定向(能量聚焦)天线的概念，与年老的全向天线相反。 因此，空间多址(SDMA)和有效的天线设计是最必要的。 预期用户和控制平面的去耦以及各种网络之间的无缝互操作性将加强5G系统的基础。 本节讨论了5G网络架构的要求，空中接口的变化以及智能天线的设计。 还讨论了新兴技术，如SDN，Cloud-RAN和HetNets。2.1无线电网络演进5G无线网络的总体布局突破了以BS为中心的蜂窝概念的规则，并转向以设备为中心的拓扑27。 5G网络建议使用更高的频率进行通信。 在室外环境中，毫米波信号的传播和穿透是相当有限的28。 因此，节点布局不能遵循传统的蜂窝设计或甚至任何定义模式。 Rappaport和他的团队28提出了5G无线电网络设计的场地特定节点布局。 例如，超密集部署在需要高数据速率的地区是必要的，例如地铁站，商场和地铁29。 视线(LOS)通信是非视线(NLOS)通信的无可争议的偏好28，30。 或者，反射，散射和衍射信号仍然可能具有足够的能量，这需要在LOS被完全阻挡时被探测30。图5 以基站为中心到以用户为中心5G蜂窝技术需要与大量用户，各种设备和多样化的服务一起工作。因此，主要关注的是5G BS与传统蜂窝网络(例如4G，3G和2G)的集成31。 Farooq和他的团队在三星电子32，33提出了不同的配置，如毫米波BS网格系统，毫米波与4G系统和毫米波独立系统集成。大波束成形增益扩展了覆盖范围，同时减少了干扰并提高了小区边缘的链路质量。这个特性使得毫米波BS网格可以提供低延迟和成本效益的解决方案32。图6 毫米波的网络架构图6(A)示出了mm波(5G)和传统4G网络的混合系统。它提出了一个双模式调制解调器，使用户能够在两个网络之间切换更好的体验32。或者，mm波频谱也可以仅用于数据通信，而控制和系统信息可以通过使用传统的4G网络传输32。另一方面，在图6(B)中，独立的5G系统32仅在毫米波上工作。这样的系统设想对回程和无线接入链路使用相同的毫米波频谱。窄波束的概念允许可接受的频谱重叠，并且还改善BS网格和大量用户之间的链路质量33。因此，5G通信中的无线电联网预期与传统网络有很大不同。无线电的演进也将改变空中接口的原理图。2.2 高级空中接口毫米波传播的小无线电波长需要小的天线尺寸。 这使得能够使用大量较小的天线。 使用阵列天线控制信号的相位和幅度有助于增强所需方向的电磁波，同时在所有其他方向消除34。 这需要引入定向空气界面。图7示出了空中接口从单向传输到定向传输的这种改变。 可以通过使用自适应波束成形技术来保证高定向辐射模式，从而引入空分多址(SDMA)33。 有效的SDMA改进了在发射机和接收机的波束成形天线的频率复用35。 我们将天线训练，波束成形和SDMA的细节分别推迟到第三节和第四节。然而，硬件挑战，更精确地说，混合信号分量的高功率消耗可能限制这些优点。将每个天线连接到高速率模数(A / D)和数模(D / A)转换器是不大可能的27。混合架构，集成模拟和数字波束成形，具有最优的波束成形权重，可以提供可能的解决方案27。模拟和数字波束形成概念的细节在32中讨论。将BS划分为多个扇区也放宽了硬件约束。然而，这在同步和数据传输中提出了进一步的挑战，这需要解决36。用于不同波束成形技术的最佳天线配置增强了性能。图7 传统电线和智能电线例如，发射器上的喇叭天线，接收器处的贴片天线以及用于波束的垂直导向的高层城市环境中的特殊天线阵列将能够有效地进行通信36。可以通过上行链路和下行链路的分离来缓解VAST BS部署和对LOS通信的需要。多个节点可以促进不同的传输，以在不同的信道条件下使用不同的通信路径27。了解指挥空中接口的基本技术及其进步将为有效的5G通信奠定坚实的基础。2.3下一代智能天线5G网络的成功部署取决于有效的天线阵列设计。这利用了空中接口变化的优点。应使用多波束智能天线阵列系统来实现SDMA能力。智能天线有助于干扰减轻，同时保持最佳的覆盖区域和同时传输移动手持机和BS 37的功率降低。此外，对于相同的物理孔径尺寸，更多的能量可以通过使用窄波束在较高频率传输38。智能天线实现使得相同的信道可以被不同的波束使用37。这减少了无线通信的主要问题之一：同信道干扰。波束形成天线的使用中与小数负载系数，进一步稀释了共信道干扰的问题39。高度定向的波束的应用不一定需要任何分数负载。基础设施费用和复杂操作阻碍了对定向天线的不加区别的使用。然而，甚至更少复杂的天线能够提供相当大的容量增益39。因此，智能天线设计，经方向增益，成本和复杂性的优化为2.5G无线通信的发展非常重要。图8 三种智能天线子阵列垂直平面子阵列通过改变与子阵列单元相关联的权重来在水平面中操纵波束40。子阵列配置对于波束控制至关重要。图8展示了布置天线子阵列的三种不同的可能性：(i)圆形，(ii)平面和(iii)分割。更好的覆盖圆形子阵列使其更适合无线通信37。虽然曲率允许更宽的光束转向，线性配置具有更好的方向性，但限制了扫描角范围40。除了圆形或线性，简单的分段配置也可以仔细设计，以实现所需的方向性和扫描范围的水平40。通常，喇叭天线具有比所有其它天线更高的增益。角天线阵列提供BS 41所需的高功率输出。空间，大小和功率是移动设备处的约束。因此，更简单的贴片天线适用于设备36。通常，空间，而不是尺寸，限制了在BS和MS处的复杂智能天线的部署。然而，三星在28GHz频段的实验与贴片天线在流行的手机已经显示了有希望的结果2。2.4 通过分裂的平面敏捷性和弹性架构和空中接口的变化强调小小区和增加的天线数量。在如此密集的5G部署中，许多服务器和路由器的配置和维护是一个复杂的挑战。软件设计网络(SDN)为这一复杂挑战提供了一个简化的解决方案。 SDN考虑控制平面和数据平面之间的分割，从而在5G网络中引入快速和灵活性41，42。图9描绘了用户和控制信号的分离。因此，用户平面容量的增加变得独立于控制平面资源。这使得5G网络在所需位置具有高数据，而不会招致控制平面开销42。 SDN通过使用软件组件来解耦数据和控制平面。这些软件组件负责管理控制平面，从而减少硬件限制43，44。两个平面之间的交互通过使用开放接口实现，如OpenFlow 45。它还便于在不同配置之间切换45。图9 控制平面和数据平面相分离SDN可以跨越OSI层来重新建模网络以实现完全自动化管理。 冗余接口由控制器减少，控制器将策略分配给路由器用于监控功能44。 应用于无线接入网络(RAN)的SDN本身表现为SON解决方案45。 SON算法通过控制平面协调在粗粒度上优化RAN，同时保持精细的粒度数据平面不受影响45。 虽然SON提供高增益，但是数据平面的改进需要多个BS的协作来进行数据传输。 协调多点(CoMP)传输有助于以非常精细的时间尺度进行协作数据传输45。 Cloud RAN还通过分散数据平面提供了一个可行的解决方案。 数据和控制信号可以通过不同的节点，不同的频谱甚至不同的技术路由，以管理网络密度和多样性。2.5 集中式架构 - 云RAN云无线接入网络(C-RAN)解决了与高数据速率的增加的需求相关联的一些主要问题46。无线行业正在通过增加更多小区，实现MIMO技术，建立HetNets的复杂结构和小型小区部署来提高网络容量。然而，小区间干扰，资本支出(CAPEX)和支出(OPEX)阻碍了这些努力。 C-RAN提供改进系统架构，移动性，覆盖性能和能源效率，同时降低网络部署和操作的成本46。 C-RAN基于集中化和虚拟化的基本原理。基带资源集中在位于远端中心站(不在小区站点)的基站单元(BBU)47。在传统的蜂窝网络中，互联网协议，多协议功能和以太网一直延伸到远程蜂窝站点47。图。图10示出了典型的C-RAN架构，其中来自许多远程站点的BBU集中在虚拟BBU池。这导致统计复用增益，能量效率操作和资源节约46。虚拟BBU池进一步促进可扩展性，成本降低，不同服务的集成和减少现场试验的时间消耗46。远程射频头(RRH)包括变压器组件，放大器和双工器，可实现数字处理，模数转换，功率放大和滤波46，47。 RRH通过高于1 Gbps的单模数据速率连接到BBU池47。这种简化的BS架构为密集的5G部署铺平了道路，使其价格适中，灵活和高效42。强大的云计算能力可以轻松处理所有复杂的控制过程44。图10 云无线接入网络架构中国移动正在大力倡导C-RAN，因为它为网络建设，部署，成本结构和灵活的最终用户服务提供了基础。基础设施共享协议49，由IBM的Mohammad Banikazemi提出，为密集部署提供了成本有效的解决方案，以及向后兼容性49。通过将RF前端移动到BBU，在BBU本身中生成射频。传输由共享云无线电覆盖基础设施执行。这使得能够使用模拟RF，帮助许多服务和运营商共存而没有任何显着的干扰49。此外，SDN创建了通过可编程接口无缝合并云应用与无线网络的选项。最近的研究提出了基于SDN的虚拟网络，云作为骨干网50。小小区部署有时可能是困难的，昂贵的和由站点拓扑的约束。这使得小型小区的回程网络成为关键的基础设施。集成了固定宽带接入和无线LOS回程的异构回程技术是最合适的。因此，需要一个标准化接口来设计和优化RAN与回程网络51。动态适配的路由节点51，由NEC欧洲实验室的Peter Rost提出，将RAN视为RAN集中化中的灵活性的服务(RANas)。 RANas概念提出了具有封装和交付功能的集中云平台，这取决于实际的网络要求51。在实际有效容量回程约束下研究了上行链路C-RAN的容量限制和系统级优化52。考虑了压缩和转发中继策略，用于将接收信号的压缩版本从BS发送到中央处理器。由压缩引入的量化噪声的水平被认为是回程设计中的关键参数52。基于云计算的无线电访问鼓励共享池的可配置资源，使最少的部署，管理和操作努力。2.6 异构方法处理在5G通信中预期的无线业务突发的另一种方式是部署大量小小区，产生异构网络(HetNets)53 .HetNets通常由具有低传输功率的小小区组成，除了遗留宏小区。通过部署低功率小BS，网络容量得到改善，覆盖范围扩展到覆盖空洞54，55。此外，所有小型微微小区毫微微小区与现有宏小区的重叠导致改进和高效频率重用56。图。图11示出了HetNet的概念。 HetNets的部署要求传统宏小区和小小区之间的协调操作，以减少相互干扰56。加拿大曼尼托巴大学的研究人员强调多层网络和5G通信的干扰升级57。 5G混合网络中的各种干扰管理挑战在57中得到解决。 5G HetNets中宏和第二层小区之间的干扰在58中通过反向时分双工(TDD)协议来解决。它有助于层内和层间信道的本地估计。在反向TDD模式中，当小型小区接入(SCA)在上行链路中操作时BS处于下行链路操作，反之亦然。图11 HetNets架构高通科技公司和三星移动解决方案实验室的研究人员强调网络和设备端干扰管理技术59。具有利用干扰信号结构(包括调制星座，编码方案，信道和资源分配)的能力的高级接收机被认为是关键的驱动器59。不适当的无线电接入技术(RAT)可以产生不必要的信令开销60。为了减轻多RAT中的这些问题，在60中提出了高效的RAT切换决定和公共资源的优化划分。多RAT的并发利用提高了容量和连接性。然而，多个网络的联合使用没有得到很多研究关注。在多种RAT之间的智能耦合承诺，进一步的容量和覆盖改进HetNets 61。在62中，作者介绍了用于毫微微小区使能的HetNet的各种无线电资源管理方案。解决跨层和共层干扰，同时保持优化的无线电资源利用，公平性和QoS。各种频率调度算法和频率复用技术增强了HetNet性能62。光谱资源分配策略56也提出了解决干扰问题的潜力。在63中讨论了用于实现随机HetNet部署的合作和分布式无线电资源管理算法。 64中的工作提出了在比例公平标准下在下行链路HetNets中的BS和设备关联的优化。 65提供了用于平衡能量效率和光谱效率的绿色HetNets的整体框架。两层异构网络在58中提出，通过共同定位大规模MIMO BS和低功率SCA来改善网络性能。虽然大规模MIMO通过确保室外移动覆盖来获得传统的好处，但是具有认知和协作功能的SCA作为室内和室外低移动性用户的主要容量驱动器。然而，回程代表了密集SCA部署中的主要瓶颈之一。与传统的有线回程相反，SCA可能通过不可靠的无线回程基础设施连接58。错误率，延迟，容量和部署成本的特性预计随情况而变化。因此，无线回程链路提供了可行和经济的替代方案58。为了简化HetNets的部署，操作，管理和全天候优化，在53中提倡了云辅助平台。此外，基于云的智能切换和位置管理可以确保HetNets中的无缝连接53。因此，我们认为小型小区的异构连接是新兴5G架构的主要构建块。方向性和小小区设计，以及资源分配的进步有望用于5G通信的更高覆盖和数据速率。表二总结了与5G网络架构相关的主要工作。3.物理层设计问题将5G架构融合到现有的无线系统需要一种新颖的方法来使过程平滑和快速。 因此，了解物理层技术并将其集成以实现最大性能和最小开销是至关重要的。 在本节中，我们讨论即将用于5G部署的现有和即将发生的物理层技术。 更精确地，我们探索物理层概念，如对信道的理解，其特性，波束成形的要求，波束训练，大规模MIMO和全双工技术。3.1 理解毫米无线信道新兴的毫米波频率提出了许多移动无线通信的新挑战。 主要的挑战是任何标准信道模型的不可用性。 对信道行为的技术理解提出了新的架构技术，不同的多址和空中接口的新方法28。 此外，毫米波频率的生物安全性也在审查66。 在66中分析了安全问题的毫米波的非电离和热特性。 从技术上讲，Farooq et。 al。 在三星电子8，33建议通过传播损耗，信号穿透，多普勒和多路径的无线信道表征。1)传播损耗：自由空间损耗由以下公式估计：LFSL = 32.4 + 20log10 f + 20log10 R，其中LFSL主要考虑毫米波的传输损耗，R表示发射机 - 接收机距离，f是载波频率8。看来，在较高频率下损耗突出。然而，只有在特定频率的路径损耗插入两个各向同性天线8。较短的波长使得在较小的区域中较小天线的密集封装，从而对未来5G网络的各向同性天线的使用提出挑战。与自由空间损失相关的研究工作33，67表明，对于相同的天线孔径面积，与其较长的对应物相比，较短的波长不应该遭受任何主要的缺点。此外，mm波链路能够铸造非常窄的波束。例如，70 GHz链路比18 GHz链路窄四倍9。这导致了很多链路的应用9。此外，最近的研究8还表明，窄波束的定向传输减少干扰和增加蜂窝应用的空间复用能力。在大雨下，毫米波的性能下降的担心不能得到任何结论的支持。因此，毫米波链路被期望无阻碍地执行9。然而，毫米波束性能取决于许多其他因素，无线电的链路余量和多径分集9。2)穿透和LOS通信：对于有效的系统设计，迫切需要理解在不同环境中的毫米波传播。 为了理解室内和室外环境中的传播特性，必须确定通过和围绕公共结构，叶片和人类传播信号的行为68。 理解在不同环境下的毫米波的衍射，穿透，散射和反射为5G网络部署奠定了基础。他的研究团队的信号中断调查和建筑材料反射系数比较，如彩色玻璃，透明玻璃，干墙，门，立方体和金属电梯，他的团队发现，普通室外建筑材料对mm波具有高穿透阻力。此外，室内环境结构，如干墙，白板，杂波和网眼玻璃也被发现显着影响衰减，多径分量和自由空间路径损耗69。 RNRT的Sylvain Collonge的传播测量法国项目(60 GHz频段的通信在可行性应用中的可行性研究)70描述了高频波在无线电环境中的行为。室内信道脉冲响应确认人体对mm波传播造成相当大的阻碍。人们的运动产生阴影效应，这可以通过更大的天线波束宽度和角度多样性的引入来减轻70。从可用的传播结果8，28，我们可以得出结论，户外mm波信号大多被确定为室外。很少的信号穿透室内通过玻璃门，打开门和窗户。室内 - 室外隔离强调了不同节点对不同覆盖位置的需要8，28。然而，隔离的特性有助于在预期区域中配置能量28。图12 可视通信此外，室内和室外交通的分离放松了与无线电资源分配和发射功率消耗相关的开销71。开销通过灵活的聚类，有效的用户选择和自适应反馈压缩加大小小区信息进一步显着降低72。有趣的是，小型蜂窝结构已经在密集的城市地区部署。例如，在日本城市，BS间距离只有200米7。因此，在小型小区环境中应用LOS传播看起来很有前途的波通信。确保LTE需要大规模的天线部署，没有任何预定的模式。网站特定的随机部署预计将因情况而异。随机，密集和现场特定LOS通信的示例图如图12所示。 与LOS通信相关的挑战自动需要调查非视线(NLOS)传播和所需的基本支持。3)多径和NLOS：在无线通信中，多径是天线中信号接收的影响多于一个路径73。根据SMARAD卓越中心的Sylvain Ranvier和Mikko Kyro，赫尔辛基科技大学74，75，通过选择延迟扩展作为验证参数，很好地描述了通道的多径特性。功率延迟特性(PDP)的均方根(RMS)有助于探测毫米波通信中的多径效应。了解多径可能使NLOS问题减轻。 LOS链路可能不总是可能在动态室外环境。因此，重要的是探索部分阻塞LOS和NLOS链路的可能性。 76中的测量值表示平均雨衰，雨中短期信号电平，植被衰减，玻璃和宽带功率延迟分布。与清晰，干燥的天气条件相比，在雨中检测到更多的多径分量。在不同的指向角下的许多多径分量可以用于链路改进28。图13 多径和NLOS建立角落，边缘和人类活动可能不总是完全削弱LOS链接。相反，这些往往造成阴影。不同表面的反射系数表明阴影区域有合理的信号电平的可能性77。还观察到较宽的波束宽度天线给出接收信号的准确估计。另一方面，较小的波束宽度天线具有空间方向性的优点。波束拓宽技术的适当组合探讨了在小区域中变化特性的优点。此外，天线角度的最佳组合也使系统具有高SNR和低RMS延迟扩展78。在NLOS路径中的通信需要均衡器，这引入了高延迟，增加的功耗和低数据速率的新挑战70，78。多径统计的知识有助于设计均衡器和选择调制技术76。现有和当前信道统计的适当组合有助于解决大多数NLOS传播挑战。如图13所示。在74中提出的延迟域信道模型使用来自任意放置的散射体的反射信号用于点到点伪造。4)多普勒：载波频率和移动性表征多普勒效应。 接收的入射波具有不同的移位值，从而导致多普勒扩展8，33。 多普勒诱导的时间选择性衰落通过分组大小和通道的相干时间的适当编码容易地减轻30。 此外，窄波束传输中减小的角扩展(mm波传播固有的)进一步减少了多普勒扩展8，33。 因此，多普勒效应不可能在5G网络中引起任何显着的挑战。3.2 自适应波束成形如前所述，在第二部分中，智能天线的设计对于有效的毫米波通信至关重要。 此外，定向波束也是新兴5G网络的一部分。 在本小节中，我们将讨论如何使用智能天线设计创建，控制，训练，操纵和测量波束。1)创建和控制光束：理解mm波束成形算法对于将能量聚焦在所需方向是必不可少的。具有指定波束成形权重的天线阵列和子阵列的不同配置，操纵和控制波束。在模拟，数字或RF前端可以进行波束成形32。在数字或模拟域中应用波束成形权重来创建定向波束38。图。图14示出了模拟，数字和混合域中的波束成形。在数字波束成形中，系数分别在发射机或接收机的快速傅立叶变换(FFT)之前或之后，每个RF链，过调制的基带信号上乘以系数。然而，模拟波束形成是通过将系数应用于时域中的修改的RF信号本身来完成的。数字波束成形在增加复杂性和成本的情况下提供更好的性能。另一方面，模拟波束成形是一种具有较小灵活性的简单且有效的方法。混合波束成形架构在数字域的模拟域和灵敏度上提供具有移相器的尖波束38。对于大型天线阵列，对于每个天线元件使用单独的收发器是昂贵和复杂的。它不仅导致组件成本的上升，而且增加功耗79。 Frederick及其诺基亚解决方案和网络团队提出与MIMO，RF和混合波束成形架构的5G通信，以解决一些这样的挑战79。对于mm波频率，RF组件的效率通常较差，因此使功率放大器仅在最大功率下操作。 因此，阵列的控制由移相器完成80。 还有一个命题是使用窄波束用于数据和宽波束用于控制信道80。 三星电子的达拉斯技术实验室通过将天线阵列分割成多个逻辑子阵列而不增加天线间距来提出波束加宽80。 传统的波束形成方案集中在最大比合并，即所需信号的最大化和迫零(干扰消除)81。 81中的工作为虚拟小区网络中的和速最大化提供了一种新的波束成形算法。 该解决方案实现了期望的信号最大化和干扰最小化之间的平衡。2)天线训练协议：从前面的章节中可以看出，可操纵和高定向天线的波束成形对于未来的5G开发是重要的。 不幸的是，它在复杂的通信协议设计中提出了重大的新挑战。 如图所示。 图15(a)中，用户与发射机波束对准， 图15(b)中，发射天线和接收天线之间的通信是不可能的，因为相应的波束不是对准的或是衰减的。 因此，用于发现最佳波束方向对的波束成形训练协议是非常关键的82。 可控射束可用于移动手机和BS，用于RF通信和回程协调30。 早期对mm波天线指向协议的工作使用伪噪声序列。 利用窄带导频信号和多径角扩展，可以有效地确定天线指向方向30。图14 数字、模拟、混合波束成型在期望方向上的能量聚集作者在83中提出了基于奇异值分解(SVD)的发送预编码和接收组合方法。它用于以多级迭代方式训练天线系数。对于具有较低数量的RF链和大量天线的系统，这种训练方法是非常有效的。它降低了毫米波通信中的计算复杂性83。斯坦福大学的研究人员强调了识别波束误差以有效处理波束成形架构84。波束编码是波束训练技术，其向每个波束角分配唯一的特征码。在训练包中同时操纵编码的多个波束角度有助于快速估计最佳角度对。此外，该技术显示在NLOS环境中的鲁棒性，对未来的mm波通信至关重要82。注意，网络必须确保移动设备在天线的波束内。应用于定向卫星通信的天线跟踪系统是有用的85。该概念基于通过以小步长移动轴来获得高接收信号。精度和性能取决于步长和SNR 85。图15 天线训练协议3)到达角估计：对于户外移动信道，需要知道随时间变化的到达角(AOA)和多普勒扩展特性。与LOS相比，针对NLOS情况的触发点预测产生更高的路径损耗和多路径延迟扩展。用于纳米束可操纵天线的自适应波束阵列表明，通过在NLOS天线中照射周围物体可以产生链路86。在30中，为每个发射机生成AOA分布。所有链路的方位角组合都绘制为接收机和发射机。实验和结果指出，BS处的发射机应指向接收机方向，波束方向最大为6030。 AOA的知识也有助于为NLOS情境寻找替代路径。在阻塞的情况下，设备需要切换到下一个可用的备用路径。常规方法是通过对所有训练波束对的信号强度进行排序来识别替代路径。在87中，斯坦福大学的作者通过利用到达角值提出了替代路径识别。该概念类似于多用户检测中的连续干扰消除方案。低估计误差和改进的性能被识别为关键优点87。为了实现较低的冗余，具有能量和带宽保存，AOA信息也被定向自寻址协议(DSP)使用。定向天线和无源天线可以探测DSP的特殊情况，以提高无线广播的效率和可靠性88。进行具有PDP扩展和传播损耗的AOA测量，具有升高的发射机和接收机的各种配置，用于理解典型的5G BS位置30。3.3 扇形天线利用无数的天线，难以在MIMO集成毫米波系统中的每个单独天线元件处获得信道信息。我们将MIMO概念的调查推迟到下一小节。此外，mm波MIMO系统由于需要RF波束成形以克服较差的链路预算而受到约束79。该问题可以通过使用用于发射机和接收机的切换窄波束来减轻。通过选择最佳的发射 - 接收波束对来实现数据传输79。切换波束系统采用固定天线方向图发射或接收特定方向。分区天线模型被认为是这些系统的理想选择。图。图16示出可以构造多个天线以穿过固定的弧状扇区。这些产生弧的天线提供高的增益超过一个确定的方位角范围89。每个发射节点的范围被划分为重叠扇区88。对于发送或接收，节点被配置为接通一个或多个扇区。共同覆盖的传输范围通常比全向模式更有效88。同时，它还需要较少的硬件要求。此外，波束组合协议和空分多址(SDMA)可以与FDMA或TDMA技术一起使用以增加频谱容量和频率复用30。图16 扇形天线3.4 大规模MIMO系统通过使用简单的线性信号处理技术，大规模MIMO为BS提供了大量的天线。图。图17示出了大量的MIMO使能的BS。天线网格能够引导水平和垂直波束。大规模MIMO显着提高了光谱和能量效率90。每个单个天线被定位以实现传输中的方向性91。波前的相干叠加是大规模MIMO技术的基本原理。发射的波前在所期望的位置建设性地增加并且降低其他地方的强度92。因此，在大规模MIMO启用的BS的空间复用增加容量几个量级91。这样的设计需要用于大规模MIMO系统模型的有效算法，具有调制技术的进步90。天线数量的增加不能使高度相关的信道向量正交。因此，90中的作者建议用户调度算法对大规模MIMO系统至关重要。时分双工(TDD)是主要MIMO系统的首选选择，以避免在频分双工(FDD)中与信道估计和信道共享相关的复杂性。对频率校正算法(如基于到达方向的频率校正，协方差矩阵和时空相关性)的更多研究将能够在大规模MIMO系统中使用FDD 90。研究人员通常提出2D网格配置和在大规模MIMO系统中部署天线阵列。然而，3D和分布式阵列结构也具有良好的备选性，需要进一步的研究90。图17 大规模MIMO和波束成型大规模MIMO部署方案，分布式天线阵列和定向天线阵列在91中被提出用于未来的BS设计。 此外，可以使用廉价且低功率的组件来构建大规模MIMO 92。与用于大规模MIMO系统的大量BS天线相关联的信道状态信息和在不同小区之间的协调导致了大量的信息交换开销。 这会阻碍具有有限容量回程链路的系统性能。 在非协作蜂窝网络中使用大规模MIMO进行高效多播，在93中进行了探讨。 为了实现更好的能量聚焦和减少空间干扰，94中的工作通过将电磁透镜与大天线阵列集成提出了新的大规模MIMO设计。小蜂窝网络(SCN)和主动MIMO之间的比较在95中完成。 发现SCN的能量效率大于大规模MIMO。 减小天线阵列和相关电子电路的尺寸使得具有低频mm波传输的小小区成为大规模MIMO的合适候选。 因此，预期这两种技术的有效组合将产生更好的结果90。 此外，大规模MIMO的空间和时间自由度可以帮助管理残余自干扰96。 因此，96中的工作利用具有不完善的信道估计的快速衰落信道中的MIMO无线电来实现全双工速率。 全双工的概念将在下一小节中详细说明。3.5 全双工无线电技术在同一频率信道上同时接收和发送的新的物理范例(即全双工(FD)提供了点对点无线电链路的频谱效率的两倍97。发射机(Tx)和接收机(Rx)之间的串扰，路径损耗，衰落和内部干扰阻碍了在同一频率信道上同时通信的普及97。然而，RF和波束成形天线设计技术的最新发展促进了在相同频带中的FD传输20，60。此外，MIMO技术的进步提出了在空间域中自干扰减少的有效方法，使得能够成功地进行干扰的FD中继98。全双工承诺将容量增加一倍，改进反馈和延迟机制，同时保持物理层的安全性60。此外，全双工消除了基于竞争的网络中的隐藏节点问题60。在相同资源块上的上行链路和下行链路的同时调度导致每个FD传输遭受自干扰挑战，不仅来自内部而且来自相邻小区97。因此，自干扰(SI)的减少是在实现全双工99中要解决的主要挑战。消除类别被广泛地归类为被动和主动消除98，99。无源SI消除利用定向天线，吸收屏蔽和交叉极化以隔离发射机和接收机。主动技术利用节点发射信号的信息来消除干扰98。具有波束成形技术，大规模MIMO部署，集中式架构和小蜂窝设计的5G网络似乎有利于FD实现。具有适当速率和功率分配的智能设备调度可以实现FD操作的高容量增益97。我们相信，进化和革命性物理层技术的理解将对未来的5G无线通信产生深远的影响。与物理层改进相关的工作在表III中突出显示。4.MAC层修改物理层修改，在第三节提到，使MAC层变化不可避免。 在本节中，我们讨论MAC协议，多址，复用和帧结构所需的修正。 我们还提出了即将到来的RACH，认知无线电和全双工接收和传输的概念。4.1 默认方法：空间光束模式如图18所示，SDMA是自适应天线适应天线，波束成形和设备中心5G架构。 波束形成系数需要事先训练以实现所需的空间波束模式，成功实施空分多址(SDMA)100。 为了支持SDMA，BS需要在不同方向同时发送和接收多个波束32。第三节讨论的数字基带波束成形对这种多波束发射和接收是有益的32。信道矩阵，波束成形向量和反馈机制的精确计算对于有效的SDMA实现是非常关键的。然而，对于大量的天线和少量的RF链，传统的估计和反馈过程是不够的。因此，对于较小数量的RF链，在100中提出了天线训练协议。彭飞夏的团队，在三星电子100，已经成功地估计最佳波束成形向量，即使没有明确的信道知识。低训练开销进一步强调了迭代天线训练协议优于常规估计和反馈过程的优点，特别是对于在GHz频率范围工作的无数天线系统。 SDMA的主要要求是使自适应天线能够在期望的方向上导引能量。另一个重要的要求是评估BS和移动设备之间的RF链路的方向和到达角101。在101中提出了一种考虑SINR，AoA，信道环境和用于在SDMA系统中用户选择的出发角的算法。图18 SDMA在102中提出了一种新的MIMO SDMA-OFDM系统模型。 BS的接收机利用P个元件的阵列天线，而L个同时移动用户中的每一个使用单个发射天线。 复信号向量是在天线阵列102的第p个元素处接收的第k个OFDM符号的第n个子载波的函数。 通过调整子载波的重量，可以使误差信号功率最小化。 它还提出了一种用于权重计算的遗传算法。 可以通过增加阵列元素的数目P102来进一步增强性能。4.2 方向MAC协议利用空间特征的MAC协议可以有效地增加网络容量。 与5G无线网络相关的主要MAC层协议在图19中列出。 在103中，基于具有冲突避免的定向载波侦听多路访问(CSMA / CA)提出了多用户MAC协议。 提出的分析是基于多用户SDMA的马尔科夫链模型。 定向和自适应波束成形中的干扰减少帮助BS与同一多用户组中的许多用户同时通信103。 随着物理层技术接近香农容量，并发传输和接收在同一时间和频率有效地使频谱效率和吞吐量加倍6，103。 同时传输和接收，有效的邻域活动检测，也解决了基于竞争的网络中的隐藏节点问题6。图19 定向MAC协议具有在超帧中分割的时间的TDMA是用于5G通信的合适候选者。超帧由许多时隙组成，称为信道时间分配(Channel Time Allocation，CTA)104。在每个CTA中，许多本地链路同时通信以利用空间重用104。方向性也可以添加到MAC协议，其发送RTS和CTS。不同的论文提出了用于全向和定向模式的RTS / CTS传输的不同配置，优点和缺点34，104。可以在每个波束上传输RTS / CTS分组以提高性能34。节点需要在从其接收CTS / RTS的相同方向上进行发送。定向网络分配向量(DNAV)表帮助跟踪节点必须(或不必)发起传输的方向。 DNAV是定向MAC协议的组成部分，其中上层被假