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2016年11月，举办于乌镇的第三届世界互联网大会，美国高通公司带来的可以实现“万物互联”的5G技术原型入选15项“黑科技”――世界互联网领先成果。高通5G 向千兆移动网络和人工智能迈进。第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，外语缩写：5G。也是4G之后的延伸，正在研究中。目前还没有任何电信公司或标准订定组织（像3GPP、WiMAX论坛及ITU-R）的公开规格或官方文件提到5G。中国（华为）、韩国（三星电子）、日本、欧盟都在投入相当的资源研发5G网络。日，在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上，5G NR首发版本正式冻结并发布。日，沃达丰和华为完成首次5G通话测试。
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热门关键词毕业设计（论文）设计说明书设计(论文)题目：5G 移动通信网络中的关键技术学生： 专业： 班级： 指导教师： 设计日期：毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：5G 移动通信网络中的关键技术 毕业设计（论文）要求及原始数据（资料） ： 题目：应简洁、明确、有概括性，字数不宜超过 20 个字； 摘要：要有高度的概括力，语言精练、明确，中文摘要约 100—200 字； 关键词：从论文标题或正文中挑选 3～5 个，最能表达主要内容的词作为关键词； 目录：写出目录，标明页码； 正文：本科毕业论文正文字数一般应在 15000 字以上，毕业论文正文：包括前 言、本论、结论三个部分：前言（引言）是论文的开头部分，主要说明论文写 作的目的、现实意义、对所研究问题的认识，并提出论文的中心论点等。前言 要写得简明扼要，篇幅不要太长。本论是毕业论文的主体，包括研究内容与方 法、分析（讨论）等。在本部分要运用各方面资料，分析问题，论证观点，尽 量反映出自己的科研能力和学术水平。结论是毕业论文的收尾部分，是围绕本 论所作的结束语。其基本的要点就是总结全文，加深题意； 致谢：简述自己通过做毕业论文的体会，并应对指导教师和协助完成论文的有 关人员表示谢意； 参考文献：在毕业论文末尾要列出在论文中参考过的专著、论文及其他资料， 所列参考文献应按文中参考或引证的先后顺序排列。1毕业设计（论文）主要内容： 第一部分，主要介绍课题研究的背景，阐述了通信网络发展历程，国内外 对 5G 网络的研究现状,以及本课题所研究的主要内容； 第二部分，介绍了 5G 网络的应用场景、标志、指标、技术方向； 第三部分，介绍了大规模天线技术、超密集组网技术、全频谱接入、新型 多址； 第四部分，设计一个简单的大规模天线系统，将其系统模型、频谱效率和传 输过程与 4G 网络中所用的 MIMO 天线系统进行对比，说明其优势。说明为什 么大规模天线技术会成为 5G 网络潜在的无线的关键技术； 第五部分，总结部分，总结了在本次课程设计中得到的收获与成果，同时 阐述了本次设计中遇到的难点和存在的问题，以便今后完善。学生应交出的设计文件（论文） ： 1、开题报告； 2、中期检查表； 3、设计任务书； 4、毕业论文； 5、英文翻译原件及译文； 6、光盘一张（包含上述 1-5 的内容）2主要参考文献（资料） ： [1]尤肖虎，潘志文，高西奇. 5G 移动通信发展趋势与若干关键技术［J］. 中国科学: 信息科学，) : 551 － 563． [2] IMT-2020(5G) Promotion Group. 5G 无线技术架构白皮书[R]. 2015. [3] ULLBERG H, POPOVSKI P, GOZALVEZ-SERRANO D, et al. METIS system concept: the shape of 5G to come[J]. IEEE Communications Magazine, 2015. [4]中兴通讯.用技术创新勾画 5G 网络蓝图[J].通信产业报,2014(34). [5] LI Y, WANG Q, ZHONG Z D. IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. c09 [6] GUPTA A, JHA R K. A survey of 5G network: architecture and emerging technologies[J]. IEEE Access,6-1232 [7] AGYAPONG P, IWAMURA M, STAEHLE D, et al. Design considerations for a 5G network architecture[J]. Communications Magazine, IEEE, ): 65-75. [8] MARZETTA T L. Non-cooperative cellular wireless with unlimitednumbers of base station antennas[J]. IEEE Transactions on WirelessCommunications, ): . [9] E. G. Larsson, F. Tufvesson, O. Edfors , and T. L. Marzetta. Massive MIMOfor next generation wireless systems. IEEE. 2014 [12]LI Q C, NIU H N, PAPATHANASSIOU A T, et al. 5G networkcapacity: key elements and technologies [J]. IEEE VehicularTechnology Magazine, ): 71-78. 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IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, ): 742-758.专业班级学生 要求设计（论文）工作起止日期 指 导 教 师 签 字日期 教研室主任审查签字日期 系 主 任 批 准 签 字日期45G 移动通信网络中的关键技术研究摘要移动通信网络发展到现在一共经历了 4 代，第一代是模拟技术，第二代实现 了数字化语音通信，第三代是 3G 网络，已经能够实现基本的多媒体通信，第四 代是我们目前已经离不开的 4G 网络，其标志着无线宽带时代的到来。而本论文 所研究的 5G 移动通信网络指的正是第五代移动通信网络。 5G 网络还没有进入我们的生活，通过现有的 4G 网络来推测并不能准确的 得知当 5G 网络普及之后我们的社会将发生多大的改变，本文根据各大组织，通 讯企业发布的关于 5G 网络的信息，介绍什么是 5G 网络，国际上对 5G 网络的 要求，5G 网络的应用场景还有 5G 网络的技术发展方向。文章中主要还对 5G 网 络潜在的无线技术进行分析，介绍大规模天线技术、超密集组网、全频谱接入和 新型多址的基本概念、优势、挑战。再单独针对大规模天线技术进行研究，设计 一个简单的大规模天线系统，将其系统模型、频谱效率和传输过程与 4G 网络中 所用的 MIMO 天线系统进行对比，说明其优势。 5G 网络的道路上还需要不断的探索，Verizon，英特尔，高通，华为，爱立 信，三星等企业已经在为 5G 网络技术进行各方面的测试，这些测试结果将影响 到 5G 网络的标准的制定。在通信领域，统一的通信标准将会极大的促进全球通 信的发展，所以及早的明确 5G 网络的关键技术将对 5G 移动通信网络的发展具 有极大的意义。关键词：5G 移动通信网络；大规模天线；全频谱接入；超密集组网；新型多址IResearch on Key Technology in Mobile Communication NetworkAbstractMobile communication network development has now experienced a total of four generations, the first generation is analog technology, the second generation to achieve a digital voice communications, the third generation is the 3G network, has been able to achieve basic multimedia communications, the fourth generation is that we can’t be separated from the 4G network, which marks the arrival of wireless broadband era. The 5G mobile communication networkstudied in this paper refers to the fifth generation ofmobile communication network. 5G has not entered our lives nowand through the existing of 4G to speculate accurately know when the popularity of 5G after our society will be much change, according to the major organizations, communications companies issued on the 5G network of the information, what is the 5G network, the international requirements of the 5G network, 5G network applications, there are 5G network technology development direction. This paper also analyzes the potential wireless technology of 5G network, and introduces the basic concepts, advantages and challenges of large-scale antenna technology, ultra-dense network, full spectrum access and new multiple access. And then a single large-scale antenna technology to study, design a simple large-scale antenna system, its system model, spectrum efficiency and transmission process and 4G used in the MIMO antenna system to compare its advantages. 5G on the road also needs to continue to explore, Verizon, Intel, Qualcomm, Huawei, Ericsson, Samsung and other companies have been in the 5G technology for all aspects of the test, these test results will affect the 5G standard development. In the field of communications, unified communication standards will greatly promote the development of global communications, so the early clear 5G key technology will be 5G mobile communication network development is of great significance. Key words: 5G mobile c massive MIMO;
ultra- new multiple accessII目录摘要.................................................................................................................................I Abstract ......................................................................................................................... II 第 1 章绪论.................................................................................................................... 1 1.1 选题目的和意义............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状............................................................................................. 1 1.3 论文内容与组织结构..................................................................................... 2 第 2 章 5G 移动通信网络 .......................................................................................... 4 2.1 5G 网络简介 .................................................................................................... 4 2.2 5G 应用场景 .................................................................................................... 4 2.2.1 车联网.................................................................................................. 5 2.2.2 VR（虚拟现实） ................................................................................. 5 2.2.3 远程医疗保健...................................................................................... 5 2.2.4 物联网.................................................................................................. 6 2.3 5G 网络的要求 ................................................................................................ 6 2.4 5G 网络的技术方向 ........................................................................................ 6 2.5 5G 网络面临的挑战 ........................................................................................ 7 第 3 章 5G 网络中的一些关键技术 .......................................................................... 9 3.1 大规模天线..................................................................................................... 9 3.1.1 大规模天线技术的应用场景.............................................................. 9 3.1.2 大规模天线技术的优势...................................................................... 9 3.1.3 大规模天线技术所面临的挑战........................................................ 10 3.2 超密集组网................................................................................................... 10 3.2.1 超密集组网技术的优势.................................................................... 10 3.2.2 5G 网络的超密集组网技术面临的问题与挑战 ............................... 11 3.3 全频谱接入................................................................................................... 11 3.3.1 全频谱接入的应用场景.................................................................... 12 3.3.2 全频段接入技术的优势.................................................................... 12 3.3.3 全频段接入尚存在的问题................................................................ 12 3.4 新型多址技术............................................................................................... 13 第 4 章大规模天线传输技术...................................................................................... 14 4.1 大规模天线系统设计................................................................................... 14 4.2 系统模型上的优势....................................................................................... 14 4.2.1 传统 MIMO 系统 .............................................................................. 15 4.2.2 大规模天线系统................................................................................ 16 4.2.3 大规模天线系统的优势.................................................................... 17 4.3 系统频谱效率上的优势............................................................................... 17 4.3.1 MIMO 系统的频谱效率 .................................................................... 17 4.3.2 大规模天线系统上行链路................................................................ 18 4.3.3 大规模天线系统下行链路................................................................ 18 4.3.4 大规模天线系统在频谱效率上的优势............................................ 18III4.4 传播过程中的优势........................................................................................ 19 4.4.1 传输关键参数.................................................................................... 19 4.4.2 MIMO 系统传输原理 ........................................................................ 19 4.4.3 MIMO 系统的缺陷与大规模天线系统的优势 ................................ 20 4.5 小结............................................................................................................... 20 总结.............................................................................................................................. 22 参考文献...................................................................................................................... 23 致谢.............................................................................................................................. 25 外文原文...................................................................................................................... 26 中文翻译...................................................................................................................... 39IV第 1 章绪论1.1 选题目的和意义移动通信网络发展到现在一共经历了 4 代，第一代是模拟技术，第二代实现了数字 化语音通信，第三代是 3G 网络，已经能够实现基本的多媒体通信，第四代是我们目前 已经离不开的 4G 网络，其标志着无线宽带时代的到来。而本论文所研究的 5G 移动通 信网络指的正是第五代移动通信网络[1]。 4G 网络已经改变了我们的生活，使我们在能够足不出户的买到漂亮的服装和美味 的食物，使我们能够更方便的远行，游玩，不再担心迷路或是无处可居。5G 移动通信 网络是 4G 网络的升级版，5G 网络传输速度将会更快，传输功耗将会变得更低，成本 也将更低，能够承载更多设备的接入。5G 网络将会开启一个全新的时代，它瞄准的不 再仅仅是人与人之间的连接，更包括了人与物，物与物的连接，将会实现的是整个社会 的全面互联。 随着 5G 网络的到来，每种类型的通信都会受到很大的影响。新的 5G 移动通信网 络 ， 面对高吞吐量需求的不断增长 ， 需要通过增加无线网络的数据量 ， 提高质量和服务， 并降低价格来满足社会的需求，这些是 5G 网络的重要因素。移动网络，医疗保健，互 联网上的各种视频和音频，游戏，安全监控，以及我们生活的各个方面都将会利用到 5G 网络。它也将在商业，工业，学校和社会中发挥重要作用，改善大学生，医生，飞 行员和警察的生活等等。我们生活的地区 5G 网络的最大优点之一是其能够建立全球网 络。这个全球网络是基于所有可用的通信。考虑可穿戴设备的人造智能可用性，可以帮 助我们监测我们身体的活动，如心脏速率，血压和大脑的活动，并在线保持与中央卫生 保健中心的沟通。 5G 移动通信系统想要满足 2020 年的移动互联网，物联网的需求，最关键的两点： 快速，低功耗。而想要实现这两点，最重要的是对 5G 网络关键技术的选择。5G 移动 通信网络的实现需要足够的技术支持，而 5G 网络无线技术是支持 5G 网络成功构建的 基石性技术，只有其无线关键技术确保达到目标，才有可能实现整个社区 5G 网络的覆 盖。5G 移动通信系统所需要加强的主要是无线技术和网络架构两个方面。本文主要讨 论了 5G 网络无线技术的潜在核心技术，根据国际主流组织机构发布的关于 5G 网络的 最新信息，将 5G 网络所潜在的无线关键技术，进行介绍，并选择其中之一，解释其原 理，应用场景，优势和问题。尽快明确 5G 网络的概念，技术方向和其核心技术，这将 对聚集全球产业力量，促进 5G 网络的发展具有十分重要的意义[2]。1.2 国内外研究现状移动通信具有全球统一的工业生态，形成国际统一的 5G 移动通信网络的标准已成 为通信行业的共同声音 。 国际电联于 2016 年推出了 5G 网络技术性能要求和评估方式， 计划于 2017 年底开始 5G 网络候选方案收集，并且将在 2020 年底实现标准的制定。同 时国际上各个国家为了获得 5G 网络标准技术制定权，进行着激烈的竞争。 美国：2012 年 7 月，纽约大学设立了政府和商业组织的 5G 联盟。2015 年 9 月 7 日，美国移动企业 Verizon 宣布，开始 5G 通信网络的试用，并在 2017 年于美国一些城 市使用。2016 年 7 月，美国通信委员会宣布，将为 5G 网络通信开通 24 GHz 以上的频1段，并发布无线电通信研究计划（AWRI） ，以促进 5G 网络研究与发展，并确定未来七 年投资 4 亿美元用于 5G 通信网络的研究，并且 AWRI 将在 FCC 允许的 5G 网络频率范 围内，在 4 个城市中进行 5G 网络试验。 欧盟：2015 年 9 月，欧盟成立了国际顶尖的 5G 创新中心。在 2015 年移动世界大 会上，欧盟委员会和欧洲的技术行业提出了关于发展欧洲 5G 网络通信技术和构建 5G 网络基础设施的愿景。一年后，欧洲数字经济与社会事务专员在 2016 年移动世界大会 上宣布，欧洲已经开始制定一这项行动计划，到 2020 年在欧盟部署 5G 网络技术。2016 年 7 月，欧洲的通信行业发布了 《5G 宣言》 ，11 月 10 日发布了欧洲 5G 网络频谱战略， 确定 5G 网络初期频谱部署计划。 日本：2013 年 10 月，日本的无线工业和商贸联会设立了 5G 研究组,研究 5G 网络 系统构成与无线接入技术。2014 年 5 月，日本 NTT 其他各国的通信企业展开 5G 网络 联合实验，并在 2015 年 11 月，该公司实施的 5G 网络试验中，在商业区以 70GHz 频 段接收到信号，实现了超过 2Gbit/s 无线传输。 韩国：2013 年 6 月韩国成立 5G 论坛，并提出 5G 网络发展战略。2014 年 1 月，韩 国宣布投资 1.6 万亿韩元用以 5G 网络核心技术的开发。2016 年 7 月，韩国电信和美国 Verizon 运营商在关于 5G 移动通信网络中形成统一标准，加速了韩国 5G 移动通信网络 的商业化。2016 年 10 月，韩国的移动运营商 SK 电讯声明，将在韩国成立 5G 移动通 信网络研讨中心。 中国 ： 2013 年 2 月 ， 我国政府部门工业和信息部 、 科技部成立了“IMT-2020 推进组”， 提出中国将在 5G 网络标准制定中，发挥主导作用的目标。2014 年 1 月，我国台湾地区 进行了 5G 网络发展产业和策略会议 ， 并成立了专门的部门来推进 5G 网络的长期发展。 2016 年 5 月 31 日，由美洲 5G America、日本 5GMF、韩国 5G 论坛、欧盟 5G PPP、中 国 IMT-2020 推进组联合主办的第一届国际性的 5G 大会在北京召开。2017 年 1 月，由 我国工业和信息部发表的《信息通信行业发展规划》中明确指出，支持 5G 网络研究和 相关技术测试，加快 5G 网络频谱规划。2017 年 3 月，政府工作报告中指出要加快 5G 网络技术研发。1.3 论文内容与组织结构本篇论文主要是介绍 5G 移动通信系统的概念并分析和对比 5G 网络的无线关键技 术。 第一章主要介绍本文选题的目的和意义，简单的介绍了通信领域的发展，现在国际 上各国和各组织对 5G 移动通信网络的研究与进展。 第二章专门对 5G 网络进行了介绍，什么是 5G 网络、5G 网络的标志、5G 网络的 技术指标、应用场景、技术方向、还有 5G 网络所面临的挑战。 第三章将介绍四种 5G 移动通信系统潜在的无线关键技术，并进行应用场景、技术 优势、面临的挑战上的分析，使阅读本篇论文的各位学者对大规模天线技术、全频段接 入技术、超密集组网技术和新型多址有所认知。 第四章将前面所提到的大规模天线技术专门提出来进行较为详细的分析 ， 将其系统 模型与传统的天线技术进行对比，并从大规模天线系统的频谱效率，传输过程等方面进 行研究，将其与传统的天线技术 MIMO 技术进行对比，说明大规模天线技术所具有的 优势。2第五章为全文总结，总结本文所介绍的内容与进行的工作。3第2章2.1 5G 网络简介5G 移动通信网络5G 网络是指第五代移动通信网络。5G 移动通信网络将会形成一个万物连接的系统， 创建一个完全移动和完全关联的社会。5G 网络主要包括生态，客户和商业模式三个方 面，在 5G 移动通信网络当中将软件和硬件分开研究，并引入数据中心的云化，虚拟化 的概念[3]。 到目前还没有官方的 5G 网络，也没有全球统一的标准，尽管它们正在进行中。具 体标准可能因源而异，但都指向相同类型的改进：更快的速度，更高的容量，更高的可 靠性，更低的延迟。5G 网络的预期速度范围为千兆位到几十千兆，但在这个时候，我 们还不知道真正的 5G 网络将如何。 5G 移动通信网络将对智能技术产生巨大影响，其速度，延迟，网络弹性和电力消 耗都有所改善，特别是允许各种设备和传感器实时有效地通信。5G 网络会使物联网的 应用成本降低很多。 Verizon，英特尔，高通，华为，爱立信，三星等企业已经在为 5G 网络技术进行各 方面的测试，这些测试结果将影响到 5G 的标准的制定。5G 移动通信网络的将会使用 毫米波来传输信息，这是 5G 移动通信网络提升速度的关键。由于毫米波的波长短，能 够缩小发射天线和接收信天线的尺寸，这为大规模天线系统的部署提供了支持。 2017 年 2 月 9 日，国际通信标准组织公布了 5G 移动通信网络的 Logo。如图 2.1 所示图 2.1 5G 的 Logo2.2 5G 应用场景5G 网络的应用场景如图 2.2 所示，所有事物都相互关联，人与事物，事物与事物 连接。数据云化，远程操作不再受空间的约束。VR（虚拟现实） 、AR（增强现实）等 将成为主流的设备，无人驾驶车辆将会真正实现。获取内容的方式更多将是视频，直播 等形式。正如两个世纪前工业革命期间新技术的出现在改变了我们的生活，今天我们正 在经历另一次技术革命，5G 网络将使我们的城市环境现代化，以配合我们的生活[4]。4图 2.2 5G 网络应用场景2.2.1 车联网无人驾驶。当我们做在车上时，汽车可以自动检测出路上的风险，如果汽车行驶时 离前方车辆很近，将会降低驾驶速度到安全距离。而且在车辆并行的过程，能判断和自 动调整左右车的距离，大大提高交通安全。而在这种行驶中，需要具有超高速处理能力 来处理巨大的数据。这些将 5G 移动通信网络中得以实现。2.2.2 VR（虚拟现实）VR 已经成为展览的宠儿。但是现在 VR 还能不能融入我们的生活。只有当 5G 网 络时代到来后 VR 才有可能真正实现普及。 在 5G 网络时代 VR 将得到真正的利用，无线 VR 设备，只需要一个头戴显示器， 便能够随时从云端获取到内容，VR 需要解决的关键问题是如何实现高速运行的游戏以 及低延迟同步数据，这需要 5G 网络所提供的高速度和低延时，在 5G 移动通信网络的 时代 VR 技术将会真正的应用到生活。2.2.3 远程医疗保健远程医疗与保健，利用应用程序来监测身体的状况，自动分析并汇报健康状况，给 出合理建议，自动调节减轻患者的压力，特别是当病人面临突发情况时，可以利用 5G 网络的超高的可靠性和极低的延迟，远程控制对病人进行简单治疗。5G 网络技术将使 远程医疗和保健将得到广泛应用 。 远程医疗保健可能彻底改变现代医疗机构的运作方式， 医疗服务将与网络密切相关，通过连接和装备构成远程医疗保健生态系统，使使患者病 情能被及时采集并能分析得出结论。52.2.4 物联网在关于 5G 网络讨论中，物联网是最热门的话题。人和机器间的通信将更加方便， 几乎没有延迟。更高带宽和速度，能使机器可以更快速地处理大量的命令并快速反馈。 智能应用也将在日常生活中随处可见，如停车场，体育馆，购物网站的智能转型。5G 网络将带给物联网未来，实现万物互联，智慧城市。2.3 5G 网络的要求5G 网络的目标是提供一个很高的数据传输速率给众多的用户。它还支持模拟用于 部署大量传感器的连接。相比 4G，5G 移动通信网络的频谱效率有明显的提升。电信领 域一直在经历新一代移动网络，几乎每 10 年出现 1 代。预计在 5G 网络时代，通信网 络将拥有更高的峰值比特率，能同时处理更多的数据，连接更多的设备，更高的频谱效 率，更低的电池消耗，更低的停机概率，更高的覆盖范围和更大的比特率，更低的延迟， 较低的基础架构部署成本和更高的安全性。5G 移动通信网络的计划部署时间是 2020 年[5]。 Next Generation Mobile Network Alliance（下一代移动网络联盟）定义了 5G 网络的 以下要求： （1）数万用户同时使用时，数据传输速率达到 10 Mbps； （2）同时向同一楼层的办公人员提供服务时，数据传输速率达到 1 G （3）支持数十万个设备同时连接，支持大量的传感器网络部署; （4）频谱效率显着提高; （5）覆盖率高于 4G; （6）加强信号效率; （7）延迟显着低于 LTE。2.4 5G 网络的技术方向5G 网络中还有许多潜在的无线技术[6]正在研究，根据国际上对通信的需求，5G 网 络所面临的主要困难和挑战是：更快！更低功耗！而想提高通信的速率和降低功耗，需 要从最基本的理论上开始研究，香农公式： C=Blog2(1+S/N) （2-1）公式（2-1）中 B 是信道带宽（Hz） ，S 是信号功率（W） ，N 为噪声功率（W） ，C 是最大传输速率（bit/s） 。由公式可以看出，信道传输速率 C 与信道带宽 B 正相关，为 了提升最大传输速率 C 需要增大信道带宽 B。6图 2.3 5G 网络提升速率的三个基本方向提高传输速率是 5G 移动通信网络的关键，如图 2.3 所示，提升传输速率主要有三 个方向： （1）更密集的布局，单位面积内增加基站或小型终端的数量。 （2）扩展新的频谱范围，使用新的频段。 （3）提高频谱效率，通过大规模天线技术，提高使每单位频谱资源的传输速率上 升。2.5 5G 网络面临的挑战整合各种标准，提供共同平台并建立合适的基础设施是 5G 网络是设计中最重要的 挑战。在建立 5G 无线网络时，需要在三个主要类别下解决问题。首先，从预期的 5G 网络，它应该能够提供巨大的容量和连接。第二，5G 网络将支持各种服务，以及与不 同生活领域内相关的用户。第三点建立 5G 网络利用所有可用容量，灵活满足并部署于 各种不同网络场景。移动网络越来越多地覆盖了我们日常沟通的各个方面。所以这些网 络应该能够提供具有适当 QoS[7]的连接并且具有高度的可靠和安全。为实现这些目标， 5G 网络应该考虑支持视觉通信和多媒体互动。 5G 网络的最终目标是支持所有的设备 ， 从网络汽车到可穿戴设备到家用电器等等 。 5G 网络的主要目标之一是构建智能城市，提供其所需的基础设施。这些聪明的城市将 会提供移动工业自动化，车载连接和其他应用，这些都需要网络提供低延迟和高可靠性 的连接。 随着移动业务日益多元化，服务范围越发广泛，需要不同的性能要求。图 2.4 显示 了一个概述 5G 网络的要求，如网络遍及，延迟和连接数量。7图 2.4 5G 网络服务和场景的要求。根据图 2.4，设计中有几个重要的挑战，为了满足提供超高清视频和虚拟现实应用 的要求，5G 网络应能够支持至少 1 Gb / s 或更高的数据速率。图 2-4 清楚显示 5G 网络 预计将有多大的改善以满足所有的要求：无线接入技术之间的数据速率，延迟，切换时 间，能源和能源消耗。一般来说，5G 网络的潜在要求包括在交通负荷中增加容量，峰 值数据速率为 5-10Gbps，频谱效率为 10 bps / Hz，对于用户，等待时间为 1ms，另一 个要求是移动性最高速度高于 350 公里/小时，切换时间低于 10 毫秒，网络的可靠性非 常高。8第 3 章 5G 网络中的一些关键技术3.1 大规模天线[8] 2010 年，贝尔实验室，托马斯在 《无线通信》 中介绍了大规模多天线技术 （Massive MIMO）应用在 5G 移动通信中可能产生的效果。大规模天线技术可以提高数百倍的系 统容量，被业界认为是 5G 移动通信网络中的关键无线技术。与以前的单天线和 4/8 天 线系统相比，大规模天线技术可以提高时域、空域和频域的频谱效率。大规模天线的动 态组合可以使用波束赋形技术，因此较小的能量束可以集中在一个较小的区域，信号强 度集中在一个特定的方向和特定的用户基础上，显着减少了自干扰和邻域干扰[9]。3.1.1 大规模天线技术的应用场景大规模天线系统的主要应用场景如图 3.1，分城区覆盖和郊区覆盖、无线回传和局 部热点。基站之间的基本数据传输、宏站和小型终端之间的数据传输问题主要依靠无线 回传来处理。较偏僻地区的无线传输依靠郊区覆盖来处理，大型赛事、演唱会、商场、 交通枢纽等用户密度高的地区就需要局部热点来解决传输问题。图 3.1 大规模天线技术的应用场景3.1.2 大规模天线技术的优势（1）大量提升网络容量。其波束赋形的定向功能能够极大提升频谱效率，大幅度 提高网络容量。 （2）能够减少单位硬件的成本。波束赋形的信号叠加增益功能使得每根天线只需 以小功率发射信号，从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器，减少了硬件成本。 （3）低延时通信。大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。传统 通信系统为了对抗信道的深度衰落，需要使用信道编码和交织器，将由深度衰落引起的 连续突发错误分散到各个不同的时间段上 ， 而这种过程导致接收机需完整接受所有数据 才能获得信息，造成时延。在大规模天线下，得益于大数定理而产生的衰落消失，信道 变得良好，对抗深度衰弱的过程可以大大简化，因此时延也可以大幅降低。 （4）与毫米波技术形成互补。毫米波拥有丰富的带宽，但是衰减强烈，而波束赋 形则正好可以解决这一问题93.1.3 大规模天线技术所面临的挑战大规模天线技术还有许多问题需要解决，从理论上的研究来看，底层的研究面临许 多困难。在实际部署中，硬件成本也是必须解决的问题之一。以下是一些大规模天线技 术所需要解决的问题： （1）信道估计和建模。在大规模天线系统中，天线不再固定组合而移动的用户终 端也变得更多，使传统的信道估计不再实用。天线阵列的分配将受到用户所在位置的影 响 ， 基站端需要能够依靠信道的移动性和空间中的能量的连续性来实现最佳或更好的信 道估计。 （2）商业布置的成本控制。随着 5G 网络基站天线数量的大幅增加，大规模天线系 统将使用更多的天线 ， 为了控制成本 ， 需要解决在不同情况下应该布置多少天线的问题 ， 在部署前控制好成本。将大规模多天线系统的设计，制造，安装，等成本降低，使商业 部署得以实现。3.2 超密集组网为了满足将来移动网络数据流量增大数百倍 ， 将用户体验速率提高数百倍的要求， 除了增加频谱带宽和使用大规模天线技术提高频谱的效率 ， 提高空间重用的程度也是提 高 5G 网络无线系统容量的有效的方法。以前无线通信网络采用单元划分方式来减小区 半径，但是随着现代小区覆盖的减小，单元划分变得难以实现，需要超密集网技术，在 数据使用量大的区域放置小型基站。结构如图 3.2 所示。图 3.2超密集组网的结构示意简图面对移动通信网络中数据使用大幅度增长的问题 ， 使用超密集组网技术是一种有效 [10] 的方法 ，将小型基站放置在宏基站所覆盖的范围内，形成密集的异构网络，能够大大 提高空间的重用性。3.2.1 超密集组网技术的优势（1）移动性能提升 由于小型基站部署在宏基站的内部，可以始终保持宏基站与微基站之间的连接。微 基站能够给用户提供连接，用户通过小型微基站就可以实现信息的添加，修改和删除。10（2）资源利用率提升 宏基站可以通过统一控制和管理小型基站 ， 对小型基站动态开/关等给予协调管理， 进行优化控制，提高整体的网络容量和资源使用效率，降低能耗。超密集组网络技术可 以使终端在一些地区和发射节点之间的距离变得更近，能够得到更多的频谱，提升业务 效率、频谱效率、大大提高系统容量 [11]。3.2.2 5G 网络的超密集组网技术面临的问题与挑战（1）干扰现象 在超密集组网中，由于各个节点之间的距离很小，信号将会将会互相干扰，主要类 型是：共享频谱资源之间的干扰，相同频率之间干扰。在实际的应用中，如何有效的进 行节点之间的协作，消除干扰已经成为一个关键问题，而现在业界提出的一系列的技术 方案，尚未得到验证，效果依然需要测试。 （2）信令负荷 将小型基站大量的部署，使信号所覆盖的区域变得更加不规则，覆盖区域的边界数 量增加，使信号需要通过更多的变换和切换。4G 所使用的分布式交换算法信令负载会 随着覆盖密度的增加以二次方趋势增加，这大大增大了网络控制信令的负载。现在超密 集组网如何减少信令负荷是必须解决问题 [12]。3.3 全频谱接入全频谱接入技术是指通过有效的使用各种通信频段：高频段和低频段、连续频谱和 不连续频谱等资源来提高数据传输速度和效率。所涉及的频带包括低于 6GHz 的低频带 [13] 和 6-100GHz 的频带。选择频段时应遵循以下原则 ： （1）候选频段需要支持移动业务，并与频段内的其他现有业务兼容，以避免不同 系统之间的干扰。 （2）候选频段需要具有宽的自由连续频谱，以满足 5G 网络高速率的传输。 （3）候选频带需要具有良好的传播特性。 由于卫星，广播，和地面的多种服务使用的频谱密集分布在 6 GHz 以下，如图 3.3 所示 5G 网络的频谱资源在 6 GHz 以内可以用于低频带的频谱资源极为有限，无法满足 5G 网络的开发需求，必须开发 6GHz 以上的高频段。超过 6 GHz 的连续频谱资源非常 丰富，非常适合未来增强的移动宽带高速连续大宽带需求[14]。11图 3.3 6 GHz 以内频谱资源的使用情况3.3.1 全频谱接入的应用场景全频谱接入技术覆盖了较大的频率范围，频段间具有不同的特点和优势，通过频谱 资源的灵活的部署，全频谱接入技术将满足未来 5G 网络需求的三大场景[15]。 （1）E MBB（增强型移动宽带）场景：6 GHz 以下的低频带资源传播特性更适合 满足增强覆盖的需要，而高频带提供连续的大带宽，尽管高频带的衰减很大，覆盖面不 好 ， 但可以部署在热点区域 ， 以提高速率和系统容量 。 所以高频和低频协作是满足 EMBB 场景的基本手段。 （2） M MTC （大规模机器类通信） 场景：由于大规模机器类通信的速率要求较低， 但对于覆盖范围有较高的需求，故 M MTC 场景主要使用小于 6GHz，特别是低于 1GHz 的频带。已经确定，在物联网中使用 800M 和 900M 频带中的窄带频带，能够满足大规 模机器的通信需求。 （3）U MTC（超可靠和低延迟通信）场景：U MTC 场景需要超高的可靠性，因此 频段的选择将独立分配授权频谱。3.3.2 全频段接入技术的优势了解每个频段的特征是设计通信系统的基础，国际上对 6 GHz 以下频段的频谱特 性进行了很多的研究 ， 并且高频渠道特点的研究已经成为全频谱接入技术的关键项目。 通过研究 5G 网络候选频带的信道传播特性并组合信道测量结果，构建高频信道模型， 分析每个频点的使用场景，选择最合适的频带[16]对 5G 网络的实现具有巨大意义。 在高低混频网络中 ， 使用了控制面和数据面分离技术 ， 当终端处于数据密集区域时 ， 由低频蜂窝网络来负责控制面的传输，高频蜂窝网络负责数据传输。而当终端在非高频 基站覆盖的非是数据密集区时，控制面和数据面通过低频蜂窝网络传输。高频混合网络 技术的使用可以有效地解决热点面积的速率和流量要求 ， 而低频基站广泛覆盖可以减少 基站数量，降低网络部署所需的成本。3.3.3 全频段接入尚存在的问题与低频设备技术和产业链相比，移动终端高频设备研究还处于起步阶段。目前的126-100 GHz 元件在微波产品已经得到广泛使用，但现有的移动终端硬件技术不能支持高 于 6 GHz 的高频带。高频带对于硬件的冲击主要在于射频模块，其中支持高频射频芯 片需要修改射频核心，将导致整个射频芯片的设计变化。目前支持高频射频前端还没有 实现小型化，无法集成到手机等小型移动终端。另外，随着频率的增加，天线的尺寸会 减小，这将有利于大规模天线技术的部署，未来的移动终端也可以通过集成更多的天线 来实现性能。目前，高频设备存在诸多问题，设计难度大，设备成本高，需要开发 5G 网络技术和加大产业链的投资[17]。3.4 新型多址技术移动通信多址接入技术是为了满足多用户同时通信的需求，在用户同时通话时，能 够防止相互干扰[18]。 根据信道类型，可以使用特定的多址技术进行通信。多址接入技术是现代移动通信 系统的一个重要特征，在很大程度上，多址接入技术是移动通信技术发展的关键。下表 3.1 为四种新型的多址技术：表 3.1 四种多址技术的比较 多址技术 关键技术 优点 缺点 1 无明显远近效应 1.接收机复杂度 1SIC（串行干扰 2 上下链路的频谱 非正交多址接 高 删除）检测 效率提升 入（NOMA） 2.功率复用技术 2 功率域复用 3 下行链路吞吐量 仍在研究中 提升 1 频谱效率提升 3 1 低密度签名 倍以上 算法 1 最优码的设计 2 上行链路系统容 稀疏编码多址 2 高维调制技 和实现比较难 量提升 接入技术（SCMA） 术 2 用户间干扰增 3 相较于 OFDMA ， 下 3 通过 MPA 进行 加 行链路小区的吞吐量提 近似最优检测 升，增益提升 1 适合复杂度 1 下行链路频谱效 1 图样的设计和 的 SIC 的联合/整体 率提升 1.5 倍 最优化的实现较难 图分多址接入 设计 （PDMA） 2 上行链路系统容 2 用户间干扰增 2 低复杂度最 量提升 2-3 倍 加。 大似然 SIC 检测 1 传输信号的设 1 较低的块出错率 多用户共享接 计比较难 码 2 支持大规模用户 入（MUSA） 2 用户间干扰增 3 叠加编码和叠 接入量 加 加信号扩频技术 1 SIC 检测 2 复数域多元13第 4 章大规模天线传输技术4.1 大规模天线系统设计大规模天线系统中，受到 5G 毫米波技术的影响，使得天线尺寸能够足够的小，在 单位面积内可以布置大量的天线， 根据以往 4G 所采用的 8 根天线的 MIMO 系统[19]， 其 传输原理，获得设计理念，将以往的天线用天线块来代替，并布置更多的天线块，实现 空间重用， 在天线块的布置中每个天线间的间距为半波长， 每个天线块之间的间距为十 个波长，并且能够多个天线块同时同一终端传输信息，来实现空间分集、波束赋形。根 据该理念来设计大规模天线系统。图 4.1 大规模天线系统架构设计设计的大规模天线系统如图 4.1，在该大规模天线系统中，实现空间分集和空间复 用功能是以子天线块为单位，每个子天线块相当于多天线中的每个子天线，图 4.1 中所 示的每个终端，至少接收 2 个子天线块发送的信号以实现空间分集。利用 10 个子天线 块来支持 4 个终端， 使该大规模天线系统可实现空间复用。 而实现波束赋形功能同样是 以子天线块为单位，每个子天线块是一个阵元数为 n×m×q 的阵列模块，所以图 4.1 中的每个子天线块发送的信号都是赋形波束。该系统中，由 N×M 个子天线块组成的 多天线是一个二维系统，由 n×m×q 的阵元组成的阵列是一个三维系统，所以，该大 规模 MIMO 天线中的总阵元数为N × M × n × m × q，是一个真正的大规模天线系统。4.2 系统模型上的优势将传统 MIMO 系统和该大规模天线系统的的系统模型进行对比，从基本模型对比 来说明大规模天线系统的优势。144.2.1 传统 MIMO 系统MIMO 技术在通信领域的早期便已经被提出，其能够增强通信。传统通信系统， 一开始为单对单，即只有一个发射端，一个接受端，随着通信系统不断的发展，天线系 统也在不断的发展 ， 先后出现了多输入对单输出的天线系统和单输入对多输出的天线系 统 ， 并在 20 世纪 90 年代中期 ， 多输入多输出的天线系统 ， MIMO （Multiple Input Multiple Output） 系统应时而生 。 多输入多输出天线系统对为通信系统频谱效率的提高极为有效， MIMO 系统成为通信领域中不可缺失的重要组成。 （1）MIMO 系统模型 MIMO 系统如上面所述，为多输入多输出的天线系统，其在接收端和发射段都使 用多个天线单元，数据能够分解并利用多个天线来同时进行发射和接收，这种将数据先 分解成小片段，然后并行发射，接受后在恢复，能够极大的提高传输的速率。图 4.2 MIMO 系统的简化模型MIMO 系统的传输模型如图 4.2 示 ， 在 MIMO 天线系统的发射端有 M 根发射天线， 在 MIMO 系统的接收段有 N 根接收天线 ， 这样 ， 整个天线传输链路就可以达到M × N条， 用 H 来表示. ?11 H= ? ? 1 … ? … ?1 ? （4-1） ?其中H ∈
， 表示第 n 根天线发射到第 m 根天线的通信链路，在 MIMO 系 统中，接受端收到的信号为： r = Hy + （4-2） 其中y ∈
×1 表示发射端发送的数据，n ∈
×1 为接受端天线收到的噪声。154.2.2 大规模天线系统大规模天线系统在第三章已经进行过简单的介绍，大规模天线系统是一种形式的 MU-MIMO（多用户多入多出）系统，其中基站端天线的数量很多。在大规模天线系统 中，数百或数千个基站天线同时为相同频率的数十或数百个用户提供服务资源。大规模 天线中基站的部分将装备大量的天线，大概 100 及以上，并能够同时的服务某一单天线 的终端，大规模天线系统的天线结构如图 4.3 所示。图 4.3 大规模天线技术的结构（2）大规模天线系统的系统模型如图 4.4 所示图 4.4 大规模天线系统的简化模型如图 4.4 所示的大规模天线系统[20]，当有 L 个小区时，在小区的基站端布置 N 根天 线，同时为随机的分布到小区中的 K 个终端提供服务。对 l 小区内全部的终端到 j 小区 内的J基站的信道矩阵可以表示为 ?1, . . ?
, = ? , .1.16? ? ??1, . . ? ? , ..=
, （4-3）1/2其中 1, ,1, ?
,1, ? = 0 ? ? ? ? ? ? 1, , , ? （4-4）
, , , 0 ? , ,,（4-5）4.2.3 大规模天线系统的优势根据 MIMO 系统的模型和该大规模天线系统模型的对比，该大规模天线系统的基 站端的天线的数量有大幅度的增加，而且能够通过小区的基站为另一小区提供服务。根 据最基本天线系统的信道矩阵便可以看出大规模天线系统的通信链路有明显的增加 ， 能 够在同一时间传输更多的信息。4.3 系统频谱效率上的优势本节主要通过简单介绍 MIMO 系统的频谱效率和大规模天线系统的频谱效率来从 信息传输容量上说明大规模天线系统的优越性 。 频谱效率是指在通信系统中的带宽限制 下，可以传送的数据的总量。它是在有限的频谱下，物理层通信协议能达到的使用效率 的量度[21]。4.3.1 MIMO 系统的频谱效率MIMO 天线系统在发射端装备 N 条天线，在接受端装备 M 条天线，当一定时间内 通信链路不变时，系统的频谱效率[22]为： C = log 2 (det
) （4-6）SNR 表示信噪比，H 为通信信道，N 为发射端天线数。当天线信道具有良好的非 相干性时，可以看作为min? (M, N)个并行子信道,每个子信道理论上都拥有shannon（香 农限）信道容量极限。相对于 MIMO 天线系统之前的天线系统，MIMO 天线系统的频 谱效率已经得到了显著的提高，但是 MIMO 系统的频谱效率需要特定的的信道状态之 下条件才能获得，在信道相关性较强的 MIMO 系统中，传输机制会被破坏，无法再提 高系统频谱效率。174.3.2 大规模天线系统上行链路在基站端上行链路[23]所收到的信号可以表示为：
（4-7） 在公式（4-7）中， 为所有的发送信号， 是发送信号 中的第K 个元素，H 是上行信道的矩阵（单小区） ， 为接收到的噪声。 为上行传输功率。 大规模天线系统的频谱效率为： C = log 2 (det
) （4-8）在过去的实验中已经可以检测出如式（4-8）的系统频谱效率。当在基站端放置大 量天线，甚至趋于无穷时，信道向量趋于正交，这时可以无视终端之间的干扰。4.3.3 大规模天线系统下行链路在大规模天线系统的下行链路端[24]， 表示接受到的信号，大规模天线系统的下行 信道用置
来表示，终端收到的信号可以表示为：
(4-9) 表示从基站端发送出的信号， 是零均值复高斯分布的加性噪声， 为下行传输 功率。通过功率分配大规模天线系统的下行频谱效率可表示为：C = max log 2 (det
) (4-10)为正对角矩阵，通过功率配置，可达到最高的频谱效率。天线数越大，就越容易 得到接近信道容量的速率。4.3.4 大规模天线系统在频谱效率上的优势结合上述频谱效率公式，将公式（4-6）和（4-8）对比，当天线数量很大时，大规 模天线技术上行链路的传输效率相对于传统 MIMO 系统的频谱效率有显著提高。将公 式（4-6）和（4-10）对比，天线数量越大，大规模天线系统下行链路的频谱效率相对18于传统的 MIMO 系统越具有优势。大规模天线系统可以通过增加天线系统的中天线的 数量来提高通信系统的频谱效率[25]，其频谱效率相对于传统的通信系统而言有着显着 改善，提高了无线传输中的数据和业务。 面对通信可靠性的要求以及用户密度的始终增加 。 未来的无线通信需要新的技术， 大规模天线系统可以满足这些需求。考虑上行链路传输 （相同的参数可以用于下行链路 传输。）有利传播的条件（用户之间的信道向量和基站成对正交） ，上行链路传输的总 容量为 C =
log 2 (1 +
)（4-11） 在（4-11）中，K 是复用增益，M 为阵列增益。当 M 和 K 很大时时，可以获得很大 的光谱效率和能量效率，增加 K 和 M，可以同时为更多用户提供更大的数据吞吐量。此 外，加倍基站端天线的数量，可以将发射功率降低，而保持原有的服务质量。4.4 传播过程中的优势4.4.1 传输关键参数无线数据传输，要考虑的关键参数是无线吞吐量（比特/秒）其定义为： 吞吐量=带宽（Hz）× 频谱效率（位/ s / Hz） 。 显然，为了提高吞吐量，需要增加带宽或频谱效率 [26]。一个众所周知的方式就是 使用更多的天线。 在无线通信中 ， 发射机和接收机之间传输的信号被衰落和衰减是由于多路径传播和 传播过程中的障碍造成的。具有多输入多输出天线（MIMO）的传输是一种能用来提高 通信的可靠性的技术。通过多个天线，可以发送多个数据流，因此，可以显着改善通信 的复用增益容量。MIMO 系统在过去几十年中得到了极大的关注现在已被纳入几代新 一代无线标准。4.4.2 MIMO 系统传输原理如图 4.6 所示， 在发送端首先是对将收集到的信息和想要发送的信息进行数字调制， 使信息变成能够被传输的数据，然后再将调制之后所形成的数据进行串并之间的转换， 将一段串行的数据转换成多段能够同时传输的并行数据， 再将通过空时编码后的每一段 数据或几段数据分配给一根天线，最后通过天线将数据进行传输。在接收端，整个过程 与发射的顺序刚好反过来，是通过天线接收到所需要信息的数据，然后在反空时编码， 再由并行数据转为串行数据，然后通过解调，将数据还原成信息。19图 4.6 MIMO 天线系统的传输过程4.4.3 MIMO 系统的缺陷与大规模天线系统的优势在天线系统中，对信号传播的容量、速率和传播可靠性提高主要是依赖空间分集， 空间复用和波束赋形 。 其中空间分集是指在基站或终端设备使用多根天线接受相同信号， 用以提高接收到的信号的质量 。 空间复用是指在同一频带上通过接受端和发射端的多根 天线同时发送数据，来提高传输的容量。波束赋形是通过对天线阵列一些调整，使得天 线发射出来的信号具有指向性，其能够减小信号传输过程中受到的干扰，大大提高信号 传输的可靠性[27]。 传统 MIMO 天线系统中，天线的尺寸受到实际情况的限制[28]。在 4G 时代，信号传 播的主要频率小于 3 GHz，波长大于 10 厘米，使天线的尺寸大小受到限制导致基站和 终端上所能布置的天线数很少，而这样的小数量的天线，使得空间复用，空间分集和波 束赋形的作用受到约束。而在 5G 网络中将信号的传输将采用毫米波，毫米波的波长要 短的多，能够使天线尺寸减小到毫米级，从几何尺寸上为大规模天线系统的实现提供了 基础，能够使基站中建立存在数十个根，数千根的大规模天线系统。如图 4.1 设计的大 规模天线系统，由 N×M 个子天线块组成，各子天线块间距分别为 A、B，取 10 个波 长。每个子天线块由 n×m×q 的三维阵元组成，各阵元间距分别为 a、b、c，取半个波 长。每个阵块既是一个波束赋形阵列，又是一个独立子天线块，所以这种大规模 MIMO 天线可以同时支持空间复用、空间分集和波束赋形。4.5 小结在本章中根据 4G 现在正在使用的 MIMO 系统， 设计了一种可行的大规模天线系统， 并从其系统模型、频谱效率、传播过程三个方面详细分析了该大规模天线系统相对于现 在 4G 所使用的 MIMO 系统所具备的优势。 在系统模型上该大规模天线系统中天线布置数量大大增加 ， 并且在覆盖区随机均匀 的分布单天线的终端，显著提高了通信链路数量和通信效率。 在频谱效率上由公式（4-6）和（4-8）对比，当天线数量很大时，该大规模天线技 术上行链路的传输效率相对于传统 MIMO 系统的频谱效率有显著提高。将公式（4-6）和 （4-10） 对比，天线数量越大，大规模天线系统下行链路的频谱效率相对于传统的 MIMO20系统越具有优势。 在传输方面，经过传输原理来分析，该大规模天线技术能更好的实现的空间分级， 空间复用和波束赋形。而且除了上述方面性能的显著提升外，大规模天线系统的其他方 面也有很大的提升[29]，国际上各个组织正不断的对其进行研究和试验。2015 年，WIFI 和 LTE 标准覆盖了 8 根天线，部署了 4 个以上的网络。在实验室中，大规模天线技术 功能已被证实，爱立信宣布将于 2017 年发货 64 根的天线系统。华为，中兴和 Facebook 已经展示了 96-128 根的天线系统。21总结5G 网络还没有进入我们的生活，通过现有的 4G 来推测并不能准确的得知 当 5G 网络普及之后我们的社会将发生多大的改变，本文根据各大组织，通讯企 业发布的关于 5G 网络的信息，介绍什么是 5G 网络，国际上对 5G 网络的要求， 5G 网络的应用场景还有 5G 网络的技术发展方向。文章中主要还对 5G 网络潜在 的无线技术进行分析，介绍大规模天线技术、超密集组网、全频谱接入和新型多 址的基本概念、优势、挑战。再单独针对大规模天线技术进行研究，根据 4G 网 络使用的 MIMO 天线系统，设计一种大规模天线系统，将其系统模型、频谱效 率和传输过程与 4G 网络中所用的 MIMO 天线系统进行对比， 说明其优势。论文 的具体内容如下： （1）对 5G 移动通信系统进行简单介绍，说明什么是 5G 网络，5G 网络应 用场景，还有 5G 网络的技术指标与技术方向。 （2）选取 5G 网络无线技术中潜力最大四种技术进行介绍，说明每种技术的 应用场景，优势还有其尚存在的问题或面临的挑战。 （3）针对大规模天线技术，结合现在所使用的 MIMO 天线技术，设计一种 能够应用与 5G 网络的大规模天线系统， 通过分析它与 MIMO 天线系统架构上的 区别，系统频谱效率的差距，还有传输方式上的不同从原理和应用来充分说明该 大规模天线技术相对于传统的天线技术所具有的优势。 5G 网络的道路上还需要不断的探索，在通信领域，统一的通信标准将会极 大的促进全球通信的发展，所以及早的明确 5G 网络的关键技术将对 5G 网络的 发展具有极大的意义。22参考文献[1]尤肖虎，潘志文，高西奇. 5G 移动通信发展趋势与若干关键技术［J］.中国科学: 信息科学，) : 551 － 563．[2] [3]IMT-2020(5G) Promotion Group. 5G 无线技术架构白皮书[R]. 2015. 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An overview of massive MIMO: benefits and challenges[J].IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, ): 742-758.24致谢四年的大学学习和生活将要画上圆满的句号，回顾这四年来的生活，得到了 很多人的鼓励和帮助，尤其是和老师、同学一起度过的时光，是我人生中最美好 的回忆。在此，我向大家表示感谢。?? 首先感谢我的导师郭丽芳。郭老师无论是在课堂上还是在生活中都给我提供 了宝贵的学习资源，指导我在学习上进步。郭老师严谨的治学态度、务实的工作 作风及高度的责任感深深影响着我 ， 必将有益于我以后的工作学习和生活 。 在此 ， 在此向郭老师表示最崇高的敬意。 其次，我要感谢电子科与技术专业的同学们给与我的关怀和帮助，尤其是我 的舍友们，他们给了我支持和鼓励，可以说，没有他们，我的大学学习不会有所 成绩，在此向同学们表示感谢。我要感谢这帮的各位兄弟姐妹们，他们在学习及 生活中给了我很多的鼓舞，和大家在一起，我充满了学习的动力，领悟到了生活 的乐趣，这段美好的友谊，我终生难忘。 同时 ， 我要感谢我的父母和家人 ， 他们倾尽毕生的心血和汗水使我茁壮成长 ， 他们给了我最大的支持和鼓励，尤其是当面对生活中的不顺畅，想想父母从小对 我的教养，总能让我充满力量。我的父母给我的教诲，将会是我一生的财富。 另外，我还要感谢自己。在这个夏天，可能将要对自己的多年的求学生涯说 再见了，真是舍不得这么多好时光，一幕幕难忘的时刻缠绕在脑海。 感谢百忙中为我审稿的各位老师 最后，感谢学校、学院、班级，感谢所有帮助、支持过我的亲朋好友，感谢 所有的磨难，化我懂得了成长的滋味，收获更好的自己。25外文原文Cellular Architecture and Key Technologies for 5G Wireless Communication NetworksABSTRACT The fourth generation of wireless communication systems have been deployed or are soon to be deployed in many countries. However, with an explosion of wireless mobile devices and services, there are still some challenges that cannot be accommodated even by 4G, such as the spectrum crisis and high energy consumption. Wireless system designers have been facing the continuously increasing demand for high data rates and mobility required by new wireless applications and therefore have started research on fifth generation wireless systems that are expected to be deployed beyond 2020. In this article, we propose a potential cellular architecture that separates indoor and outdoor scenarios, and discuss various promising technologies for 5G wireless communication systems, such as massive MIMO, energy-efficient communications, cognitive radio networks, and visible light communications. Future challenges facing these potential technologies are also discussed. INTRODUCTION The innovative and effective use of information and communication technologies (ICT) is becoming increasingly important to improve the economy of the world. Wireless communication networks are perhaps the most critical element in the global ICT strategy, underpinning many other industries. It is one of the fastest growing and most dynamic sectors in the world. The European Mobile Observatory (EMO) reported that the mobile communication sector had total revenue of 174 billion in 2010, thereby bypassing the aerospace and pharmaceutical sectors. The development of wireless technologies has greatly improved people5s ability to communicate and live in both business operations and social functions. The phenomenal success of wireless mobile communications is mirrored by a rapid pace of technology innovation. From the second generation (2G) mobile communication system debuted in 1991 to the 3G system first launched in 2001, the wireless mobile network has transformed from a pure telephony system to a network that can transport rich multimedia contents. The 4G wireless systems were designed to fulfill the requirements of International Mobile Telecommunications Advanced (IMT-A) using IP for all services. In 4G systems, an advanced radio interface is used with orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), multiple-input multiple-output (MIMO), and link adaptation technologies. 4G wireless networks can support data rates of up to 1 Gb/s for low mobility, such as nomadic/local wireless access, and up to 100 Mb/s for high mobility, such as mobile access. Long-Term26Evolution (LTE) and itsextension, LTE-Advanced systems, as practical 4G systems, have recently been deployed or soon will be deployed around the globe. However, there is still a dramatic increase in the number of users who subscribe to mobile broadband systems every year. More and more people crave faster Internet access on the move, trendier mobiles, and, in general, instant communication with others or access to information. More powerful smartphones and laptops are becoming more popular nowadays, demanding advanced multimedia capabilities. This has resulted in an explosion of wireless mobile devices and services. The EMO pointed out that there has been a 92 percent growth in mobile broadband per year since 2006. It has been predicted by the Wireless World Research Forum (WWRF) that 7 trillion wireless devices will serve 7 billion people by 2017; that is, the number of network-connected wireless devices will reach 1000 times the world’s population. As more and more devices go wireless, many research challenges need to be addressed. One of the most crucial challenges is the physical scarcity of radio frequency (RF) spectra allocated for cellular communications. Cellular frequencies use ultra-high-frequency bands for cellular phones, normally ranging from several hundred megahertz to several gigahertz. These frequency spectra have been used heavily, making it difficult for operators to acquire more. Another challenge is that the deployment of advanced wireless technologies comes at the cost of high energy consumption. The increase of energy consumption in wireless communication systems causes an increase of CO2 emission indirectly, which currently is considered as a major threat for the environment. Moreover, it has been reported by cellular operators that the energy consumption of base stations (BSs) contributes to over 70 percent of their electricity bill [5]. In fact, energy-efficient communication was not one of the initial requirements in 4G wireless systems, but it came up as an issue at a later stage. Other challenges are, for example, average spectral efficiency, high data rate and high mobility, seamless coverage, diverse quality of service requirements, and fragmented user experience (incompatibility of different wireless devices/interfaces and heterogeneous networks), to mention only a few. All the above issues are putting more pressure on cellular service providers, who are facing continuously increasing demand for higher data rates, larger network capacity, higher spectral efficiency, higher energy efficiency, and higher mobility required by new wireless applications. On the other hand, 4G networks have just about reached the theoretical limit on the data rate with current technologies and therefore are not sufficient to accommodate the above challenges. In this sense, we need groundbreaking wireless technologies to solve the above problems caused by trillions of wireless devices, and researchers have already started to investigate beyond 4G (B4G) or 5G wireless techniques. The project UK-China Science Bridges: (B)4G Wireless Mobile Communications (http://www.ukchinab4g. ac.uk/) is perhaps one of the first projects in the world to start B4G research, where some potential B4G technologies were identified. Europe and China have also initiated some 5G projects, such as METIS 2020 (https://www.metis2020. com/) supported by EU and National 863 Key Project in 5G supported by the Ministry of Science and Technology (M〇ST)27in China. Nokia SiemensNetworks described how the underlying radio access technologies can be developed further to support up to 1000 times higher traffic volumes compared to 2010 travel levels over the next 10 years [6]. Samsung demonstrated a wireless system using millimeter (mm) wave technologies with data rates faster than 1 Gb/s over 2 km. What will the 5G network, which is expected to be standardized around 2020, look like? It is now too early to define this with any certainty. However, it is widely agreed that compared to the 4G network, the 5G network should achieve 1000 times the system capacity, 10 times the spectral efficiency, energy efficiency and data rate (i.e., peak data rate of 10 Gb/s for low mobility and peak data rate of 1 Gb/s for high mobility), and 25 times the average cell throughput. The aim is to connect the entire world, and achieve seamless and ubiquitous communications between anybody (people to people), anything (people to machine, machine to machine), wherever they are (anywhere), whenever they need (anytime), by whatever electronic devices/services/networks they wish (anyhow). This means that 5G networks should be able to support communications for some special scenarios not supported by 4G networks (e.g., for high-speed train users). High-speed trains can easily reach 350 up to 500 km/h, while 4G networks can only support communication scenarios up to 250 km/h. In this article, we propose a potential 5G cellular architecture and discuss some promising technologies that can be deployed to deliver the 5G requirements. The remainder of this article is organized as follows. We propose a potential 5G cellular architecture. We describe some promising key technologies that can be adopted in the 5G system. Future challenges are highlighted. Finally, conclusions are drawn. A POTENTIAL 5G WIRELESSCELLULAR ARCHITECTURE To address the above challenges and meet the 5G system requirements, we need a dramatic change in the design of cellular architecture. We know that wireless users stay indoors for about 80 percent of time, while only stay our doors about 20 percent of the time [8]. The current conventional cellular architecture normally uses an outdoor BS in the middle of a cell communicating with mobile users, no matter whether they stay indoors or outdoors. For indoor users communicating with the outdoor BS, the signals have to go through building walls, and this causes very high penetration loss, which significantly damages the data rate, spectral efficiency, and energy efficiency of wireless transmissions. One of the key ideas of designing the 5G cellular architecture is to separate outdoor and indoor scenarios so that penetration loss through building walls can somehow be avoided. This will be assisted by distributed antenna system (DAS) and massive MIMO technology [9], where geographically distributed antenna arrays with tens or hundreds of antenna elements are deployed. While most current MIMO systems utilize two to four antennas, the goal of massive MIMO systems is to exploit the potentially large capacity gains that would arise in larger arrays of antennas. Outdoor BSs will be equipped with large antenna arrays with some antenna elements (also large antenna arrays) distributed around the cell and connected to the BS via28optical fibers, benefiting from both DAS and massive MIMO technologies. Outdoor mobile users are normally equipped with limited numbers of antenna elements, but they can collaborate with each other to form a virtual large antenna array, which together with BS antenna arrays will construct virtual massive MIMO links. Large antenna arrays will also be installed outside of every building to communicate with outdoor BSs or distributed antenna elements of BSs, possibly with line of sight (LoS) components. Large antenna arrays have cables connected to the wireless access points inside the building communicating with indoor users. This will certainly increase the infrastructure cost in the short term while significantly improving the cell average throughput, spectral efficiency, energy efficiency, and data rate of the cellular system in the long run. Using such a cellular architecture, as indoor users only need to communicate with indoor wireless access points (not outdoor BSs) with large antenna arrays installed outside buildings, many technologies can be utilized that are suitable for short-range communications with high data rates. Some examples include WiFi, femtocell, ultra wideband (UWB), mm-wave communications (3-300 GHz) [7], and visible light communications (VLC) (400-490 THz) [10]. It is worth mentioning that mm-wave and VLC technologies use higher frequencies not traditionally used for cellular communications. These high-frequency waves do not penetrate solid materials very well and can readily be absorbed or scattered by gases, rain, and foliage. Therefore, it is hard to use these waves for outdoor and long distances applications. However, with large bandwidths available, mm- wave and VLC technologies can greatly increase the transmission data rate for indoor scenarios. To solve the spectrum scarcity problem, besides finding new spectrum not traditionally used for wireless services (e.g., mm-wave communications and VLC), we can also try to improve the spectrum utilization of existing radio spectra, for example, via cognitive radio (CR) networks [11]. The 5G cellular architecture should also be a heterogeneous one, with macrocells, microcells, small cells, and relays. To accommodate high-mobility users such as users in vehicles and highspeed trains, we have proposed the mobile femtocell concept [12], which combines the concepts of mobile relay and femtocell. MFemtocells are located inside vehicles to communicate with users within the vehicle, while large antenna arrays are located outside the vehicle to communicate with outdoor BSs. An MFemtocell and its associated users are all viewed as a single unit to the BS. From the user point of view, an MFemtocell is seen as a regular BS. This is very similar to the above idea of separating indoor (inside the vehicle) and outdoor scenarios. It has been shown in [12] that users using MFemtocells can enjoy high-data-Rate services with reduced signaling overhead. The above proposed 5G heterogeneous cellular architecture is illustrated in Fig. 1.29Figure 1. A proposed 5G heterogeneous wireless cellular architecture.PROMISING KEY5G WIRELESS TECHNOLOGIES In this section, based on the above proposed heterogeneous cellular architecture, we discuss some promising key wireless technologies that can enable 5G wireless networks to fulfill performance requirements. The purpose of developing these technologies is to enable a dramatic capacity increase in the 5G network with efficient utilization of all possible resources. Based on the well-known Shannon theory, the total system capacity QU can be approximately expressed byCsum ?pi ? ? B i log 2 1 ? ? ? (1) ? ? N p ? ? HetNets Channeswhere Biis the bandwidth of the channel, Pi is the signal power of the ith channel, and Np denotes the noise power. From Eq. 1, it is clear that the total system capacity
is equivalent to the sum capacity of all subchannels and heterogeneous networks. To increase
, we can increase the network coverage (via heterogeneous networks with macrocells, microcells, small cells, relays, MFemtocell [12], etc.), number of subchannels (via massive MIMO [9], spatial modulation [SM] [13], cooperative MIMO, DAS, interference management, etc.), bandwidth (via CR networks [11], mm-wave communications, VLC [10], multi-standard systems, etc.), and power (energy-efficient or green communications). In the following, we focus on some of the key technologies. MASSIVE MIMO MIMO systems consist of multiple antennas at both the transmitter and receiver. By adding multiple antennas, a greater degree of freedom (in addition to time and30frequency dimensions) in wireless channels can be offered to accommodate more information data. Hence, a significant performance improvement can be obtained in terms of reliability, spectral efficiency, and energy efficiency. In massive MIMO systems, the transmitter and/or receiver are equipped with a large number of antenna elements (typically tens or even hundreds). Note that the transmit antennas can be co-located or distributed (i.e., a DAS system) in different applications. Also, the enormous number of receive antennas can be possessed by one device or distributed to many devices. Besides inheriting the benefits of conventional MIMO systems, a massive MIMO system can also significantly enhance both spectral efficiency and energy efficiency [9]. Furthermore, in massive MIMO systems, the effects of noise and fast fading vanish, and intracell interference can be mitigated using simple linear precoding and detection methods. By properly using multiuser MIMO (MU-MIM〇) in massive MIMO systems, the medium access control (MAC) layer design can be simplified by avoiding complicated scheduling algorithms [14]. With MU- MIMO, the BS can send separate signals to individual users using the same time-frequency resource, as first pro. Consequently, these main advantages enable the massive MIMO system to be a promising candidate for 5G wireless communication networks. SPATIAL MODULATION Spatial modulation, as first proposed by Haas et al., is a novel MIMO technique that has been proposed for low-complexity implementation of MIMO systems without degrading system performance [13]. Instead of simultaneously transmitting multiple data streams from the available antennas, SM encodes part of the data to be transmitted onto the spatial position of each transmit antenna in the antenna array. Thus, the antenna array plays the role of a second (in addition to the usual signal constellation diagram) constellation diagram (the so-called spatial constellation diagram), which can be used to increase the data rate (spatial multiplexing) with respect to single-antenna wireless systems. Only one transmit antenna is active at any time, while other antennas are idle. A block of information bits is split into two sub-blocks of log2( ) and log2(M) bits, where NB and M are the number of transmit antennas and the size of the complex signal constellation diagram, respectively. The first sub-block identifies the active antenna from a set of transmit antennas, while the second sub-block selects the symbol from the signal constell