/5G無線通信系統(tǒng)：前景和挑戰(zhàn)5G無線通信網(wǎng)絡(luò)蜂窩結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)演講人：藍(lán)之遠(yuǎn)小組成員：藍(lán)之遠(yuǎn)、孔勝、黃棟、劉威陽、劉冰、徐迪、徐明月、趙曉通20XX10月目錄一、摘要3二、介紹3三、一個潛在的5G無線蜂窩結(jié)構(gòu)4四、有前途的關(guān)鍵5G無線技術(shù)51.大規(guī)模MIMO62.空間調(diào)制〔SM63.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)74.移動飛蜂窩〔移動超小型化移動基站85.可見光通信96.綠色通信10五、5G無線通信網(wǎng)絡(luò)中未來的挑戰(zhàn)101.優(yōu)化性能指標(biāo)102.5G無線系統(tǒng)的實際信道模型103.降低大規(guī)模MIMO信號處理的復(fù)雜度114.CR網(wǎng)絡(luò)的干擾管理11六、結(jié)論11摘要第4代無線通信系統(tǒng)已經(jīng)部署或即將被部署在許多國家。然而,隨著無線移動設(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,頻譜危機和高能耗。無線系統(tǒng)設(shè)計人員面臨著不斷增長的高數(shù)據(jù)率和移動性要求的需求的新的無線應(yīng)用。因此,已經(jīng)開始研究第五代無線系統(tǒng),預(yù)計將在2020年部署。在本文中,我們提出一個潛在的蜂窩體系結(jié)構(gòu),分室內(nèi)場景和室外場景,并討論5G無線通信系統(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)知無線電網(wǎng)絡(luò)和可見光通信。還討論了未來面對這些潛在的技術(shù)的挑戰(zhàn)。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)中變得越來越重要。無線通信網(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。歐洲移動天文臺報道稱：移動通信業(yè)在20XX有總計1740億歐元收入。一舉超過了航空工業(yè)和制藥業(yè)。無線技術(shù)的發(fā)展大大提高了人們的溝通能力、在商業(yè)活動和社交活動中的生活。無線移動通信顯著的成就反映技術(shù)更新快速步調(diào)。從第2代移動通信系統(tǒng)〔2G在1991年的初次露面到3G系統(tǒng)在20XX首次著手進(jìn)行,無線移動系統(tǒng)從一個單純的電話系統(tǒng)已經(jīng)變換成一個能傳輸豐富多媒體內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)。4G無線系統(tǒng)設(shè)計滿足高級國際移動通信〔IMT-A的需求,利用IP協(xié)議提供所有服務(wù)。在4G系統(tǒng),采用一種高級無線電接口,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無線網(wǎng)絡(luò)可以支持在低速移動中1Gb/s速率,例如漫游/本地?zé)o線接入；在高速移動中最高100Mb/s,例如移動接入。長期演進(jìn)〔LTE和它的延伸,先進(jìn)的長期演進(jìn)系統(tǒng),作用可實現(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。越來越多的人渴望更快的移動互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù),時尚的手機,總的來說,與他人或獲取信息的即時通信。當(dāng)今更強大的智能手機和便攜式電腦越來越受歡迎,它追求先進(jìn)的多媒體功能。這導(dǎo)致了無線移動設(shè)備和服務(wù)的爆發(fā)。EMO指出,從20XX以來移動寬帶每年以92%的速度增長。它已被無線世界研究論壇的預(yù)測〔WWRF到2017年時有7萬億無線設(shè)備服務(wù)于7億人口；換句話說,連接網(wǎng)絡(luò)的無線設(shè)備將達(dá)到世界人口的1000倍。隨著越來越多的設(shè)備無線上網(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,通常范圍從幾百MHz到幾GHz。這些頻譜大量被使用,使運營商獲得更多的頻譜很困難。另一個挑戰(zhàn)是,先進(jìn)的無線技術(shù)的部署是以高能耗為代價。在無線通信系統(tǒng)中的能量消耗的增加會間接的導(dǎo)致二氧化碳排放增加,目前被認(rèn)為是對環(huán)境的一大威脅。此外,它已被報道,蜂窩運營商基站〔BSS的能耗占他們的電費賬單70%。事實上,節(jié)能高效的通信不在4G無線系統(tǒng)的初始條件之一,但它是后一階段的問題。其他挑戰(zhàn),例如,平均頻譜效率,高速率和高移動性,無縫覆蓋,不同的服務(wù)質(zhì)量〔QoS要求,和分散的用戶體驗〔不同的無線設(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,高流動性的新的無線應(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)。在這個意義上,我們需要突破性的無線技術(shù)來解決由數(shù)萬億無線設(shè)備造成上述問題,研究人員已經(jīng)開始研究超4G〔B4G或5G無線技術(shù)。中英科學(xué)的橋梁項目：〔B4G無線移動通信〔.ac.uk/或許是世界上第一個開始研究B4G的項目,其中一些潛在的B4G技術(shù)被鑒定。歐洲和中國也開始了一些5G項目,如由歐盟支持的METIS2020項目,和在中國由科技部支持的國家863重點項目在5G。諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)描述了潛在的無線接入技術(shù)可以進(jìn)一步發(fā)展,以支持在接下來的10年與20XX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)無線系統(tǒng)在2公里的情況下傳輸速率超過1GB/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,是什么樣子的？現(xiàn)在定義為時過早。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,在低速移動下峰值速率為10GB/s和在高速移動下峰值速率為1GB/s,和25倍的平均小區(qū)吞吐量。目的是連接整個世界,實現(xiàn)無縫和無處不在的通信,任何人之間〔人與人,任何事物之間〔人與機器,機器與機器,無論他們在哪里〔任何地方,無論他們什么時候需要〔任何時候,無論他們想用什么電子設(shè)備/服務(wù)/網(wǎng)絡(luò)〔無論如何。這意味著,5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠支持一些特殊場景的通信,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,而4G網(wǎng)絡(luò)只能支持的通信場景為250公里/小時。在這篇文章中,我們提出了一個潛在的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。未來的挑戰(zhàn)也重點強調(diào)了。最后,得出結(jié)論。一個潛在的5G無線蜂窩結(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)計中有一個引人注目的變化。我們知道,無線用戶大約80%的時間呆在室內(nèi),而只有20%的時間呆在室外[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用戶通信,無論他們在室內(nèi)還是室外。對于室內(nèi)用戶與室外基站通信,信號必須通過建筑物的墻壁,這會導(dǎo)致非常高的穿透損耗,大大損害了無線傳輸?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)計的關(guān)鍵理念是單獨的室外和室內(nèi)場景,以便用這種方式避免通過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,通過光纖連接到BS,受益于DAS和大規(guī)模MIMO技術(shù)。室外移動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)部無線接入點與室內(nèi)用戶通信。這肯定會在短期內(nèi)增加基礎(chǔ)設(shè)施成本的同時,從長遠(yuǎn)來看會顯著提高小區(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)無線接入點通信〔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。這些高頻波無法很好穿透固體材料,可以很容易地被氣體、雨和樹葉吸收或散射。因此,很難用這些波在室外或長距離上應(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題,除了尋找不被傳統(tǒng)的無線服務(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)有的無線電頻譜的頻譜利用率,例如,通過認(rèn)知無線電〔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)高移動用戶,如用戶在車輛和高速列車上。我們已經(jīng)提出了移動飛蜂窩〔MFemtocell的概念[12],它結(jié)合移動中繼和飛蜂窩的概念。移動飛蜂窩位于車輛內(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。一個移動飛蜂窩及其相關(guān)的用戶都是被視為一個單一的單位與基站BS通信。從用戶的角度來看,一個移動飛蜂窩看成是一個普通的基站BS。這很相似上述室內(nèi)〔車內(nèi)和室外場景分離的想法。這證明用戶使用移動飛蜂窩可以減少信令開銷享受高數(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)無線蜂窩結(jié)構(gòu)有前途的關(guān)鍵5G無線技術(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)鍵無線技術(shù),可以使5G無線網(wǎng)絡(luò)來滿足性能要求。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?；谥南戕r(nóng)理論,系統(tǒng)總?cè)萘康腃sum近似表達(dá)式為：<1>式中,Bi是第i個信道的帶寬,Pi是第i個信道的信號功率和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)知無線電CR網(wǎng)絡(luò)[11],毫米波通信,可見光通信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,我們重點關(guān)注的一些關(guān)鍵技術(shù)。大規(guī)模MIMOMIMO系統(tǒng)是由發(fā)射機和接收機都有多個天線組成。通過增加多個天線,在無線信道中一個更大的自由度〔除了時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顯著的改善。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,發(fā)射機或接收機都配備了大量的天線元件〔一般為幾十或甚至數(shù)百個。請注意,發(fā)射天線根據(jù)不同的應(yīng)用可以是集中或分布式〔即,一個分布式天線系統(tǒng)DAS。同時,龐大的接收天線可以附在一個設(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)的干擾可以使用簡單的線性預(yù)編碼和檢測方法來減輕。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,通過合理地利用多用戶MIMO〔MU-MIMO技術(shù),通過避免復(fù)雜的調(diào)度算法來簡化介質(zhì)訪問控制〔MAC層的設(shè)計[14]。就MUMIMO技術(shù)來說,最早提出基站BS可以發(fā)送分離的信號給使用相同時間和頻率資源的個人用戶。因此,這些優(yōu)點使大規(guī)模MIMO系統(tǒng)成為5G無線通信網(wǎng)絡(luò)中一種很有前途的候選者。空間調(diào)制〔SM空間調(diào)制,最初哈斯等人提出的,是一個新穎的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發(fā)送多個數(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〔除了通常的信號星座圖星座圖〔所謂的空間星座圖,它可以用來提高數(shù)據(jù)速率〔空間復(fù)用相對于單天線無線系統(tǒng)。在任何時間只有一個發(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)雜信號星座圖的大小。第一子節(jié)從一組發(fā)射天線中識別出激活的天線,而第二子節(jié)是將信號星座圖選擇符號從激活的天線發(fā)送。因此,SM是一個組合的空間移鍵控〔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。接收機可以采用最佳最大似然〔ML檢測,譯碼接收的信號。空間調(diào)制可以減輕在傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中三大問題：信道間干擾,天線間的同步,和多個RF鏈[13]。此外,在空間調(diào)制SM系統(tǒng)中,可以設(shè)計低復(fù)雜度接收機,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)用增益成對數(shù)增加,而與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)成線性增加。因此,實現(xiàn)低復(fù)雜度設(shè)備是在犧牲一定的自由度為代價。大多數(shù)研究SM集中在一個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無線通信系統(tǒng)被認(rèn)為是一個新的研究方向。圖2采用四個發(fā)射天線〔NB=4和QPSK調(diào)制的SM星座圖認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)CR網(wǎng)絡(luò)是一個創(chuàng)新的軟件定義的無線電技術(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)是大部分時間很大一部分無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,可以在一個無干擾的基礎(chǔ)上或在干擾容忍基礎(chǔ)上[9]。CR網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該意識到周圍的無線環(huán)境和調(diào)節(jié)其相應(yīng)傳輸。在無干擾的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。使無干擾的CR網(wǎng)絡(luò)成為可能的一個關(guān)鍵是找出如何檢測出分布在寬帶頻譜的頻譜空洞〔白色空間。CR接收機首先應(yīng)該通過頻譜感知〔或結(jié)合地理定位數(shù)據(jù)庫監(jiān)控和分配未使用的頻譜,并把信息反饋給CR發(fā)射機。在多個CR網(wǎng)絡(luò)嘗試接入相同的頻譜時,需要協(xié)調(diào)機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。與無干擾的CR網(wǎng)絡(luò)相比,干擾容忍CR網(wǎng)絡(luò)通過適當(dāng)時機共享授權(quán)用戶無線電頻譜資源,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,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,頻譜效率可以通過放松的主系統(tǒng)的干擾閾值或只考慮CR用戶誰到第二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大容量。圖3關(guān)于取不同干擾閾值Q〔次接收機數(shù)量為20時,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)的圖示移動飛蜂窩〔移動超小型化移動基站移動飛蜂窩MFemtocell是一個新的概念,最近已經(jīng)提出作為一個潛在的候選技術(shù)在下一代智能運輸系統(tǒng)[12]。它結(jié)合了移動中繼的概念〔移動網(wǎng)絡(luò)與飛蜂窩技術(shù)。一個MFemtocell是一個小的基站,可以四處移動和動態(tài)變化,與運營商的核心網(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可以提高整個網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。為了證明這一事實,圖4比較了直接傳輸方案的平均頻譜效率和MFemtocell增強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,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)信令開銷的減少。例如,一個MFemtocell可以對所有與之相關(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。這使得MFemtocell部署適合高速移動環(huán)境下。此外,在MFemtocell內(nèi)由于相對較短的通信范圍和較低的信令開銷,用戶的能源消耗可以減少。圖4系統(tǒng)級MFemtocell的平均頻譜效率與多用戶調(diào)度和資源分配方案圖示可見光通信可見光通信使用現(xiàn)成的白光發(fā)光二極管〔LED用于固態(tài)照明〔SSL信號發(fā)射機,和現(xiàn)成的對本征〔PIN光電二極管〔PDs或雪崩光電二極管〔APD作為信號接收機[10]。這意味著,VLC使系統(tǒng)在照明同時,提供寬帶無線數(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可行的解決方案。在VLC,信息是通過光的強度〔功率進(jìn)行傳輸。因此,攜帶信息的信號必須是實數(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。因此,必須修改,并有基于改進(jìn)的多載波調(diào)制技術(shù)的豐富知識實體,比如OFDM強度調(diào)制〔IM和直接檢測〔DD。據(jù)報道,從一個單一的LED數(shù)據(jù)率已可以達(dá)到3.5GB/s。必須指出的是,VLC不受快衰落的影響,由于波長明顯小于檢測器面積。鏈路級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)施開發(fā)成熟的無線光網(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)在一個房間有多個發(fā)光體固定裝置。每個發(fā)光體固定裝置想像擔(dān)任一個非常小的光學(xué)基站形成一個非常小的蜂窩網(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,事實上一個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1～10m2,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的圖示說明。每個房間的光接入點的數(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femtocell和4個光學(xué)attocells情況下,增益仍高于100。ASE最大增益接近1000。舉一個例子,讓我們假設(shè)一個典型1.2b/s/Hz/m2的ASE的光學(xué)attocell網(wǎng)絡(luò)和帶寬為10MHz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5m×5m×3m的房間里平均分享共300MB/s。在RFfemtocell網(wǎng)絡(luò)情況下,每層樓有20個femtocell最好的情況下,對于同一房間達(dá)到容量只有約3MB/秒。圖5在每層樓不同數(shù)量的femtocell時,attocell網(wǎng)絡(luò)ASE與femtocell網(wǎng)絡(luò)ASE的比值綠色通信5G無線系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮最大限度地減少能源消耗,以實現(xiàn)綠色無線通信系統(tǒng)[5]。世界各地的無線系統(tǒng)的運營商應(yīng)該以實現(xiàn)減少能源消費量為目的,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)部署策略可實現(xiàn)更好的能源效率。這是因為在發(fā)射機和接收機之間他們能提供具有良好的信道條件。此外,通過將室內(nèi)傳輸與室外傳輸分離,可使marcocellBS分配無線資源壓力較小,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。5G無線通信網(wǎng)絡(luò)中未來的挑戰(zhàn)盡管上述潛在關(guān)鍵5G無線技術(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)。優(yōu)化性能指標(biāo)評價無線通信網(wǎng)絡(luò)的一般特征僅考慮一個或兩個性能指標(biāo),而由于高復(fù)雜度忽視其他指標(biāo)。對于一個完整的和合理的評價5G無線系統(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)展一個總體的框架來評估5G無線系統(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)化算法和長的仿真時間。5G無線系統(tǒng)的實際信道模型用適當(dāng)?shù)木?、?fù)雜度權(quán)衡實際的信道模型,對一些典型的5G的場景都是必不可少的,例如,大規(guī)模MIMO信道和高移動信道〔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)行了簡要的總結(jié)和分類[14]。與傳統(tǒng)的低移動性的無線信道相比,高移動信道有更大的動態(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)高移動性的信道也很有挑戰(zhàn)性。信道模型復(fù)雜性描述是否為大規(guī)模MIMO準(zhǔn)備窄帶獨立同分布的瑞利低不相關(guān)的模型否窄帶CBSM〔Weichselberge