5G無線通訊系統(tǒng)

摘要

隨著 4G 網(wǎng)絡(luò)的部署和商業(yè)運作的發(fā)展，全球范圍內(nèi)的技術(shù)專家已經(jīng)開始尋 找下一代無線解決方案以滿足在 2020 時代移動互聯(lián)網(wǎng)爆炸式發(fā)展的預(yù)先要求。 本文介紹了我們對 5G 網(wǎng)絡(luò)兩個主要主題的視角：綠色和軟件。通過反思香農(nóng)定 理和傳統(tǒng)的中心細胞設(shè)計，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)功耗降低時，網(wǎng)絡(luò)容量可以顯著增加。綠色和 軟件組合的可能性是通過 5 個相互關(guān)聯(lián)的研究領(lǐng)域：能源效率和頻譜效率的協(xié)同 設(shè)計，沒有更多的單元，反思信號/控制，看不見的基站，和全雙工無線電。

引言 隨著第四代（4G）標(biāo)準(zhǔn)的成熟和全球范圍內(nèi)正在進行的4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，

對5G通訊技術(shù)的研究活動已經(jīng)出現(xiàn)在學(xué)術(shù)和工業(yè)社區(qū)。來自不同國家和地區(qū)的 多個組織已經(jīng)采取措施并且建立了項目旨在潛在的5G關(guān)鍵技術(shù)：5GNOW和建 立在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會框架7下的METIS研究新的波形和5G的基礎(chǔ)以滿足2020 年的需求；5G研究中心已經(jīng)建立在美國給5G技術(shù)進行世界一流的測試；第三代 合作伙伴項目（3GPP）已經(jīng)制定了直到2020年的演變草稿圖；中國已經(jīng)拉開了 IMT-2020論壇的序幕來對用戶需求，光譜特性和技術(shù)趨勢的研究[1]。廣泛共識 的是，5G的要求包括更高的頻譜頻率（SE）和能源效率（EE），較低的端到端 延遲，和更多的連接節(jié)點。從對中國移動來看，5G應(yīng)該反映了兩大主題：綠色 和軟件。

隨著全球碳排放量的增加和海水平上升，全球天氣和世界各地的大城市空氣 污染變得更嚴重的[2]。因此，節(jié)能被公認為世界范圍內(nèi)的一個迫切需要解決的 問題。信息和通信技術(shù)（ICT）中占有相當(dāng)大的能源消費比例。在2012年，ICT 行業(yè)年度平均電力消費的超過200萬千瓦，其中電信基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備占據(jù)

25%[ 3 ]。在 5G時代，預(yù)計有數(shù)百萬有更高功能的基站（BSS）和數(shù)億計的有 更高數(shù)據(jù)速率的智能手機和設(shè)備將連通。在2012年，世界上最大的移動網(wǎng)絡(luò)在 其擁有1.1百萬個基站的網(wǎng)絡(luò)中消耗了14億千瓦時的能源。EE需要戲劇性的改 善；因此，為EE和SE共同優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的新的工具將是必要的。一些研究小組和聯(lián) 盟一直在調(diào)查EE的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，包括移動VCE，EARTH，和GreenTouch。移動 VCE集中精力在基站硬件，建筑，和操作，已經(jīng)模擬實現(xiàn)75%-92%的節(jié)能增益[4]。 EARTH已經(jīng)設(shè)計了新的數(shù)組技術(shù)包括低損耗天線，微直接傳輸（DTX），天線 靜音，和自適應(yīng)分區(qū)根據(jù)流量的波動，導(dǎo)致60%–70%的節(jié)省能量小于5%的吞 吐量降解[ 5 ]。greentouch已經(jīng)樹立了一個在2020年提高EE 1000倍的更遠大的 目標(biāo)[6]。一些運營商已經(jīng)積極的開發(fā)和部署綠色技術(shù)，包括綠色盲源分離完全 由可再生能源供電，和綠色基礎(chǔ)設(shè)施

例如云/合作/清潔無線接入網(wǎng)絡(luò)（C-RAN）[ 7 ]。

電信級網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜的，由專用節(jié)點和硬件組成。新的標(biāo)準(zhǔn)和功能往往需要多 種設(shè)備的開發(fā)和集成，從而導(dǎo)致很長的發(fā)布周期。在為了適應(yīng)移動互聯(lián)網(wǎng)流量的

爆炸增長和大量的新的應(yīng)用程序/服務(wù)要求更短的產(chǎn)品上市時間，更快的周轉(zhuǎn)需 要新的網(wǎng)絡(luò)能力。動態(tài)RNA重構(gòu)能夠解決不是過度均勻的移動流量的時間和空 間領(lǐng)域的變化。軟技術(shù)是解決這些問題的關(guān)鍵。

通過將軟件和硬件分離，控制平面和數(shù)據(jù)平面在通用處理器（GPPS）通過 編程接口和虛擬化技術(shù)重建軟件，這使得利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功 能虛擬化（NFV）可以獲得更少的開支和更高的效率[8]。斯坦福大學(xué)的開路工 程介紹了無線網(wǎng)絡(luò)的Open-flow, FlowVisor, and SNMPVisor來加強控制平面。 NEC的基站虛擬化集中精力在介質(zhì)訪問控制（MAC）層的切片無線資源方面。 愛立信的CloudEPC改進了Long Term Evolution（LTE）控制平面來控制開放式 流量控制。阿爾卡特-朗訊的CellSDN認為邏輯上集中的控制平面和服務(wù)質(zhì)量

（QoS）的可擴展的分布式執(zhí)行在數(shù)據(jù)平面的防火墻策略。C-RAN實現(xiàn)了一個 軟的，虛擬的BS，這個BS使同一服務(wù)器上的虛擬機器整合成多個基帶單元集

（BBUS），并且支持多個無線接入技術(shù)（RATs）。一個從核心網(wǎng)絡(luò)到RAN的軟 的端到端解決方案能夠允許5G頻譜和能源效率的目標(biāo)。

在下面的章節(jié)中，本文將詳細闡述綠色軟 5G 愿景。與對最大程度利用 SE 的傳統(tǒng)強調(diào)不同，EE 必須并排設(shè)置成聯(lián)合優(yōu)化。我們提出了一個 EE 和 SE 的協(xié) 同設(shè)計框架。沒有更多的細胞的概念強調(diào)以用戶為中心的設(shè)計和作為軟細胞基礎(chǔ) 設(shè)施的關(guān)鍵要素的 C-RAN。一個關(guān)于對 5G 信令和控制設(shè)計的基本構(gòu)想的理論基 礎(chǔ)可以被提供。本文進一步討論了應(yīng)用了 LSAS 技術(shù)的不可見的 BSs 的理念。最 后，在網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工技術(shù)和潛在的解決方案的基本的干擾管理問題是確定 的。

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