5G無線通訊系統(tǒng)

摘要

隨著 4G 網(wǎng)絡的部署和商業(yè)運作的發(fā)展，全球范圍內的技術專家已經開始尋 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)展的預先要求。 本文介紹了我們對 5G 網(wǎng)絡兩個主要主題的視角：綠色和軟件。通過反思香農定 理和傳統(tǒng)的中心細胞設計，當網(wǎng)絡功耗降低時，網(wǎng)絡容量可以顯著增加。綠色和 軟件組合的可能性是通過 5 個相互關聯(lián)的研究領域：能源效率和頻譜效率的協(xié)同 設計，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）標準的成熟和全球范圍內正在進行的4G蜂窩網(wǎng)絡的發(fā)展，

對5G通訊技術的研究活動已經出現(xiàn)在學術和工業(yè)社區(qū)。來自不同國家和地區(qū)的 多個組織已經采取措施并且建立了項目旨在潛在的5G關鍵技術：5GNOW和建 立在歐洲電信標準協(xié)會框架7下的METIS研究新的波形和5G的基礎以滿足2020 年的需求；5G研究中心已經建立在美國給5G技術進行世界一流的測試；第三代 合作伙伴項目（3GPP）已經制定了直到2020年的演變草稿圖；中國已經拉開了 IMT-2020論壇的序幕來對用戶需求，光譜特性和技術趨勢的研究[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的一個迫切需要解決的 問題。信息和通信技術（ICT）中占有相當大的能源消費比例。在2012年，ICT 行業(yè)年度平均電力消費的超過200萬千瓦，其中電信基礎設施和設備占據(jù)

25%[ 3 ]。在 5G時代，預計有數(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備將連通。在2012年，世界上最大的移動網(wǎng)絡在 其擁有1.1百萬個基站的網(wǎng)絡中消耗了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)絡的新的工具將是必要的。一些研究小組和聯(lián) 盟一直在調查EE的蜂窩網(wǎng)絡，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，已經模擬實現(xiàn)75%-92%的節(jié)能增益[4]。 EARTH已經設計了新的數(shù)組技術包括低損耗天線，微直接傳輸（DTX），天線 靜音，和自適應分區(qū)根據(jù)流量的波動，導致60%–70%的節(jié)省能量小于5%的吞 吐量降解[ 5 ]。greentouch已經樹立了一個在2020年提高EE 1000倍的更遠大的 目標[6]。一些運營商已經積極的開發(fā)和部署綠色技術，包括綠色盲源分離完全 由可再生能源供電，和綠色基礎設施

例如云/合作/清潔無線接入網(wǎng)絡（C-RAN）[ 7 ]。

電信級網(wǎng)絡是復雜的，由專用節(jié)點和硬件組成。新的標準和功能往往需要多 種設備的開發(fā)和集成，從而導致很長的發(fā)布周期。在為了適應移動互聯(lián)網(wǎng)流量的

爆炸增長和大量的新的應用程序/服務要求更短的產品上市時間，更快的周轉需 要新的網(wǎng)絡能力。動態(tài)RNA重構能夠解決不是過度均勻的移動流量的時間和空 間領域的變化。軟技術是解決這些問題的關鍵。

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重建軟件，這使得利用軟件定義網(wǎng)絡（SDN）和網(wǎng)絡功 能虛擬化（NFV）可以獲得更少的開支和更高的效率[8]。斯坦福大學的開路工 程介紹了無線網(wǎng)絡的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質量

（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（RATs）。一個從核心網(wǎng)絡到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。

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)強調不同，EE 必須并排設置成聯(lián)合優(yōu)化。我們提出了一個 EE 和 SE 的協(xié) 同設計框架。沒有更多的細胞的概念強調以用戶為中心的設計和作為軟細胞基礎 設施的關鍵要素的 C-RAN。一個關于對 5G 信令和控制設計的基本構想的理論基 礎可以被提供。本文進一步討論了應用了 LSAS 技術的不可見的 BSs 的理念。最 后，在網(wǎng)絡中基于全雙工技術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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