摘 要：从全球的视域来看，目前第四代无线通信系统已经在大部分国家实现了部署，并正发挥着重要的作用。然而，对与部分通信总量大，无线移动设备和相关服务呈现出爆炸式增长的国家而言。4G通信技术存在着难以规避的缺陷。因此，包括中国在内的部分国家早已开始着手第五代通信技术，并以及逐步应用到商业化之中。本文中，笔者首先介绍了一种无线蜂窝技术，并以此为基础对其他几项有关的关键性技术进行了介绍和讨论。例如，大规模MIMO，空间调制，认知无线电网络和移动飞蜂窝。以便于业内相关人员参考和指正。 关键词：5G通信，无线网络，蜂窝技术
前 言
在当前世界经济领域内，如何实现信息流的有效利用和通过通信技术实现信息的更高效传输已经成为了亟需解决的问题。可以说，无线通信技术以及在世界经济发展中占据着不可替代的作用，其正逐步成为其他工业体系的支柱。无线通信本身也是世界上发展最为迅速
的产业之一。自从1991年第二代无线通信系统出现以来，经过短短几十年的发展，无线移动系统早已不再只是一个单纯而简单的电话系统。它早已发展成一个具有多样性功能的通信网络，能够支持丰富的媒体内容进行传输的通信网络。4G无线系统设计满足高级国际移动通信（IMT-A）的需求，利用IP协议提供所有服务。在4G系统，采用一种高级无线电接口，是利用正交频分复用（OFDM），多输入多输出（MIMO）和链路适配（或自适应）技术。到如今的5G通信技术的出现和部署，无线通信领域迎来了又一次重大的技术变革，其在未来的生活和生产中将会发挥出重要的作用，因此对其关键技术进行研究是消除技术壁垒，加速体系部署的关键所在。
1一种5G无线蜂窝技术
4G网络的局限性是有目共睹的，为了弥补这些局限，在进行5G系统架构时，就必须要在蜂窝结构设计中有所创新和突破。据统计，无线网络的普通用户有80%左右的时间是在室内的，而只有剩下不到20%的时间是在室外场景使用无线网络。因此，如何满足室内场景下的无线网络使用需求是关键所在。而从目前的实际情况来看，传统的蜂窝结构并没有对使用场景进行分类，而是通过单一的室外与用户进行通信。这样的网络架构模式显然
制约了无线通信效率。如果将通信单一的置于室外，那么当用户出于室内使用场景时，二者之间的通信信号就必须要穿越多层建筑墙壁。而在此过程中信号的穿透损耗是极大的，因此极易造成数据传输速率降低，频谱效率降低，信号强度降低等问题。考虑到这些问题，笔者提出的5G蜂窝设计的关键理念便是将室内使用和室外使用场景的通信需求进行分离，使用分布式系统和大规模MIMO技术来实现场景的区分。避免一个处理各种应用场景时出现的各种问题。该结构在地理上的分布式天线阵列是由部署数十或数百个天线单元构成的。 从目前的实际情况来看，绝大多数的MIMO系统所使用的天线数量都集中在两根到四根这个范围之内。但是，大规模MIMO系统的建设目标是通过大规模的天线列阵来对其中可能蕴含的增益进行开拓，这种潜在的增益规模是巨大的。基于此，室外不再是集中在中，而是将各种天线元件分布在小区的建筑物上，并利用光纤链接到BS，天线元件的数量虽然是有限的，但是各个元件之间是可以相互合作的，形成一个大规模的功能相对统一的虚拟天线列阵。这样，使得天线的数量远远超过2-4根的局限。大型天线阵列也将安装所有建筑物的外面与室外BSS或BSS分布式天线单元通信，可能与线性的视线（LOS）组件通信。大型天线阵列的电缆连接到建筑物内部无线接入点与室内用户通信。这肯定会在短
期内增加基础设施成本的同时，从长远来看会显著提高小区的平均吞吐量，频谱效率，能源效率，和数据速率的蜂窝系统。
使用这样的蜂窝结构，室内用户只需和室内无线接入点通信与大型阵列天线安装在建筑物外面，许多适于短距离高数据速率通信的技术可以利用。值得一提的是，毫米波和VLC技术使用较高频率，不采用传统的蜂窝通信。这些高频波无法很好穿透固体材料，可以很容易地被气体、雨和树叶吸收或散射。因此，很难用这些波在室外或长距离上应用。然而，可利用的大带宽，毫米波和VLC技术可以大大提高室内环境下的数据传输速率。为了解决频谱短缺的问题，除了寻不被传统的无线服务使用的新的频谱（例如，毫米波通信和VLC）。
基于以上分析，笔者认为5G蜂窝结构也应该是异构的，包括宏蜂窝，微蜂窝，小蜂窝，和中继。为了适应高移动用户，如用户在车辆和高速列车上。我们已经提出了移动飞蜂窝（MFemtocell）的概念，它结合移动中继和飞蜂窝的概念。在过去，当用户及其通信设备出于快速移动中时，用户可以获得的通信效果是十分差的。为了解决这一困境，移动飞蜂窝应运而生。这种结构位于车辆的内部，与车辆内部的用户进行直接的通信。而车辆外部
的天线列阵则负责与进行通信。一个移动飞蜂窝及其相关的用户都是被视为一个单一的单位与BS通信。从用户的角度来看，一个移动飞蜂窝看成是一个普通的BS。这很相似上述室内（车内）和室外场景分离的想法。这证明用户使用移动飞蜂窝可以减少信令开销享受高数据速率服务。
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图一，5G无线蜂窝技术组网模式图
2 5G关键技术
广东工业大学学报2.1 大规模MIMO
在前文中已经提到过，大规模MIMO系统无论是信号发射机还是信号接收机都有多个通信组成。当天线的总量得以增加时，无线信道中的自由度也得以极大的扩充，进而可以容纳更多的信息数据，能够支持在同一时间处理更多的信息总量。需要注意的时，这种扩充并不包括时间维度以及频率维度上的扩充。基于此，通信网络在可靠性、频谱效率、能源效率方面性能可以获得一个显着的改善。请注意，发射天线根据不同的应用可以是集中或分布式（即，一个分布式天线系统DAS）。同时，庞大的接收天线可以附在一个设备或分布到许多设备。
大规模MIMO系统除了继承了传统MIMO系统的优势之外，其主要特征还体现在更高的频率效率以及更低的能量损耗效率。就MUMIMO技术来说，最早提出BS可以发送分离的信号给使用相同时间和频率资源的个人用户。鉴于此，大规模MIMO系统将会在5G通信网络的部署中发挥出重要的作用，是一种较为先进的技术。
2.2空间调制（SM）。
空间调制的基本技术原理在于将信息流当中的每一个数据编码对应到该编码所需要的天线位置，然后再利用多个天线来进行合成发送。在这个过程中，信息流经历了拆分与合并两
手拉手网个主要过程。在此技术的支持下，天线列阵星座图被提出，相对于传统的信号星座图而言，前者具有更高的信号传输速率。具体来说，从表观上来看，信息的传递涉及到了多根天线，但实际上在进行信息传递时真正使用到的天线只有一根，而其他的天线出于待命的状态。一个信息被拆分为两个字节，其中第一个字节用于选择发送信息的天线，另一个则是把天线阵列信号星座图的信息通过天线进行发送。空间调制技术的优势主要体现在当大量信息再进行传递时，各个信道之间的干扰明显降低。大幅提升了信息传输的准确的和质量。
外相3认知无线电网络
CR网络是一个创新的软件定义的无线电网络技术，具有较好的应用前景，可有效的提高拥挤的RF频谱利用率。采用CR的依据是在大部分时间内很大一部分无线电频谱未被充分使用。这样就不可避免的造成了频谱浪费。而在CR网络中，次系统能够与授权系统共享频段。在无干扰的CR中，CR用户允许借用频谱资源，当授权的用户不使用它们。使无干扰的CR网络成为可能的一个关键是出如何检测出分布在宽带频谱的频谱空洞（白空间）。在干扰容忍CR网络中，在干扰保持低于阈值（临界值）期间，CR用户可以与授权
系统共享频谱资源。 在主接收器的数量增加的频谱效率迅速降低。然而，频谱效率可以通过放松的主系统的干扰阈值或只考虑CR用户谁到第二BS距离短得到提高改善。
4移动飞蜂窝（移动超小型化移动）
移动飞蜂窝MFemtocell是一个新的概念，最近已经提出作为一个潜在的候选技术在下一代智能运输系统。它结合了移动中继的概念（移动网络）与飞蜂窝技术。一个MFemtocell是一个小的，可以四处移动和动态变化，与运营商的核心网络连接。它可以部署在公交车、火车、甚至私人汽车上，提高车内用户的服务质量。部署MFemtocell可能有益于蜂窝网络。首先，MFemtocell可以提高整个网络的频谱效率。
为了证明这一事实，图2比较了直接传输方案的平均频谱效率和MFemtocell增强方案两种资源划分方案（即，正交和非正交资源划分方案）作为一种与MFemtocell连接的用户比例的函数。同时，比较了最大信噪比之间的（MAX-SNR）和比例公平（PF）调度算法。我们可以看到，通过增加MFemtocell与BS通信的用户比例导致频谱效率的增加，这比用户直接与BS通信好得多（即，直接传输方案）。第二，MFemtocell可以促进网络信令开销的减少。例如，一个MFemtocell可以对所有与之相关联的代表用户执行切换，从而减少在MFe
mtocell内用户切换活动。这使得MFemtocell部署适合高速移动环境下。此外，在MFemtocell内由于相对较短的通信范围和较低的信令开销，用户的能源消耗可以减少。
图2 系统级MFemtocell的平均频谱效率与多用户调度和资源分配方案
5绿通信
环保与能源，是人类始终无法规避的主题。无线通信系统本身在运行的过程中，就存在对能源的消耗以及对环境的污染。因此，5G无线系统的设计应考虑最大限度地减少能源消耗，
以实现绿无线通信系统。世界各地的无线系统的运营商应该以实现减少能源消费量为目的，从而有助于减少二氧化碳排放量。有前途的室内通信技术部署策略可实现更好的能源效率。这是因为在发射机和接收机之间他们能提供具有良好的信道条件。此外，通过将室内传输与室外传输分离，可使marcocell BS分配无线资源压力较小，可以低功率发射，致使有效的减少能源消耗。VLC和毫米波技术也被认为是在5G无线系统发展中能量效率解决方案。例如，在VLC系统中一个灯泡消耗的能量远远小于发送相同高密度数据的RF消耗的能量。
