5g-無線通信網(wǎng)絡(luò)蜂窩結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)(編輯修改稿)
2025-08-26 03:59 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。基于著名的香農(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(gè)信道的帶寬，Pi是第i個(gè)信道的信號(hào)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(dòng)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(diǎn)關(guān)注的一些關(guān)鍵技術(shù)。1. 大規(guī)模MIMOMIMO系統(tǒng)是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都有多個(gè)天線組成。通過增加多個(gè)天線，在無線信道中一個(gè)更大的自由度（除了時(shí)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(gè)顯著的改善。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)或接收機(jī)都配備了大量的天線元件（一般為幾十或甚至數(shù)百個(gè)）。請(qǐng)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(gè)分布式天線系統(tǒng)DAS）。同時(shí)，龐大的接收天線可以附在一個(gè)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(gè)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(jiǎn)單的線性預(yù)編碼和檢測(cè)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（MUMIMO）技術(shù)，通過避免復(fù)雜的調(diào)度算法來簡(jiǎn)化介質(zhì)訪問控制（MAC）層的設(shè)計(jì)[ 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(hào)給使用相同時(shí)間和頻率資源的個(gè)人用戶。因此，這些優(yōu)點(diǎn)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。2. 空間調(diào)制（SM）空間調(diào)制，最初哈斯等人提出的，是一個(gè)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(shí)發(fā)送多個(gè)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(gè)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(hào)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(duì)于單天線無線系統(tǒng)。在任何時(shí)間只有一個(gè)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(gè)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(hào)星座圖的大小。第一子節(jié)從一組發(fā)射天線中識(shí)別出激活的天線，而第二子節(jié)是將信號(hào)星座圖選擇符號(hào)從激活的天線發(fā)送。因此，SM是一個(gè)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(gè)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(jī)可以采用最佳最大似然（ML）檢測(cè)，譯碼接收的信號(hào)?？臻g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(gè)RF鏈[ 13 ]。此外，在空間調(diào)制SM系統(tǒng)中，可以設(shè)計(jì)低復(fù)雜度接收機(jī)，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(duì)數(shù)增加，而與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)成線性增加。因此，實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度設(shè)備是在犧牲一定的自由度為代價(jià)。大多數(shù)研究SM集中在一個(gè)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(gè)新的研究方向。圖2 采用四個(gè)發(fā)射天線（NB = 4）和QPSK調(diào)制的SM星座圖3. 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)CR網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)關(guān)鍵是找出如何檢測(cè)出分布在寬帶頻譜的頻譜空洞（白色空間）。CR接收機(jī)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(jī)。在多個(gè)CR網(wǎng)絡(luò)嘗試接入相同的頻譜時(shí)，需要協(xié)調(diào)機(jī)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(shí)機(jī)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)
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