5G移动技术发展与特点分析：灵活、云服务、全球主导协议

⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICT Express 1（2015）1325G移动技术：调查报告Rupendra Nath Mitra，Dharma P.Agrawal美国俄亥俄州辛辛那提大学EECS系接收日期：2015年8月19日;接收日期：2015年12月19日;接受日期：2016年1月6日2016年1月22日在线发布www.elsevier.com/locate/icte摘要所有新的5G移动技术预计将在2020年投入使用。因此，这一次，了解5G技术的研究和开发方向至关重要。本文对最近的5G发展努力进行了全面和全面的分析。它突出了突出的特点，即，灵活性、可访问性和基于云的服务提供，这些将确保未来的移动通信技术成为全球通信的主导协议。2016年，韩国通信信息科学研究所。制作和托管由Elsevier B.V.这是一个开放获取的文章根据CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：第五代;云服务;节能;关键性能指标;无线接入网1. 介绍在过去的二十年中，世界见证了蜂窝通信技术从2G全球移动系统（GSM）到4G高级长期演进（LTE-A）系统的快速演进。主要的动机是需要更多的带宽和更低的延迟。虽然吞吐量是实际的数据传输速率，但延迟在很大程度上取决于数据流遍历的每个节点的处理速度。在开发新的移动技术时，除了吞吐量相关的性能增强之外，还考虑了一些相关参数，例如抖动、信道间干扰、连接性、可扩展性、能效以及与传统网络的兼容性。当技术从2G GSM发展到3G时，通用移动通信系统（UMTS），更高的网络速度和更快的下载速度允许实时视频通话。LTE和随后的LTE-A提供了增强的网络容量和减少的应用服务器访问延迟*通讯作者。电子邮件地址：mitrarh@mail.uc.edu（R.N.Mitra），agrawadp@ucmail.uc.edu（D.P. Agrawal）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为“下一代（5G/6 G）”的特刊的一部分。移动通信随时随地都可以通过无线方式实现4G真正构成了移动宽带。虽然3G是第一个移动宽带标准，但它最初是为语音设计的，并考虑到一些多媒体和数据，而2G旨在作为第一个数字移动语音通信标准，以改善覆盖范围。数据速率从2G的64 kbps提高到3G的2 Mbps和4G的50-100 Mbps。预计5G不仅将提高移动网络的数据传输速度，还将提高网络的可扩展性、连接性和能源效率。据估计，到2020年，全球将有500亿台设备连接到IP网络，这似乎是一个挑战[1]。在一个真正的“网络化社会”中，通过使用移动设备实时控制机器将成为可能，使物联网（IoT）更容易为所有人使用。最后，但并非最不重要的是，为了实现一个更绿色的世界，需要更少的耗能网络节点因此，以下是5G描述中最重要的元素：高吞吐量、低延迟、高可靠性、增加的可扩展性和节能移动通信技术。在本文中，我们对设想的5G技术的几种方法进行了全面的研究。本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们描述了5G必须满足的几个场景。在第3节中，我们介绍了一些致力于5G标准的知名研究小组。第4节包含来自不同方面的文献综述，http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.01.0032405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。制作和托管由爱思唯尔B. V.这是一个开放获取的文章下，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons。org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。R.N. Mitra，D.P.Agrawal/ICT Express 1（2015）132133近期5G研究项目。本节包含涵盖本研究中考虑的每个方面的第五节是我们的结论。2. 未来场景和5G合规性2020年的社会将是一个互联的社会。物联网与智能集成传感器系统和家庭传感器网络一起将改变人们的生活方式。“Smart living” people will require constant and ubiqui-tous mobile connectivity to the network to upload their activ-ity大规模机器对机器通信和关键机器对机器通信将在服务交付和行业运营中发挥关键作用。车 载 自 组 织 网 络 （ VANGIOLARAD-HOCNETWORK，VANGIOLAR）是一个不断发展的网络。到2020年，与蜂窝网络集成的VANET将作为VANET云运行，从而实现更智能、更安全的交通系统[3]。在未来十年，当连接到互联网的设备数量超过数百亿或数千亿时，在未授权频段上卸载网络数据将在网络负载平衡中发挥关键作用，提供有保证的比特率服务并减少控制信令。因此，我们认为， 重要的是，5G将提供与密集异构网络的无缝兼容性，以满足实时流量的高需求，从而最终用户将体验到与网络的平滑连接[4]。3. 研究小组及其工作不同的研究小组正在研究5G标准。几个例子是20世纪20年代信息社会（METIS）的移动和无线通信使能器、用于异步信令的第五代非正交波形（5GNOW）、用于专业Ad-Hoc和基于小区的通信的增强型多载波技术（EM-PhAtiC）、5G基础设施公 私 合 作 伙 伴 关 系 （ 5G-PPP ） 、 无 线 通 信 卓 越 网 络（ NEWCOM# ） ， 萨 里 大 学 5G 创 新 中 心 、 纽 约 大 学WIRELESS和韩国电子与通信研究所（ETRI）。这些组织正在研究5G的不同技术和可能的标准化方面其中，METIS是最大的框架计划7（FP7）5G项目。FP7是欧盟METIS与NSN、爱立信、T-Mobile、Docomo和Orange等顶级电信公司以及斯德哥尔摩皇家理工学院（KTH）、波兹南理工大学、凯泽斯滕理工大学、瓦伦西亚理工大学和奥卢大学等学术机构合作。METIS最近发布了他们的最终项目报告（2015年4月30日发布的8.4版），其中包含了他们项目的主要成果：一个架构，高级架构插图，一个通道模型，以及超过140个技术组件及其测试平台评估[6]。他们展示了滤波器组多载波（FBMC）是设计灵活空中接口的成功推动者。他们的模拟报告展示了对5G关键性能指标（KPI）的评估，例如每个用户的流量、每个区域的流量、繁忙时段的平均用户数据速率以及实际用户数据速率。有趣的是，他们的模拟结果显示无线接入网络（RAN）延迟低于1 ms。他们还介绍了不同场景下的不同RAN架构和流量，如室内办公室、商场、体育场和室外密集城市环境。他们现在正在推进METIS-II项目，该项目设想了5G RAN的整体设计，5G RAN的协作评估以及所有标准化组织之间的全球共识建立。5G-PPP是另一个研究小组，由欧盟委员会、制造商、电信运营商和研究人员发起。5G愿景被定义为：“。. . 从现在起的十年内，电信和IT将被整合到一个通用的非常高容量的无处不在的基础设施中，具有固定和移动接入的融合能力。. .5GNOW研究了5G的统一帧结构、超低延迟、超高可靠性和可行波形。他们最近的成果展示了Gabor信号，其中扩展信号是原型窗口的缩放时频偏移之和缩放因子由Gabor展开系数给出。它还讨论了通过短期傅里叶变换（STFT）获取信号的时间和频率平面信息[8]。EMPhAtiC正在探索多输入多输出（MIMO）传输、均衡、高度灵活的滤波器组的开发以及基于多跳或中继的通信技术。在该项目最近的成果中NEWCOM#正在致力于高端可能性，例如找到无线网络的最严格上限、机会多跳通信以及无线通信和联网中的能量和信道效率。该项目的最新成果之一包括对Cloud-RAN、移动广播、使用频谱覆盖的4G/5G共存、多跳编码和分布式天线定位的独家研究。该项目在NYU WIRELESS，Rappaport等人正在开创5G毫米波（mm波）实验，并在纽约和奥斯汀两个城市进行了mm波传播模型和路径损耗的实验[11]。英国唯一致力于5G研究的研究机构5GIC最近在无线速度增益方面取得了重大突破：无线点对点（P2P）通信速度达到1 Tbps。其成员也在考虑用于未来目的的超低延迟敏感应用服务[12]。134R.N. Mitra，D.P.Agrawal/ICT Express 1（2015）132×韩国电子和电信研究所（ETRI）在其GIGA 5G项目中主要关注提高可靠性，设备到设备（D2D）通信技术和移动热点网络（MHN）协议栈[13，14]。韩国的5Gforum也在为未来的标准寻求在世界的另一个地方，4G-Americas是美洲的它最近发布了（2015年10月）关于5G演进和建议的白皮书，其中强调了信息中心网络（ICN）除上述机构外，还存在其他研究机构。在他的调查中，皮里宁简要地提到了其中的一些人和他们的贡献[15]。以下部分将详细介绍5G技术的发展。4. 5G技术许多众所周知的技术或方案，如调制技术、无线电接入技术或分布式计算，可以在5G中与许多其他新开发和演进的解决方案一起进行少量更改。因此，我们将文献综述限制在最近的研究论文、白皮书、行业产品和市场需求。例如，Cisco Inc.每年出版一份白皮书，视觉网络索引（VNI）思科VNI报告预测了全球移动数据流量，2015年2月发布的最新VNI报告显示了有趣的预测：到2019年，每月全球移动数据流量将超过24.3 EB（EB），是当前移动流量的十倍，连接到网络的设备数量将很快超过全球人口[16]。4.1. 毫米波通信为了实现1000倍的速度增强，第一步是使用毫米波（具有毫米量级的波长）频谱（3-300 GHz范围）作为载波频率，以与机会性流量卸载到未许可频谱（5 GHz Wi-Fi）上一起。当前蜂窝许可载波的范围从饱和的750 MHz到2600 MHz频谱。因此，需要设计毫米波频谱的大多数未充分利用的物理层（PHY层）此外，大规模MIMO、波束成形、流量卸载到未授权频谱和无线电资源的云化将提供更快的数据传输和有保证的可用性。Rappaport等人展示了城市结构导致的28 GHz和38 GHz载波的传播行为、穿透特性和路径损耗[11]。本文提供的数据对于设计部署毫米波的5G物理层非常有用。Levanen等人[17]为5G设计了超低4.2. 架构5G将拥有连接良好的核心网络和RAN。 骨干网络甚至可能从光纤转向毫米波无线连接，应该使用高带宽有线连接。随着连接的设备的数量增加，典型的宏小区可能会因控制开销而负担沉重，以维持与大量设备（每个小区大约10 k）的连接。因此，架构必须不太复杂，并且必须演进以适应增加的信令和有效载荷开销量。已经报道了Giga KOREA 5G项目中部署毫米波RAN的这种未来5G架构的性能[14]。作者还在报告中阐述了用于3D波束成形的天线阵列结构的图形表示，并描述了波束控制机制如何促进不同波束之间的快速切换。3D波束形成是在贴片天线的2D阵列的帮助下实现的。从贴片天线的2D阵列发出的在3维空间中形成的无线电传输信号的高度定向波束有助于实现空分多址（SDMA）。这基本上可以被称为波束分多址（BDMA）。在用户设备中，他们安装了由2D NXM数量的贴片天线组成的贴片天线阵列。不同波束之间的快速切换能力使得无线电接入技术鲁棒、安全和高度可靠。此外，为了克服毫米波RAN的有限覆盖，使用“中继”传输，并且切换过程可以不再由核心节点控制，而是由基站控制。在4G LTE中，基站或eNB执行该资源分配任务。为了在LTE中实现更好的QoS，已经提出了许多调度算法这种智能资源分配方案被提出[18]用于认知无线电链路，基于博弈论计算。5G应该在基于宏小区的操作的情况下使用这种类型的最优分布式资源分配算法，其中波束成形可能是不可能的。不仅RAN容量的增加，而且灵活、智能、易于安装和低成本的演进的核心网络也是期望的。此外，基于云的网络的最新发展已经引发了虚拟化核心网络的可能性。4.3. 优于OFDM频谱效率主要取决于所使用的多址技术和调制方案。正交频分复用（OFDM）和正交频分多址（OFDMA）被用作高级LTE（4G）中的调制方案和多址策略。OFDMA是继码分多址（CDMA）之后的第三代移动电话技术。OFDMA的进一步此外，OFDM在具有所需硬件设置的宽带毫米波上的适用性是不确定的。FBMC、通用滤波多载波（UFMC）和OFDM调制方案在5G中的比较研究在[19]中给出。在FBMC方案中，通过使子载波通过滤波器组来使它们经受旁瓣抑制，这使得它们能够提供更高的频谱效率R.N. Mitra，D.P.Agrawal/ICT Express 1（2015）132135表15G候选波形的比较概要GFDM通用频分复用（GFDM）是灵活的，并且可以以与OFDM和单载波频分复用（SC-FDM）相同的方式配置，这指示可用带宽可以被划分为几个窄带子载波或更少数量的宽单独带宽的GFDM是基于块的调制方法。GFDM信号被设计为使得发射机和接收机复杂度可以是低的，并且它减少了均衡和同步问题。UFMC UFMC是具有正交子载波的多载波信号格式，以处理接收器端处正交性损失的问题这是滤波OFDM和FBMC的一种推广。与OFDM不同，它不使用循环前缀，而是使用子带滤波器。与FBMC相比，这些短持续时间滤波器适用于短突发通信。为了确保频域和时域中的灵活资源分配，在FBMC中使用前导突发方法训练序列将用于同步和信道估计目的。BFDM双正交频分复用（BFDM）基于用双正交性（正交性的宽松形式）替换发射器和接收器的集合的正交性要求（如在OFDM中）的原理。在该方案中，发射和接收脉冲的BFDM比OFDM对传输中的频率偏移具有更强的鲁棒性比OFDM。FBMC对发射机和接收机之间的固有不稳定性是鲁棒的。5GNOW [20]小组目前正在考虑四种波形，GFDM [21]，UFMC [22]，FBMC [23]和BFDM [24]，用于5G，以提供不再依赖于严格的正交性和同步要求的高效空中接口表1从原型和实施方面简要比较了5G的候选波形4.4. 云：RAN即服务RAN可以被看作是前传网段。5G的空中接口将具有一个有趣的功能，将高清实时视频传输到物联网的极低带宽控制信号。虽然重要的物理属性，例如调制、编码方案和大规模MIMO，是RAN的直接部分，但本小节主要关注称为Cloud-RAN的新兴革命性领域。RAN部署中云服务的全新应用是5G最重要的预期元素。Sabella等人[25]显示了RAN即服务（RANaaS）在网络可持续性和能源效率方面的优势。基于云的RANaaS背后的想法是将RAN容量保持在中央服务器中，并按需提供给客户为了实现这一点，需要将基站分离成无线电接入单元和基带单元，并且需要创建基带单元的保留池以满足经历高业务的任何小区。应部署低功率小型小区以降低能耗，并使预留容量可用于因流量突然激增而需要它的小区。他们还表明，随着新的云计算平台和即将到来的数据中心服务器的可用性，计算能力和能源效率将进一步优化如图1示意性所示，通过基于云的资源可用性，不仅RAN而且核心和骨干网络都可以被虚拟化[26，27]。4.5. 能效能源消耗是大规模部署新网络的主要因素。目前，全球Fig. 1. 网络云化示意图。因此，降低能源需求是 5G发展的主要方面之一，这Tombaz和Sung [28]用数值方法表明，通过减小单元尺寸而致密化的网络由于网络将具有更多数量的较小小区，主要的能量消耗部分将是空闲和回程功率。已经部署了具有软件定义MAC和网络功能虚拟化的候选5G框架[2]。通过整合这些解决方案，Tombaz和Sung设想了一个低延迟但节能的5G网络。在他们的研究工作中，称为[29]中报告的5GrEEn项目，他们同意[2]的作者关于控制和数据平面的逻辑分离作为实现节能和灵活的5G架构的潜在解决方案5GrEEn项目旨在为各种流量需求和场景引入节能和优化的异构网络（HetNet）架构云资源也应该合理分配4.6. 协议栈任何通信系统都基于分层协议栈来执行。Gohil等人[31]在他们的5G调查中，提出了下一代端到端移动通信的通用协议栈作者设想了一个通用的通信标准。该协议栈的显著特点是提供了与其他开源协议的兼容性他们讨论了开放传输协议（OTP），该协议可以136R.N. Mitra，D.P.Agrawal/ICT Express 1（2015）132在需要时由任何用户设备下载。用户设备可以连接到多于一个基站（实际上，基站可以属于不同的网络）。4.7. 3GPP设备到设备邻近服务为了增加小区容量并提供各种邻近服务（ProSe）（例如，公共汽车或出租车可用性、某个地点的零售/餐馆D2D连接在蜂窝系统中是必不可少的3GPP本身已经在其版本12中标准化了LTE直连（LTE-D）LTE-D是一种新概念，其允许通过使用许可频谱以能量高效和安全的方式在500 m附近发现“始终在线”设备。虽然诸如Wi-Fi直连或蓝牙的技术是主要使用的P2P邻近通信协议，但是它们在能量消耗方面具有缺点。因此，LTE-D是标准化的[32]，5G需要毫米波中的D2 D通信。毫米波D2D通信在[33]中提出，在配备有电子可操纵天线和波束成形技术的有能力的移动设备之间。凭借高度定向的天线和波束成形技术，D2D用户和基站之间的并发传输将不会产生太多干扰。在多个邻居之间共享多媒体文件的情况下，网络可能变得拥塞。这种类型的情况需要通过人群感知媒体检索框架来处理，例如由Abdelzaher等人提出和原型化的框架。MediaScope是专门为移动设备开发的框架，可以从云中及时检索媒体文件。这种类型的文件共享的重要特征是，内容在相当长的时间之后被共享类似地，在5G中，D2D多媒体共享技术可以借用这种类型的框架用于在附近的移动邻居之间共享大型多媒体内容5G的一个有趣的扩展是在农村地区，海上或地面以上35000英尺的空中航线一项研究计划[35]已经减少了用于机载波束成形的多波束卫星通信系统中的非GEO卫星星座和功率分配的延迟。Domme等人[36]设想了在卫星通信上重复使用FBMC方案的可行性，使得在地面蜂窝基础设施和卫星覆盖之间的切换变得更容易和无缝。5. 结论本文全面回顾了最近针对绿色、灵活且占主导地位的5G移动通信标准的一些简要描述了从OFDMA的改进替代到节能D2D通信研究努力的重要问题。然而，由于篇幅限制，有许多问题无法提出。引用[1] 互 联 网 资 源 ， 爱 立 信 ： http://www.ericsson.com/openarticle/mwc-connected-devices 1686565587 c.[2] S. 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