Multi-Gigabit Millimeter Wave Wireless Communications for 5G: From Fixed Access to Cellular Networks

ABSTRACT

With the formidable growth of various booming wireless communication services that require ever increasing data throughputs, the conventional microwave band below 10 GHz, which is currently used by almost all mobile communication systems, is going to reach its saturation point within just a few years. Therefore, the attention of radio system designers has been pushed toward ever higher segments of the frequency spectrum in a quest for increased capacity. In this article we investigate the feasibility, advantages, and challenges of future wireless communications over the Eband frequencies. We start with a brief review of the history of the E-band spectrum and its light licensing policy as well as benefits/challenges. Then we introduce the propagation characteristics of E-band signals, based on which some potential fixed and mobile applications at the E-band are investigated. In particular, we analyze the achievability of a nontrivial multiplexing gain in fixed point-to-point E-band links, and propose an E-band mobile broadband (EMB) system as a candidate for the next generation mobile communication networks. The channelization and frame structure of the EMB system are discussed in detail .

INTRODUCTION

In recent years video on demand, videoconferencing, online gaming, e-education, and ehealth have been introduced to a rapidly growing population of global subscribers using devices such as laptops, tablets, and smartphones. The formidable growth in demand for these communication services requires ever increasing data throughputs. To cater to this growing demand, many advanced technologies have been adopted in the current fourth-generation (4G) systems, such as Long Term Evolution (LTE) and Mobile WiMAX, to substantially increase the transmission rate. These technologies, including orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), multiple-input multiple-output (MIMO), multi-user detection, advanced channel coding (e.g. turbo and low-density parity-check, LDPC, coding), adaptive coding and modulation, hybrid automatic repeat request (HARQ), cell splitting, and heterogeneous networking have made the achievable spectrum efficiency very close to the theoretical limits. Existing cellular systems all operate below 10 GHz frequency bands that are already heavily utilized. Therefore, there is little space to further increase the transmission rate in these frequency bands. The attention of radio system designers has been pushed toward ever higher segments of the frequency spectrum in a quest for capacity increase.

چکیده

با رشد قابل ملاحظه ای از خدمات مختلف ارتباطات بی سیم که در حال رشد است و نیاز به افزایش هرچه بیشتر داده ها دارد، باند سیار معمولی زیر 10 گیگاهرتز، که در حال حاضر در تقریبا تمام سیستم های ارتباطی تلفن همراه استفاده می شود، در عرض چند سال به نقطه اشباع خود می رسد. بنابراین، توجه به طراحان سیستم های رادیویی در تلاش برای افزایش ظرفیت به بخش های بیشتری از فرکانس فراگیر منتهی می شود. در این مقاله، امکان سنجی، مزایا و چالش های ارتباطات بی سیم آینده بر روی فرکانس های Eband بررسی شده است. ما با بررسی کوتاهی از تاریخ طیف E-band و خط مشی صدور مجوز نور و همچنین مزایا / چالش ها شروع می کنیم. سپس ویژگی های انتشار سیگنال های باند E را معرفی می کنیم که بر اساس آن برخی از برنامه های کاربردی ثابت و تلفن همراه در نوار E بررسی می شوند. به طور خاص، ما امکان دستیابی به سود چند منظوره غیر ترافیکی را در لینک های باند ثابت ثابت به نقطه، و پیشنهاد یک سیستم پهن باند تلفن همراه (EMB) به عنوان یک نامزد برای شبکه های نسل آینده نسل بعدی تلفن همراه پیشنهاد می کنیم. کانالیزه کردن و ساختار قاب سیستم EMB به طور دقیق مورد بحث قرار می گیرد.

مقدمه

در سال های اخیر، ویدیوهای تقاضا، ویدئو کنفرانس، بازی آنلاین، آموزش الکترونیکی و سلامت سلامت به یک جمعیت به سرعت در حال رشد مشترکین جهانی با استفاده از دستگاه هایی مانند لپ تاپ ها، تبلت ها و گوشی های هوشمند معرفی شده اند. رشد فزاینده تقاضا برای این خدمات ارتباطی نیازمند افزایش فزاینده داده ها است. برای تهیه این تقاضای رو به رشد، بسیاری از فناوری های پیشرفته در سیستم های نسل چهارم (4G) مانند Long Term Evolution (LTE) و Mobile WiMAX به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. این تکنولوژیها شامل تقسیم فرکانس تقاطع متعامد (OFDM)، چند خروجی چند ورودی (MIMO)، تشخیص چند کاربره، کدگذاری کانال پیشرفته (نظیر چکش پارتی تنگستن و چگالی کم، LDPC، کدگذاری)، کدگذاری انطباقی و مدولاسیون، درخواست تکرار اتوماتیک ترکیبی (HARQ)، تقسیم سلولی و شبکه های ناهمگن باعث شده تا کارایی طیف قابل دستیابی بسیار نزدیک به محدودیت های نظری باشد. سیستم های موجود سلولی در زیر باند های فرکانس 10 گیگاهرتز کار می کنند که در حال حاضر به شدت مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین، فضای کمی برای افزایش میزان انتقال در این باند فرکانس وجود دارد. توجه به طراحان سیستم های رادیویی در تلاش برای افزایش ظرفیت به بخش های بالاتر از بخش فرکانس فراگیر است.

Year: 2015

Publisher : IEEE

By : Peng Wang, Yonghui Li, Lingyang Song, and Branka Vucetic