This paper presents an overview of progress in the area of multiple input multiple output (MIMO) space-time coded wireless systems. After some background on the research leading to the discovery of the enormous potential of MIMO wireless links, we highlight the different classes of techniques and algorithms proposed which attempt to realize the various benefits of MIMO including spatial multiplexing and space-time coding schemes. These algorithms are often derived and analyzed under ideal independent fading conditions. We present the state of the art in channel modeling and measurements, leading to a better understanding of actual MIMO gains. Finally, the paper addresses current questions regarding the integration of MIMO links in practical wireless systems and standards.

There is considerable pressure to define the key requirements of 5G, develop 5G standards, and perform technology trials as quickly as possible. Normally, these activities are best done in series but there is a desire to complete these tasks in parallel so that commercial deployments of 5G can begin by 2020. 5G will not be an incremental improvement over its predecessors; it aims to be a revolutionary leap forward in terms of data rates, latency, massive connectivity, network reliability, and energy efficiency. These capabilities are targeted at realizing high-speed connectivity, the Internet of Things, augmented virtual reality, the tactile internet, and so on. The requirements of 5G are expected to be met by new spectrum in the microwave bands (3.3-4.2 GHz), and utilizing large bandwidths available in mm-wave bands, increasing spatial degrees of freedom via large antenna arrays and 3-D MIMO, network densification, and new waveforms that provide scalability and flexibility to meet the varying demands of 5G services. Unlike the one size fits all 4G core networks, the 5G core network must be flexible and adaptable and is expected to simultaneously provide optimized support for the diverse 5G use case categories. In this paper, we provide an overview of 5G research, standardization trials, and deployment challenges. Due to the enormous scope of 5G systems, it is necessary to provide some direction in a tutorial article, and in this overview, the focus is largely user centric, rather than device centric. In addition to surveying the state of play in the area, we identify leading technologies, evaluating their strengths and weaknesses, and outline the key challenges ahead, with research test beds delivering promising performance but pre-commercial trials lagging behind the desired 5G targets.

Mobile communications have been undergoing a generational change every ten years or so. However, the time difference between the so-called “G's” is also decreasing. While fifth-generation (5G) systems are becoming a commercial reality, there is already significant interest in systems beyond 5G, which we refer to as the sixth generation (6G) of wireless systems. In contrast to the already published papers on the topic, we take a top-down approach to 6G. More precisely, we present a holistic discussion of 6G systems beginning with lifestyle and societal changes driving the need for next-generation networks. This is followed by a discussion into the technical requirements needed to enable 6G applications, based on which we dissect key challenges and possibilities for practically realizable system solutions across all layers of the Open Systems Interconnection stack (i.e., from applications to the physical layer). Since many of the 6G applications will need access to an order-of-magnitude more spectrum, utilization of frequencies between 100 GHz and 1 THz becomes of paramount importance. As such, the 6G ecosystem will feature a diverse range of frequency bands, ranging from below 6 GHz up to 1 THz. We comprehensively characterize the limitations that must be overcome to realize working systems in these bands and provide a unique perspective on the physical and higher layer challenges relating to the design of next-generation core networks, new modulation and coding methods, novel multiple-access techniques, antenna arrays, wave propagation, radio frequency transceiver design, and real-time signal processing. We rigorously discuss the fundamental changes required in the core networks of the future, such as the redesign or significant reduction of the transport architecture that serves as a major source of latency for time-sensitive applications. This is in sharp contrast to the present hierarchical network architectures that are not suitable to realize many of the anticipated 6G services. While evaluating the strengths and weaknesses of key candidate 6G technologies, we differentiate what may be practically achievable over the next decade, relative to what is possible in theory. Keeping this in mind, we present concrete research challenges for each of the discussed system aspects, providing inspiration for what follows.

Cognitive radio (CR) design aims to increase spectrum utilization by allowing the secondary users (SUs) to coexist with the primary users (PUs), as long as the interference caused by the SUs to each PU is properly regulated. At the SU, channel-state information (CSI) between its transmitter and the PU receiver is used to calculate the maximum allowable SU transmit power to limit the interference. We assume that this CSI is imperfect, which is an important scenario for CR systems. In addition to a peak received interference power constraint, an upper limit to the SU transmit power constraint is also considered. We derive a closed-form expression for the mean SU capacity under this scenario. Due to imperfect CSI, the SU cannot always satisfy the peak received interference power constraint at the PU and has to back off its transmit power. The resulting capacity loss for the SU is quantified using the cumulative-distribution function of the interference at the PU. Additionally, we investigate the impact of CSI quantization. To investigate the SU error performance, a closed-form average bit-error-rate (BER) expression was also derived. Our results are confirmed through comparison with simulations.

Fifth-generation (5G) wireless networks are expected to operate at both microwave and millimeter-wave (mmWave) frequency bands, including frequencies in the range of 24 to 86 GHz. Radio propagation models are used to help engineers design, deploy, and compare candidate wireless technologies, and have a profound impact on the decisions of almost every aspect of wireless communications. This paper provides a comprehensive overview of the channel models that will likely be used in the design of 5G radio systems. We start with a discussion on the framework of channel models, which consists of classical models of path loss versus distance, large-scale, and small-scale fading models, and multiple-input multiple-output channel models. Then, key differences between mmWave and microwave channel models are presented, and two popular mmWave channel models are discussed: the 3rd Generation Partnership Project model, which is adopted by the International Telecommunication Union, and the NYUSIM model, which was developed from several years of field measurements in New York City. Examples on how to apply the channel models are then given for several diverse applications demonstrating the wide impact of the models and their parameter values, where the performance comparisons of the channel models are done with promising hybrid beamforming approaches, including leveraging coordinated multipoint transmission. These results show that the answers to channel performance metrics, such as spectrum efficiency, coverage, hardware/signal processing requirements, etc., are extremely sensitive to the choice of channel models.

Fifth generation cellular systems will be deployed in the microwave and millimeterwave (mmWave) frequency bands (i.e., between 0.5100 GHz). Propagation characteristics at these bands have a fundamental impact on each aspect of the cellular architecture, ranging from equipment design to real-time performance in the field. While we have a reasonable understanding of the propagation characteristics at microwave (<; 6 GHz) frequencies, the same cannot be said for mmWave. This article explains key differences in the propagation characteristics between the microwave and mmWave bands, and further gives examples of how these differences impact 5G system design.