大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO ）白皮書 V0.1

2017-08-11  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

GTI 大規(guī)模天線白皮書 V0.1

CMCC, Huawei, ZTE

截止目前,工信部為我國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)規(guī)劃了以下4個(gè)頻段:3.3-3.6GHz頻段、4.8-5.0GHz頻段、24.75-27.5 GHz頻段、37-42.5GHz頻段。充分體現(xiàn)了我國(guó)大力支持5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)驗(yàn)證、加速推進(jìn)5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展的決心。而大規(guī)模天線技術(shù)無疑是5G系統(tǒng)中的最關(guān)鍵的技術(shù)之一。

那么,大規(guī)模天線到底是什么哪?它的概念、基本特性和性能是什么,在5G系統(tǒng)中又和那些關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)哪?

讓我們借助GTI(Global TD-LTE Initiative) 于2017年2月發(fā)布的《Massive MIMO White Paper V0.1》來學(xué)習(xí)和了解下吧。此白皮書由中國(guó)移動(dòng)、中興和華為共同起草。

以下是該文檔的關(guān)鍵內(nèi)容摘錄,詳細(xì)內(nèi)容還請(qǐng)到GTI網(wǎng)頁下載學(xué)習(xí)。

GTI - Massive MIMO White Paper -170125(EN V6)
http://lte-tdd.org/Resources/rep/2017-03-01/10185.html

前言

為了滿足話務(wù)需求的急速增長(zhǎng),4G和5G時(shí)代增加天線的數(shù)目不可避免。大規(guī)模天線技術(shù)勢(shì)必是未來5G時(shí)代的核心技術(shù)之一。

大規(guī)模天線技術(shù)使4G能夠保持連續(xù)演進(jìn)。采用大規(guī)模天線,可以顯著增加頻譜效率,尤其在容量需求較大或者覆蓋范圍較廣時(shí),它可以使4G網(wǎng)絡(luò)滿足網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)需求。從運(yùn)營(yíng)商的角度看,這項(xiàng)技術(shù)具有較好的前景,因此應(yīng)當(dāng)提前在5G硬件中實(shí)施,并通過軟件升級(jí)來提供5G空中接口功能,以促進(jìn)5G的部署。

作為4G時(shí)代的大規(guī)模天線技術(shù),大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是4G部署以來最有效的技術(shù),它利用LTE TDD頻譜的無可比擬的優(yōu)勢(shì),在網(wǎng)絡(luò)性能方面獲得了革命性突破,這種革新技術(shù)是未來網(wǎng)絡(luò)大發(fā)展的前奏:

• 采用大規(guī)模天線陣列mMIMO,頻譜效率比普通宏基站增加3到5倍。這種顯著增益會(huì)激勵(lì)運(yùn)營(yíng)商完全顛覆其網(wǎng)絡(luò)建設(shè)策略。

• mMIMO增加了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的靈活性,運(yùn)營(yíng)商可以利用mMIMO的水平和垂直覆蓋特性來提供不同場(chǎng)景下的覆蓋。

• 采用驚人的高容量增益,mMIMO有望幫助運(yùn)營(yíng)商使用機(jī)器靈活的計(jì)費(fèi)政策來吸引用戶,提供無與倫比的用戶體驗(yàn),刺激用戶數(shù)據(jù)消費(fèi),獲得話務(wù)收益,增加運(yùn)營(yíng)商收入。

• mMIMO與4G終端兼容,運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)在就可以從4G網(wǎng)絡(luò)部署中獲取收益。同時(shí),它還支持面向5G的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn),從而保持和提升現(xiàn)有投資的回報(bào)。

1. 介紹
1.1. 背景

2G時(shí)代話音和短信業(yè)務(wù)為主,3G時(shí)代website和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主,4G時(shí)代則以視頻和在線游戲?yàn)橹?。隨著業(yè)務(wù)的變化,用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和時(shí)延的需求越來越強(qiáng)烈。未來2018年,虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)類應(yīng)用則將會(huì)大力發(fā)展,從而帶來數(shù)據(jù)流量的激增。根據(jù)Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2015–2020的預(yù)測(cè),從2015年到2020年,移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的年度復(fù)合增長(zhǎng)率將會(huì)達(dá)到53%,如下圖所示:

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),LTE網(wǎng)絡(luò)中引入了mMIMO技術(shù),來提升頻譜效率、信道容量和鏈路可靠性。5G會(huì)采用更高的頻段,而LTE TDD在部署高頻段mMIMO方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.2. 白皮書目的

4G向5G演進(jìn)過程中,mMIMO多天線技術(shù)對(duì)運(yùn)營(yíng)商來說,起著重要的作用。話務(wù)快速增長(zhǎng)條件下,如何利用現(xiàn)有的LTE投資來不斷地滿足話務(wù)需求,如何保持現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的收益,如何進(jìn)行4G演進(jìn)以滿足垂直行業(yè)和應(yīng)用的發(fā)展需求,對(duì)運(yùn)營(yíng)商來說極為重要。這些需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)都帶來新的需求。ITU在最終定義5G需求并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定的時(shí)候,如何滿足頻譜效率的需求也是運(yùn)營(yíng)商優(yōu)先關(guān)注的問題。

LTE TDD在采用mMIMO方面具有內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)。為了在4G和5G部署中采用mMIMO技術(shù),本白皮書描述了技術(shù)原則以及測(cè)試結(jié)果,可作為運(yùn)營(yíng)商和行工業(yè)伙伴在4G演進(jìn)和5G部署方面的參考資料。

白皮書包括以下內(nèi)容:

• mMIMO原理和TDD方面的優(yōu)勢(shì)

• 典型場(chǎng)景下mMIMO的測(cè)試結(jié)果

• 4.5G和5G系統(tǒng)中mMIMO的商用路標(biāo)

• mMIMO商用產(chǎn)品的需求和進(jìn)一步增強(qiáng)

2. mMIMO的原理
2.1 mMIMO的基本原理

mMIMO作為5G的一個(gè)候選技術(shù),通過在基站側(cè)采用大量天線來提升數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性。在采用大天線陣列的mMIMO系統(tǒng)中,信號(hào)可以在水平和垂直方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,因此能量能夠更加準(zhǔn)確地集中指向特定的UE,從而減少了小區(qū)間干擾,能夠支持多個(gè)UE間的空間復(fù)用。

采用大量收發(fā)信機(jī)(TRX)與多個(gè)天線陣列,可以將波束賦形與用戶間的空間復(fù)用相結(jié)合,大力提升區(qū)域頻譜效率。

簡(jiǎn)而言之,mMIMO系統(tǒng)定義為:

• 大量收發(fā)信機(jī)(TRX)

• 空間復(fù)用特性

• 多用戶調(diào)度(MU-MIMO)

• 上下行方向上的大量高增益天線陣列

2.2 TDD在mMIMO實(shí)施中的優(yōu)勢(shì)

在mMIMO中采用TDD技術(shù)有助于在頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)性能和容量方面提供較大的優(yōu)勢(shì),同時(shí)便于從4G演進(jìn)到5G網(wǎng)絡(luò)。

由于上下行信道間的互易性,TDD基站能夠得到完整的非量化的下行信道狀態(tài)信息,從而能夠采用更加靈活和準(zhǔn)確的波束賦形技術(shù)提升小區(qū)覆蓋和吞吐量?；诟訙?zhǔn)確的非量化的信道狀態(tài)信息,TDD系統(tǒng)中的多用戶調(diào)度更加靈活和準(zhǔn)確,因此增加了系統(tǒng)容量。反之,FDD基站僅能夠通過UE反饋的碼本得到量化的信道狀態(tài)信息,從而制約了波束賦形和調(diào)度的靈活性。

TDD系統(tǒng)中的信道互易性如此之強(qiáng),因此能夠天然地適用于64個(gè)以上天線的波束賦形。部署TDD mMIMO的另外一個(gè)好處就是現(xiàn)有的商用3GPP R8/R9 UE無需升級(jí)即可使用。

3. 典型場(chǎng)景下mMIMO的測(cè)試結(jié)果

mMIMO與現(xiàn)有的協(xié)議和終端相兼容,可以通過系統(tǒng)側(cè)軟硬件升級(jí)來部署。該技術(shù)大力提升了網(wǎng)絡(luò)覆蓋、頻譜效率、平均小區(qū)邊緣用戶吞吐量以及商用用戶體驗(yàn)。mMIMO已經(jīng)在商用網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了測(cè)試,在一些典型場(chǎng)景中獲得了顯著的性能。在大容量熱點(diǎn)場(chǎng)景下,mMIMO采用空間復(fù)用來為更多用戶提供服務(wù),從而增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)容量。在3D覆蓋場(chǎng)景下,mMIMO技術(shù)提供了靈活的波束賦形容量,可以更好地為高層建筑中的用戶提供服務(wù)。

3.1 典型應(yīng)用場(chǎng)景
3.1.1 熱點(diǎn)場(chǎng)景

當(dāng)前,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的特點(diǎn)就是在20%的熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生超過70%以上的流量,如市區(qū)CBD、商業(yè)中心、交通樞紐、居民區(qū)、大學(xué)校園等,都具有同樣的特點(diǎn),即人流集中、話務(wù)負(fù)荷高、容量不足等。mMIMO可以提供較高的空間復(fù)用增益和較強(qiáng)的波束賦形能力,從而滿足這些區(qū)域內(nèi)的容量需求。

3.1.2 3D覆蓋場(chǎng)景

高層建筑內(nèi),網(wǎng)絡(luò)覆蓋通常較差,且覆蓋增強(qiáng)面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn),比如:

• 需要采用多個(gè)天線提供高層覆蓋,但是站點(diǎn)難以獲取。

• 信號(hào)穿透墻壁后會(huì)變得很弱。

• 上行信號(hào)傳輸增加了建筑物中的小區(qū)間干擾。

高層建筑中的話務(wù)通常比較集中(intensive),為了滿足話務(wù)需求,mMIMO具有以下獨(dú)有的特性:

• 垂直面采用大量天線陣列,顯著增強(qiáng)了高層覆蓋。

• 采用波束賦形增益彌補(bǔ)了穿透損耗。

• 靈活地按需進(jìn)行波束寬度和方向的調(diào)整,降低小區(qū)間干擾,增強(qiáng)3D覆蓋和容量。

3.2 峰值吞吐量測(cè)試

在北京的典型室外場(chǎng)景下測(cè)試峰值速率,多個(gè)UE進(jìn)行滿buffer下載,圖中采用黃星表示。mMIMO基站采用64收發(fā)信機(jī)(TRX)天線,而當(dāng)前商用基站僅采用了8TRX。

mMIMO下,基站下行峰值吞吐量為660Mbps,是8TRX天線的6倍(600%)。

3.3 商用網(wǎng)絡(luò)中的性能

目前,mMIMO已經(jīng)在商用網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了部署,在只有商用終端條件下,mMIMO性能KPI如何變化是本章分析的內(nèi)容。

3.3.1 熱點(diǎn)場(chǎng)景

北京某個(gè)校園環(huán)境下,mMIMO顯著提升了系統(tǒng)容量。KPI監(jiān)測(cè)顯示,商用終端non-full buffer話務(wù)條件下,相對(duì)于8TRX,64TRX的上下行頻譜效率分別提升255%和305%。

3.3.2 3D覆蓋場(chǎng)景

北京某站下,mMIMO顯著提升了高層居住區(qū)的覆蓋性能。相比8TRX,64TRX減少了垂直面的覆蓋空洞。

4. mMIMO如何從4.5G演進(jìn)到5G
4.1 mMIMO到5G的演進(jìn)之路(Roadmap)

在4G到5G的演進(jìn)過程中,LTE TDD mMIMO希望在商用部署和發(fā)展方面得到更大應(yīng)用。下面為mMIMO從4G演進(jìn)到未來5G系統(tǒng)的路標(biāo)。

4.2 目前階段mMIMO商用產(chǎn)品概覽
4.2.1 華為mMIMO產(chǎn)品

4.2.2 中興mMIMO產(chǎn)品

4.3 mMIMO進(jìn)一步增強(qiáng)以支持3GPP Rel 13/Rel 14終端以及5G

4.3.1 基站演進(jìn)
4.3.1.1 增強(qiáng)綜合容量并降低大規(guī)模部署的成本

mMIMO是當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)中最具破壞性(disruptive)的技術(shù)演進(jìn),它利用多天線技術(shù)顯著提升頻譜效率、滿足網(wǎng)絡(luò)大容量的需求。在主要移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的帶領(lǐng)下,業(yè)界持續(xù)努力,將mMIMO從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)變成了商用產(chǎn)品,并成為獲取網(wǎng)絡(luò)容量快速增長(zhǎng)的主要手段。

未來數(shù)年,mMIMO大規(guī)模商用部署成本需要進(jìn)一步降低,工程規(guī)范需要持續(xù)改進(jìn),以便mMIMO能夠迅速部署,并在低功耗條件下工作。

從4G到5G演進(jìn)過程中,業(yè)界需要考慮如何共享4G和5G的設(shè)備硬件、頻譜、功率以及其他資源,以便mMIMO順利演進(jìn)到5G。

4.3.1.2 到5G的順利演進(jìn)

5G規(guī)范尚未終結(jié),當(dāng)前,空口候選方案包括:

• 波形技術(shù):基于OFDM,可能存在新波形如f-OFDM等。

• 幀結(jié)構(gòu):多種參數(shù)集,1ms或者更短的TTI,自包含子幀,動(dòng)態(tài)TDD,靈活全雙工

• 多址接入技術(shù):正交復(fù)用多址,非正交復(fù)用多址

• 調(diào)制技術(shù):高階調(diào)制,如下行1024QAM,上行256QAM

• 編碼技術(shù):LDPC碼和Polar碼

從系統(tǒng)級(jí)來看,這些候選技術(shù)或者完全由基帶單元處理,或者獨(dú)立于RF硬件來處理。因此,僅通過基帶單元的硬件增加或者更換]以及mMIMO RF單元的軟件升級(jí),就可以應(yīng)用5G基帶單元,升級(jí)到5G系統(tǒng)了。

mMIMO產(chǎn)品中需要考慮相關(guān)的增強(qiáng),這對(duì)5G硬件的提前具備、升級(jí)支持5G新空口相關(guān)功能、5G的部署等方面都相當(dāng)重要。

4.3.2 終端演進(jìn)

終端是無線網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分,終端技術(shù)的發(fā)展使得終端能夠在mMIMO環(huán)境下工作,充分利用mMIMO的技術(shù)特性,顯著提升單用戶容量和網(wǎng)絡(luò)容量。

終端側(cè)將從以下方面演進(jìn),以更好地支持mMIMO技術(shù):

• 支持3GPP R13、R14和R15中定義的mMIMO優(yōu)化,以提升網(wǎng)絡(luò)性能。

• 終端支持4或8接收天線,以支持下行的4或者8層,提升單用戶性能。

• 支持上行多天線傳送技術(shù),如天線選擇性發(fā)送SRS,以支持2/4/8層下的上行單用戶發(fā)送以及上行波束賦形,增強(qiáng)上行單用戶速率和覆蓋。

• 支持更高發(fā)射功率,提高上行覆蓋。

5. 結(jié)論

LTE TDD具備一些內(nèi)在特性,有利于采用mMIMO技術(shù)。在4G演進(jìn)過程中采用大規(guī)模天線技術(shù),可以顯著提高頻譜效率,尤其在容量需求大、覆蓋要求高的地區(qū),使4G網(wǎng)絡(luò)滿足4.5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)需求增長(zhǎng)的要求。這項(xiàng)技術(shù)需要5G硬件提前支持此功能,并通過軟件升級(jí)提供5G空口功能,方便5G部署。先網(wǎng)測(cè)試結(jié)果證明,mMIMO技術(shù)在一些典型場(chǎng)景下具有明顯的好處,如熱點(diǎn)高容量地區(qū)以及高覆蓋需求場(chǎng)景下。這項(xiàng)革命性的技術(shù)為4G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和未來5G網(wǎng)絡(luò)的部署以及業(yè)界的進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

來源:5G通信技術(shù)

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