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5G技術(shù)研發(fā)試驗規(guī)劃了以下4個頻段: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)了我國大力支持5G國際標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)驗證、加速推進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。此白皮書由中國移動、中興和華為共同起草。

以下是該文檔的關(guān)鍵內(nèi)容摘錄,詳細內(nèi)容還請到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,4G和5G時代增加天線的數(shù)目不可避免。大規(guī)模天線技術(shù)勢必是未來5G時代的核心技術(shù)之一。

大規(guī)模天線技術(shù)使4G能夠保持連續(xù)演進。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,它可以使4G網(wǎng)絡(luò)滿足網(wǎng)絡(luò)增長需求。從運營商的角度看,這項技術(shù)具有較好的前景,因此應(yīng)當(dāng)提前在5G硬件中實施,并通過軟件升級來提供5G空中接口功能,以促進5G的部署。

作為4G時代的大規(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,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。這種顯著增益會激勵運營商完全顛覆其網(wǎng)絡(luò)建設(shè)策略。

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

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

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

1. 介紹
1.1. 背景

2G時代話音和短信業(yè)務(wù)為主,3G時代website和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主,4G時代則以視頻和在線游戲為主。隨著業(yè)務(wù)的變化,用戶對網(wǎng)絡(luò)容量和時延的需求越來越強烈。未來2018年,虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實類應(yīng)用則將會大力發(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,從2015年到2020年,移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的年度復(fù)合增長率將會達到53%,如下圖所示:

為了應(yīng)對上述挑戰(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。

1.2. 白皮書目的

4G向5G演進過程中,mMIMO多天線技術(shù)對運營商來說,起著重要的作用。話務(wù)快速增長條件下,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,如何進行4G演進以滿足垂直行業(yè)和應(yīng)用的發(fā)展需求,對運營商來說極為重要。這些需求對網(wǎng)絡(luò)都帶來新的需求。ITU在最終定義5G需求并進行標(biāo)準(zhǔn)制定的時候,如何滿足頻譜效率的需求也是運營商優(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。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)原則以及測試結(jié)果,可作為運營商和行工業(yè)伙伴在4G演進和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

• 典型場景下mMIMO的測試結(jié)果

• 4.5G和5G系統(tǒng)中mMIMO的商用路標(biāo)

• mMIMO商用產(chǎn)品的需求和進一步增強

2. mMIMO的原理
2.1 mMIMO的基本原理

mMIMO作為5G的一個候選技術(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,信號可以在水平和垂直方向進行動態(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UE間的空間復(fù)用。

采用大量收發(fā)信機(TRX)與多個天線陣列,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。

簡而言之,mMIMO系統(tǒng)定義為:

• 大量收發(fā)信機(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實施中的優(yōu)勢

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,同時便于從4G演進到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,因此能夠天然地適用于64個以上天線的波束賦形。部署TDD mMIMO的另外一個好處就是現(xiàn)有的商用3GPP R8/R9 UE無需升級即可使用。

3. 典型場景下mMIMO的測試結(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。mMIMO已經(jīng)在商用網(wǎng)絡(luò)中進行了測試,在一些典型場景中獲得了顯著的性能。在大容量熱點場景下,mMIMO采用空間復(fù)用來為更多用戶提供服務(wù),從而增強了網(wǎng)絡(luò)容量。在3D覆蓋場景下,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)用場景
3.1.1 熱點場景

當(dāng)前,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的特點就是在20%的熱點區(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,即人流集中、話務(wù)負荷高、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覆蓋場景

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

• 需要采用多個天線提供高層覆蓋,但是站點難以獲取。

• 信號穿透墻壁后會變得很弱。

• 上行信號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具有以下獨有的特性:

• 垂直面采用大量天線陣列,顯著增強了高層覆蓋。

• 采用波束賦形增益彌補了穿透損耗。

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

3.2 峰值吞吐量測試

在北京的典型室外場景下測試峰值速率,多個UE進行滿buffer下載,圖中采用黃星表示。mMIMO基站采用64收發(fā)信機(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 熱點場景

北京某個校園環(huán)境下,mMIMO顯著提升了系統(tǒng)容量。KPI監(jiān)測顯示,商用終端non-full buffer話務(wù)條件下,相對于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演進到5G
4.1 mMIMO到5G的演進之路(Roadmap)

在4G到5G的演進過程中,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進一步增強以支持3GPP Rel 13/Rel 14終端以及5G

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

mMIMO是當(dāng)前移動通信系統(tǒng)中最具破壞性(disruptive)的技術(shù)演進,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。在主要移動運營商的帶領(lǐng)下,業(yè)界持續(xù)努力,將mMIMO從實驗室樣機變成了商用產(chǎn)品,并成為獲取網(wǎng)絡(luò)容量快速增長的主要手段。

未來數(shù)年,mMIMO大規(guī)模商用部署成本需要進一步降低,工程規(guī)范需要持續(xù)改進,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順利演進到5G。

4.3.1.2 到5G的順利演進

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)級來看,這些候選技術(shù)或者完全由基帶單元處理,或者獨立于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,就可以應(yīng)用5G基帶單元,升級到5G系統(tǒng)了。

mMIMO產(chǎn)品中需要考慮相關(guān)的增強,這對5G硬件的提前具備、升級支持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

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,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時代網(wǎng)絡(luò)需求增長的要求。這項技術(shù)需要5G硬件提前支持此功能,并通過軟件升級提供5G空口功能,方便5G部署。先網(wǎng)測試結(jié)果證明,mMIMO技術(shù)在一些典型場景下具有明顯的好處,如熱點高容量地區(qū)以及高覆蓋需求場景下。這項革命性的技術(shù)為4G網(wǎng)絡(luò)的演進和未來5G網(wǎng)絡(luò)的部署以及業(yè)界的進步奠定了堅實的基礎(chǔ)。

來源:5G通信技術(shù)

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