毫米波在5G時代移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場景介紹

 移動通信

 部署一張切實可行的5G網(wǎng)絡(luò),頻譜的選擇和可利用性是最重要的因素,沒有足夠的優(yōu)質(zhì)頻譜,5G技術(shù)再厲害也展示不出來。毫米波具有頻率高、波長短、可靠性高、方向性好等特點,在5G時代更高速率、更低能耗、更多連接的愿景下,毫米波將成為5G的重要組成部分,甚至成為全球競爭的焦點。

 毫米波基站應(yīng)用場景

 由于毫米波技術(shù)具備足夠量的可用帶寬和較高的天線增益,其可以支持超高速的傳輸速率,且波束窄,靈活可控,可以連接大量設(shè)備。毫米波在5G時代的多種無線接入技術(shù)疊加型移動通信網(wǎng)絡(luò)中可以有兩種應(yīng)用場景。

 一是毫米波小基站,可增強高速環(huán)境下移動通信的使用體驗,在傳統(tǒng)的多種無線接入技術(shù)疊加型網(wǎng)絡(luò)中,宏基站與小基站均工作于低頻段,這就帶來了頻繁切換的問題,用戶體驗差,為解決這一關(guān)鍵問題,在未來的疊加型網(wǎng)絡(luò)中,宏基站工作于低頻段并作為移動通信的控制平面,毫米波小基站工作于高頻段并作為移動通信的用戶數(shù)據(jù)平面。

 二是基于毫米波的移動通信回程(基站回傳),在采用毫米波信道作為移動通信的回程后,疊加型網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)將具有很大的靈活性,在未來的5G時代,小/微基站的數(shù)目將非常龐大,而且部署方式也將非常復(fù)雜,可以隨時隨地根據(jù)數(shù)據(jù)流量增長需求部署新的小基站或者微站,并可以在空閑時段或輕流量時段靈活、實時關(guān)閉某些小基站,從而可以收到節(jié)能降耗之效。到了5G時代,更多的物-物連接接入網(wǎng)絡(luò),異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)的密度將會大大增加。

 毫米波小站/微站研發(fā)情況

 為了實現(xiàn)n×10Gbit/s的下行數(shù)據(jù)速率,在毫米波5G小站/微基站研發(fā)方面,業(yè)界對于毫米波關(guān)聯(lián)的Massive MIMO技術(shù)進行了大量研究,涉及信號傳播、波形、多址接入與用戶調(diào)度、陣列天線、預(yù)編碼機制、信道建模、信道測量、信道預(yù)估和反饋、前傳/回傳等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域,除了毫米波Massive MIMO,多功能、高寬帶、高集成度、低功耗5G毫米波專用芯片、器件的研發(fā)也取得快速進展。

 比如,在AD/DA方面,Xlinx研制的RF-SoCs把ADC、DAC和RF SOC集成,減少了尺寸,降低了功耗,未來適用于多功能、高寬帶、高集成度、低功耗的毫米波5G微基站;在中頻收發(fā)多功能芯片及射頻前端方面,高通、IBM等企業(yè)的技術(shù)處于領(lǐng)先地位;在5G毫米波關(guān)鍵器件——化合物半導(dǎo)體方面,高通、Qorvo、Globalfoundries等企業(yè)都在GaAs射頻器件領(lǐng)域占據(jù)一席之地。隨著5G毫米波頻段的加入,終端GaAs射頻器件用量將會進一步提升,預(yù)計到2020年,全球GaAs器件市場將超過百億美元;在相當長的時間內(nèi),5G毫米波終端的前端芯片離不開Si工藝,因為Si基(含SiGe)前端芯片在成本、系統(tǒng)功耗上均具有一定優(yōu)勢。

 與此同時,運營商們也在抓緊進行毫米波5G技術(shù)試驗。2019年2月GSA發(fā)布的報告顯示,共有83個國家/地區(qū)的201家運營商在積極投資5G技術(shù)(包括技術(shù)測試、試驗、展示、預(yù)商用);全球5G試驗網(wǎng)中有多達57%使用了毫米波頻段,另外43%使用Sub-6GHz頻段。從運營商們發(fā)布的毫米波5G技術(shù)試驗結(jié)果看來,網(wǎng)絡(luò)吞吐、峰值速率、單用戶體驗速率、時延等均能滿足ITU對于5G系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標要求。

 在進行毫米波5G技術(shù)試驗的過程中,運營商、設(shè)備商、芯片商、測試測量廠商等逐漸形成共識:未來的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須異構(gòu)多層且能支持全頻段接入的低頻、中頻、毫米波頻段無線協(xié)作組網(wǎng)。毫米波單獨組網(wǎng)有著明顯的劣勢,根據(jù)仿真和測試結(jié)果,單基站在28GHz頻段只能覆蓋150米左右,因此與Sub-6GHz頻段協(xié)作組網(wǎng)才是毫米波5G能進行商用的一大前提。高通2018年在美國舊金山進行了5G網(wǎng)絡(luò)模擬實驗,在現(xiàn)有的LTE基站(100%的4G覆蓋)基礎(chǔ)上輔以毫米波基站,實現(xiàn)了毫米波5G網(wǎng)絡(luò)65%的覆蓋率,并實現(xiàn)了5倍的網(wǎng)絡(luò)容量增益。該實驗不但證明了協(xié)作組網(wǎng)的可行性,還表明協(xié)作組網(wǎng)后能達到更高能力。

 上述這些進展不斷加速毫米波5G商用進程。這些進展進一步堅定了業(yè)界對于“毫米波5G”的信心,并將最終確定把包含毫米波無線通信在內(nèi)的全頻譜接入技術(shù)列為5G核心技術(shù)之一。通過全頻譜接入,可以實現(xiàn)以Sub-6GHz頻段5G系統(tǒng)支持n×1Gbit/s高速通信,以毫米波頻段5G系統(tǒng)支持n×10Gbit/s超高速通信。

 我國5G毫米波技術(shù)試驗工作計劃

 從目前毫米波頻段產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況來看,在設(shè)備及芯片方面,國內(nèi)已經(jīng)有高頻技術(shù)及制造能力,之前的北京懷柔外場測試也顯示出國內(nèi)廠商具備高頻技術(shù)能力并已提供相應(yīng)高頻樣機,但距離規(guī)模商用還需進行芯片產(chǎn)業(yè)鏈培育,比如發(fā)展低成本、高工藝的芯片。在測試儀器及儀表方面,目前階段還沒有可支持5G毫米波商用的測試儀表,需要盡快明確頻譜規(guī)劃,以促進儀器儀表廠商投入開發(fā)。未來,IMT-2020(5G)推進組還將繼續(xù)統(tǒng)籌規(guī)劃,分階段推進5G毫米波試驗:2019年8—12月,驗證5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)特性;2020年驗證毫米波基站和終端的功能、性能和互操作,開展高低頻協(xié)同組網(wǎng)驗證;2020—2021年,開展典型場景驗證。

 5G毫米波技術(shù)試驗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境采用MTNet實驗室+懷柔外場,構(gòu)成室內(nèi)外一體化網(wǎng)絡(luò),在前期3.5GHz測試環(huán)境中,增加毫米波測試環(huán)境,支撐毫米波關(guān)鍵技術(shù)測試。懷柔已完成毫米波站址的準備,初步滿足毫米波外場測試需求;已研發(fā)構(gòu)建5G毫米波OTA射頻測試環(huán)境,具備5G基站、終端的OTA射頻測試能力;正在構(gòu)建基站和終端的OTA性能測試環(huán)境,可滿足2020年性能測試需求。

 5G毫米波技術(shù)試驗關(guān)鍵技術(shù)測試主要分為三方面,分別是室內(nèi)功能測試、外場性能測試和基站射頻OTA測試。在測試進展方面,華為、諾基亞貝爾、中興完成了5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)測試的功能、射頻和外場性能;海思、高通進行了5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)的室內(nèi)功能測試。

 在毫米波基站功能測試方面,華為、中興在800MHz總帶寬,諾基亞貝爾、愛立信在400MHz總帶寬配置下進行室內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)測試;諾基亞貝爾、愛立信采用基于高通X50芯片與毫米波射頻模塊的CPE開展測試。海思、高通芯片分別與華為、中興系統(tǒng)配合,開展了毫米波室內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)部分測試。5G毫米波基站工作在24.75~27.5GHz和26.5~27.5GHz。

 我國5G毫米波試驗的目標和任務(wù),主要就是希望能夠通過測試工作來研究和驗證5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)和主要特性,來制定26~28GHz頻段的5G設(shè)備功能和性能的指標要求,指導(dǎo)5G毫米波基站、核心器件和終端的研發(fā)。后續(xù)IMT-2020(5G)推進組將繼續(xù)與國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界一起,共同推動5G毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展、組網(wǎng)研究和行業(yè)探索。

 毫米波5G小站/微站使用下的超密集組網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法

 超密集組網(wǎng)(Ultra-Dense Network,UDN)是基于小微基站的技術(shù)研究,它是5G階段引起業(yè)界普遍關(guān)注的技術(shù)研究方向和網(wǎng)絡(luò)站點規(guī)劃重要方式。從中國移動部署來看,在毫米波基站成熟商用之前,未來幾年建議逐漸采用4G/5G協(xié)同的方法進行目標網(wǎng)建網(wǎng),如圖1所示。

 毫米波在5G時代移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場景介紹

 圖1  4G/5G協(xié)同組網(wǎng)規(guī)劃

 超密度異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)是指為應(yīng)對未來持續(xù)增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求,采用更加密集的小區(qū)進行立體網(wǎng)絡(luò)覆蓋的部署技術(shù),它將成為5G提升網(wǎng)絡(luò)總體性能的一種方法。無線物理層技術(shù),如編碼技術(shù)、MAC、調(diào)制技術(shù)和多址技術(shù)等,只能提升約10倍的頻譜效率,即便采用更寬的帶寬也只能提升幾十倍的傳輸速率,遠遠不能滿足5G的需求,采用頻譜資源的空間復(fù)用帶來的頻譜效率提升的增益達到千倍以上,通過減小小區(qū)半徑,采用UDN網(wǎng)絡(luò)部署,增加單位面積內(nèi)小微基站的密度,通過在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中引入超大規(guī)模低功率節(jié)點實現(xiàn)熱點增強、消除盲點、改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高系統(tǒng)容量,打破了傳統(tǒng)的扁平單層宏網(wǎng)絡(luò)覆蓋,使得多層立體異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生,可顯著提高頻譜效率,改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋,大幅度提升系統(tǒng)容量,通過增加小區(qū)數(shù)和信道數(shù),成倍提升容量,同時UDN具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用能力。

 UDN采用虛擬層技術(shù),宏基站小區(qū)作為虛擬層,虛擬宏小區(qū)承載控制信令,負責移動性管理;實體微基站小區(qū)作為實體層,微小區(qū)承載數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)可通過單載波或者多載波實現(xiàn)。單載波方案通過不同的信號或者信道構(gòu)建虛擬多層網(wǎng)絡(luò);多載波方案通過不同的載波構(gòu)建虛擬多層網(wǎng)絡(luò),將多個物理小區(qū)(或多個物理小區(qū)上的一部分資源)虛擬成一個邏輯小區(qū)。虛擬小區(qū)的資源構(gòu)成和設(shè)置可以根據(jù)用戶的移動、業(yè)務(wù)需求等動態(tài)配置和更改。虛擬層和以用戶為中心的虛擬小區(qū)可以解決超密集組網(wǎng)中的移動性問題。如圖2所示,在傳統(tǒng)的多種無線接入技術(shù)疊加型網(wǎng)絡(luò)中,宏基站與小基站均工作于低頻段,這就帶來了頻繁切換的問題,用戶體驗差。為解決這一關(guān)鍵問題,在未來的疊加型網(wǎng)絡(luò)中,宏基站工作于低頻段并作為移動通信的控制平面、毫米波小基站工作于高頻段并作為移動通信的用戶數(shù)據(jù)平面。

 毫米波在5G時代移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場景介紹

 圖2  疊加型網(wǎng)絡(luò)中毫米波小基站應(yīng)用類型

 超密度異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)也增強了網(wǎng)絡(luò)的靈活性,可以針對用戶的臨時性需求和季節(jié)性需求快速部署新的小區(qū)。在未來的5G時代,小/微基站的數(shù)目將非常龐大,而且部署方式也將非常復(fù)雜,可以隨時隨地根據(jù)數(shù)據(jù)流量增長需求部署新的小基站,并可以在空閑時段或輕流量時段靈活、實時關(guān)閉某些小基站,從而收到節(jié)能降耗之效。

 在這一技術(shù)背景下,未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將形成“宏蜂窩+長期微蜂窩+臨時微蜂窩”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(如圖3所示)。這一結(jié)構(gòu)將大大降低網(wǎng)絡(luò)性能對于網(wǎng)絡(luò)前期規(guī)劃的依賴,為5G時代實現(xiàn)更加靈活自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)提供保障。

 毫米波在5G時代移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場景介紹

 圖3  未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

 到了5G時代,更多的物-物連接接入網(wǎng)絡(luò),立體組網(wǎng)的密度將會大大增加。與此同時,小區(qū)密度的增加也會帶來網(wǎng)絡(luò)容量和無線資源利用率的大幅度提升。有仿真結(jié)果表明,當宏小區(qū)用戶數(shù)為200時,僅將微蜂窩的滲透率提高到20%,就可能帶來理論上1000倍的小區(qū)容量提升(如圖4所示)。同時,這一性能的提升會隨著用戶數(shù)量的增加而更加明顯。考慮到5G主要的服務(wù)區(qū)域是城區(qū)等人員密度較大的區(qū)域,因此,超密度異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)將會給5G的發(fā)展帶來巨大潛力。

 當然,UDN所帶來的小區(qū)間干擾也將成為5G面臨的重要技術(shù)難題。目前,在這一領(lǐng)域的研究中,除了傳統(tǒng)的基于時域、頻域、功率域的干擾協(xié)調(diào)機制外,3GPP Rel-11提出了進一步增強的小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)(eICIC),包括通用參考信號(CRS)抵消技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)的小區(qū)檢測和干擾消除技術(shù)等。這些eICIC技術(shù)均在不同的自由度上,通過調(diào)度使得相互干擾的信號互相正交,從而消除干擾。除此之外,還有一些新技術(shù)的引入也為干擾管理提供了新的手段,如認知技術(shù)、干擾消除和干擾對齊技術(shù)等。隨著相關(guān)技術(shù)難題的陸續(xù)解決,在5G網(wǎng)絡(luò)中,UDN技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

 毫米波在5G時代移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場景介紹

 圖4  UDN技術(shù)帶來的系統(tǒng)容量提升

 5G時代超密集組網(wǎng)的典型應(yīng)用場景很多,包括機場、密集住宅、密集商業(yè)區(qū)和街區(qū)、校園、大型集會、體育場、地鐵等。但隨著5G使用頻段的升高,5G宏基站信號在穿透墻壁時相比4G衰減更大,室內(nèi)信號覆蓋難度凸顯。室外5G宏基站信號在穿透磚墻、玻璃和水泥等障礙物后只能提供淺層的室內(nèi)覆蓋,無法保證室內(nèi)深度覆蓋所需要的良好體驗,因此需要更多的小微基站。

 毫米波基站部署需總體規(guī)劃

 由于毫米波基站數(shù)量眾多,安裝、管理復(fù)雜,故毫米波基站部署需從整體規(guī)劃。同時,毫米波基站自身還需具備易于安裝部署和一定的故障自檢、自優(yōu)化的能力。毫米波基站的部署數(shù)量逐步增加后,運營商需要設(shè)置統(tǒng)一的網(wǎng)管進行毫米波基站管理。

 運營商在最初規(guī)劃的時候,需要在架構(gòu)上考慮毫米波基站演進、部署的問題,把宏基站和毫米波基站納入管理范圍,從架構(gòu)上考慮宏微協(xié)同組網(wǎng)。同時,宏基站跟毫米波基站之間有比較密切的互操作,運營商需控制節(jié)點,對宏基站、毫米波基站進行協(xié)同。在室外場景的組網(wǎng)應(yīng)用中,宏微協(xié)同始終是組網(wǎng)的關(guān)鍵性能需求,尤其在5G時代,宏站覆蓋縮水的情況下需要大量的微站進行網(wǎng)絡(luò)補充。而運營商對5G網(wǎng)絡(luò)性能的要求不會低于4G。因此與宏站協(xié)同將是5G室外毫米波基站必須關(guān)注的問題。

 從5G毫米波基站部署的節(jié)奏上來看,5G組網(wǎng)的順序一定也是先部署宏基站再部署毫米波基站,但兩者部署的間隔不會太長,無需像4G一樣在深度覆蓋階段再大規(guī)模部署,這也就意味著毫米波基站供應(yīng)商的產(chǎn)品一旦成熟,放量的步伐會更快。

 5G向垂直行業(yè)的拓展也為毫米波基站提供了新的應(yīng)用場景,例如可以將毫米波基站與下沉核心網(wǎng)、邊緣計算等技術(shù)結(jié)合,形成易于靈活部署、更加個性化的端到端解決方案。

 小結(jié)

 部署一個切實可行的5G網(wǎng)絡(luò),頻譜的選擇和可利用性是最重要的因素,因為這將決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、容量和延遲。4G數(shù)據(jù)傳輸能力無法滿足當前的需求,而5G的升級將通過部署使用毫米波、Sub-6GHz頻段或兩者混用的方式組網(wǎng)來解決速度和衰減的問題。由于我國5G發(fā)展策略是先部署6GHz以下的中頻段,所以5G毫米波頻段的產(chǎn)業(yè)化速度沒有中頻段快。中國移動對毫米波的商用設(shè)定于2022年。毫米波適用于有限、人口密集的地理區(qū)域,而Sub-6GHz則用于覆蓋廣泛地區(qū)。