毫米波在5G时代移动通信网络中的应用场景介绍
部署一张切实可行的5G网络,频谱的选择和可利用性是最重要的因素,没有足够的优质频谱,5G技术再厉害也展示不出来。毫米波具有频率高、波长短、可靠性高、方向性好等特点,在5G时代更高速率、更低能耗、更多连接的愿景下,毫米波将成为5G的重要组成部分,甚至成为全球竞争的焦点。
毫米波基站应用场景
由于毫米波技术具备足够量的可用带宽和较高的天线增益,其可以支持超高速的传输速率,且波束窄,灵活可控,可以连接大量设备。毫米波在5G时代的多种无线接入技术叠加型移动通信网络中可以有两种应用场景。
一是毫米波小基站,可增强高速环境下移动通信的使用体验,在传统的多种无线接入技术叠加型网络中,宏基站与小基站均工作于低频段,这就带来了频繁切换的问题,用户体验差,为解决这一关键问题,在未来的叠加型网络中,宏基站工作于低频段并作为移动通信的控制平面,毫米波小基站工作于高频段并作为移动通信的用户数据平面。
二是基于毫米波的移动通信回程(基站回传),在采用毫米波信道作为移动通信的回程后,叠加型网络的组网将具有很大的灵活性,在未来的5G时代,小/微基站的数目将非常庞大,而且部署方式也将非常复杂,可以随时随地根据数据流量增长需求部署新的小基站或者微站,并可以在空闲时段或轻流量时段灵活、实时关闭某些小基站,从而可以收到节能降耗之效。到了5G时代,更多的物-物连接接入网络,异构网络(HetNet)的密度将会大大增加。
毫米波小站/微站研发情况
为了实现n×10Gbit/s的下行数据速率,在毫米波5G小站/微基站研发方面,业界对于毫米波关联的Massive MIMO技术进行了大量研究,涉及信号传播、波形、多址接入与用户调度、阵列天线、预编码机制、信道建模、信道测量、信道预估和反馈、前传/回传等诸多关键领域,除了毫米波Massive MIMO,多功能、高宽带、高集成度、低功耗5G毫米波专用芯片、器件的研发也取得快速进展。
比如,在AD/DA方面,Xlinx研制的RF-SoCs把ADC、DAC和RF SOC集成,减少了尺寸,降低了功耗,未来适用于多功能、高宽带、高集成度、低功耗的毫米波5G微基站;在中频收发多功能芯片及射频前端方面,高通、IBM等企业的技术处于领先地位;在5G毫米波关键器件——化合物半导体方面,高通、Qorvo、Globalfoundries等企业都在GaAs射频器件领域占据一席之地。随着5G毫米波频段的加入,终端GaAs射频器件用量将会进一步提升,预计到2020年,全球GaAs器件市场将超过百亿美元;在相当长的时间内,5G毫米波终端的前端芯片离不开Si工艺,因为Si基(含SiGe)前端芯片在成本、系统功耗上均具有一定优势。
与此同时,运营商们也在抓紧进行毫米波5G技术试验。2019年2月GSA发布的报告显示,共有83个国家/地区的201家运营商在积极投资5G技术(包括技术测试、试验、展示、预商用);全球5G试验网中有多达57%使用了毫米波频段,另外43%使用Sub-6GHz频段。从运营商们发布的毫米波5G技术试验结果看来,网络吞吐、峰值速率、单用户体验速率、时延等均能满足ITU对于5G系统的关键性能指标要求。
在进行毫米波5G技术试验的过程中,运营商、设备商、芯片商、测试测量厂商等逐渐形成共识:未来的5G网络架构必须异构多层且能支持全频段接入的低频、中频、毫米波频段无线协作组网。毫米波单独组网有着明显的劣势,根据仿真和测试结果,单基站在28GHz频段只能覆盖150米左右,因此与Sub-6GHz频段协作组网才是毫米波5G能进行商用的一大前提。高通2018年在美国旧金山进行了5G网络模拟实验,在现有的LTE基站(100%的4G覆盖)基础上辅以毫米波基站,实现了毫米波5G网络65%的覆盖率,并实现了5倍的网络容量增益。该实验不但证明了协作组网的可行性,还表明协作组网后能达到更高能力。
上述这些进展不断加速毫米波5G商用进程。这些进展进一步坚定了业界对于“毫米波5G”的信心,并将最终确定把包含毫米波无线通信在内的全频谱接入技术列为5G核心技术之一。通过全频谱接入,可以实现以Sub-6GHz频段5G系统支持n×1Gbit/s高速通信,以毫米波频段5G系统支持n×10Gbit/s超高速通信。
我国5G毫米波技术试验工作计划
从目前毫米波频段产业发展的情况来看,在设备及芯片方面,国内已经有高频技术及制造能力,之前的北京怀柔外场测试也显示出国内厂商具备高频技术能力并已提供相应高频样机,但距离规模商用还需进行芯片产业链培育,比如发展低成本、高工艺的芯片。在测试仪器及仪表方面,目前阶段还没有可支持5G毫米波商用的测试仪表,需要尽快明确频谱规划,以促进仪器仪表厂商投入开发。未来,IMT-2020(5G)推进组还将继续统筹规划,分阶段推进5G毫米波试验:2019年8—12月,验证5G毫米波关键技术和系统特性;2020年验证毫米波基站和终端的功能、性能和互操作,开展高低频协同组网验证;2020—2021年,开展典型场景验证。
5G毫米波技术试验网络环境采用MTNet实验室+怀柔外场,构成室内外一体化网络,在前期3.5GHz测试环境中,增加毫米波测试环境,支撑毫米波关键技术测试。怀柔已完成毫米波站址的准备,初步满足毫米波外场测试需求;已研发构建5G毫米波OTA射频测试环境,具备5G基站、终端的OTA射频测试能力;正在构建基站和终端的OTA性能测试环境,可满足2020年性能测试需求。
5G毫米波技术试验关键技术测试主要分为三方面,分别是室内功能测试、外场性能测试和基站射频OTA测试。在测试进展方面,华为、诺基亚贝尔、中兴完成了5G毫米波关键技术测试的功能、射频和外场性能;海思、高通进行了5G毫米波关键技术的室内功能测试。
在毫米波基站功能测试方面,华为、中兴在800MHz总带宽,诺基亚贝尔、爱立信在400MHz总带宽配置下进行室内关键技术测试;诺基亚贝尔、爱立信采用基于高通X50芯片与毫米波射频模块的CPE开展测试。海思、高通芯片分别与华为、中兴系统配合,开展了毫米波室内关键技术部分测试。5G毫米波基站工作在24.75~27.5GHz和26.5~27.5GHz。
我国5G毫米波试验的目标和任务,主要就是希望能够通过测试工作来研究和验证5G毫米波关键技术和主要特性,来制定26~28GHz频段的5G设备功能和性能的指标要求,指导5G毫米波基站、核心器件和终端的研发。后续IMT-2020(5G)推进组将继续与国内外产业界一起,共同推动5G毫米波产业发展、组网研究和行业探索。
毫米波5G小站/微站使用下的超密集组网异构网络规划方法
超密集组网(Ultra-Dense Network,UDN)是基于小微基站的技术研究,它是5G阶段引起业界普遍关注的技术研究方向和网络站点规划重要方式。从中国移动部署来看,在毫米波基站成熟商用之前,未来几年建议逐渐采用4G/5G协同的方法进行目标网建网,如图1所示。
毫米波在5G时代移动通信网络中的应用场景介绍
图1 4G/5G协同组网规划
超密度异构组网技术是指为应对未来持续增长的数据业务需求,采用更加密集的小区进行立体网络覆盖的部署技术,它将成为5G提升网络总体性能的一种方法。无线物理层技术,如编码技术、MAC、调制技术和多址技术等,只能提升约10倍的频谱效率,即便采用更宽的带宽也只能提升几十倍的传输速率,远远不能满足5G的需求,采用频谱资源的空间复用带来的频谱效率提升的增益达到千倍以上,通过减小小区半径,采用UDN网络部署,增加单位面积内小微基站的密度,通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量,打破了传统的扁平单层宏网络覆盖,使得多层立体异构网络应运而生,可显著提高频谱效率,改善网络覆盖,大幅度提升系统容量,通过增加小区数和信道数,成倍提升容量,同时UDN具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用能力。
UDN采用虚拟层技术,宏基站小区作为虚拟层,虚拟宏小区承载控制信令,负责移动性管理;实体微基站小区作为实体层,微小区承载数据传输。该技术可通过单载波或者多载波实现。单载波方案通过不同的信号或者信道构建虚拟多层网络;多载波方案通过不同的载波构建虚拟多层网络,将多个物理小区(或多个物理小区上的一部分资源)虚拟成一个逻辑小区。虚拟小区的资源构成和设置可以根据用户的移动、业务需求等动态配置和更改。虚拟层和以用户为中心的虚拟小区可以解决超密集组网中的移动性问题。如图2所示,在传统的多种无线接入技术叠加型网络中,宏基站与小基站均工作于低频段,这就带来了频繁切换的问题,用户体验差。为解决这一关键问题,在未来的叠加型网络中,宏基站工作于低频段并作为移动通信的控制平面、毫米波小基站工作于高频段并作为移动通信的用户数据平面。
毫米波在5G时代移动通信网络中的应用场景介绍
图2 叠加型网络中毫米波小基站应用类型
超密度异构组网技术也增强了网络的灵活性,可以针对用户的临时性需求和季节性需求快速部署新的小区。在未来的5G时代,小/微基站的数目将非常庞大,而且部署方式也将非常复杂,可以随时随地根据数据流量增长需求部署新的小基站,并可以在空闲时段或轻流量时段灵活、实时关闭某些小基站,从而收到节能降耗之效。
在这一技术背景下,未来网络架构将形成“宏蜂窝+长期微蜂窝+临时微蜂窝”的网络架构(如图3所示)。这一结构将大大降低网络性能对于网络前期规划的依赖,为5G时代实现更加灵活自适应的网络提供保障。
毫米波在5G时代移动通信网络中的应用场景介绍
图3 未来网络架构
到了5G时代,更多的物-物连接接入网络,立体组网的密度将会大大增加。与此同时,小区密度的增加也会带来网络容量和无线资源利用率的大幅度提升。有仿真结果表明,当宏小区用户数为200时,仅将微蜂窝的渗透率提高到20%,就可能带来理论上1000倍的小区容量提升(如图4所示)。同时,这一性能的提升会随着用户数量的增加而更加明显。考虑到5G主要的服务区域是城区等人员密度较大的区域,因此,超密度异构组网技术将会给5G的发展带来巨大潜力。
当然,UDN所带来的小区间干扰也将成为5G面临的重要技术难题。目前,在这一领域的研究中,除了传统的基于时域、频域、功率域的干扰协调机制外,3GPP Rel-11提出了进一步增强的小区干扰协调技术(eICIC),包括通用参考信号(CRS)抵消技术、网络侧的小区检测和干扰消除技术等。这些eICIC技术均在不同的自由度上,通过调度使得相互干扰的信号互相正交,从而消除干扰。除此之外,还有一些新技术的引入也为干扰管理提供了新的手段,如认知技术、干扰消除和干扰对齐技术等。随着相关技术难题的陆续解决,在5G网络中,UDN技术将得到更加广泛的应用。
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图4 UDN技术带来的系统容量提升
5G时代超密集组网的典型应用场景很多,包括机场、密集住宅、密集商业区和街区、校园、大型集会、体育场、地铁等。但随着5G使用频段的升高,5G宏基站信号在穿透墙壁时相比4G衰减更大,室内信号覆盖难度凸显。室外5G宏基站信号在穿透砖墙、玻璃和水泥等障碍物后只能提供浅层的室内覆盖,无法保证室内深度覆盖所需要的良好体验,因此需要更多的小微基站。
毫米波基站部署需总体规划
由于毫米波基站数量众多,安装、管理复杂,故毫米波基站部署需从整体规划。同时,毫米波基站自身还需具备易于安装部署和一定的故障自检、自优化的能力。毫米波基站的部署数量逐步增加后,运营商需要设置统一的网管进行毫米波基站管理。
运营商在最初规划的时候,需要在架构上考虑毫米波基站演进、部署的问题,把宏基站和毫米波基站纳入管理范围,从架构上考虑宏微协同组网。同时,宏基站跟毫米波基站之间有比较密切的互操作,运营商需控制节点,对宏基站、毫米波基站进行协同。在室外场景的组网应用中,宏微协同始终是组网的关键性能需求,尤其在5G时代,宏站覆盖缩水的情况下需要大量的微站进行网络补充。而运营商对5G网络性能的要求不会低于4G。因此与宏站协同将是5G室外毫米波基站必须关注的问题。
从5G毫米波基站部署的节奏上来看,5G组网的顺序一定也是先部署宏基站再部署毫米波基站,但两者部署的间隔不会太长,无需像4G一样在深度覆盖阶段再大规模部署,这也就意味着毫米波基站供应商的产品一旦成熟,放量的步伐会更快。
5G向垂直行业的拓展也为毫米波基站提供了新的应用场景,例如可以将毫米波基站与下沉核心网、边缘计算等技术结合,形成易于灵活部署、更加个性化的端到端解决方案。
小结
部署一个切实可行的5G网络,频谱的选择和可利用性是最重要的因素,因为这将决定数据传输的速度、容量和延迟。4G数据传输能力无法满足当前的需求,而5G的升级将通过部署使用毫米波、Sub-6GHz频段或两者混用的方式组网来解决速度和衰减的问题。由于我国5G发展策略是先部署6GHz以下的中频段,所以5G毫米波频段的产业化速度没有中频段快。中国移动对毫米波的商用设定于2022年。毫米波适用于有限、人口密集的地理区域,而Sub-6GHz则用于覆盖广泛地区。
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