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毫米波5G基站的應用場景和超密集組網規劃方法詳解

摘要:由于毫米波技術具備足夠量的可用帶寬和較高的天線增益,毫米波在5G時代的多種無線接入技術疊加型移動通信網絡中可以有毫米波小基站和毫米波的移動通信回程(基站回傳)兩種。另外超密集組網(Ultra-Dense Network,UDN)是基于小微基站的技術研究,它是5G階段引起業界普遍關注的技術研究方向和網絡站點規劃重要方式。

       ICCSZ訊 部署一張切實可行的5G網絡,頻譜的選擇和可利用性是最重要的因素,沒有足夠的優質頻譜,5G技術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。

毫米波基站應用場景

      由于毫米波技術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,可以連接大量設備。毫米波在5G時代的多種無線接入技術疊加型移動通信網絡中可以有兩種應用場景。

      一是毫米波基站,可增強高速環境下移動通信的使用體驗,在傳統的多種無線接入技術疊加型網絡中,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,為解決這一關鍵問題,在未來的疊加型網絡中,宏基站工作于低頻段并作為移動通信的控制平面,毫米波基站工作于高頻段并作為移動通信的用戶數據平面。

      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,疊加型網絡的組網將具有很大的靈活性,在未來的5G時代,小/微基站的數目將非常龐大,而且部署方式也將非常復雜,可以隨時隨地根據數據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、實時關閉某些小基站,從而可以收到節能降耗之效。到了5G時代,更多的物-物連接接入網絡,異構網絡(HetNet)的密度將會大大增加。

毫米波小站/微站研發情況

      為了實現n×10Gbit/s的下行數據速率,在毫米波5G小站/微基站研發方面,業界對于毫米波關聯的Massive MIMO技術進行了大量研究,涉及信號傳播、波形、多址接入與用戶調度、陣列天線、預編碼機制、信道建模、信道測量、信道預估和反饋、前傳/回傳等諸多關鍵領域,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;在中頻收發多功能芯片及射頻前端方面,高通、IBM等企業的技術處于領先地位;在5G毫米波關鍵器件——化合物半導體方面,高通、Qorvo、Globalfoundries等企業都在GaAs射頻器件領域占據一席之地。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,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、系統功耗上均具有一定優勢。

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

      在進行毫米波5G技術試驗的過程中,運營商、設備商、芯片商、測試測量廠商等逐漸形成共識:未來的5G網絡架構必須異構多層且能支持全頻段接入的低頻、中頻、毫米波頻段無線協作組網。毫米波單獨組網有著明顯的劣勢,根據仿真和測試結果,單基站在28GHz頻段只能覆蓋150米左右,因此與Sub-6GHz頻段協作組網才是毫米波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網絡模擬實驗,在現有的LTE基站(100%的4G覆蓋)基礎上輔以毫米波基站,實現了毫米波5G網絡65%的覆蓋率,并實現了5倍的網絡容量增益。該實驗不但證明了協作組網的可行性,還表明協作組網后能達到更高能力。

      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的全頻譜接入技術列為5G核心技術之一。通過全頻譜接入,可以實現以Sub-6GHz頻段5G系統支持n×1Gbit/s高速通信,以毫米波頻段5G系統支持n×10Gbit/s超高速通信。

我國5G毫米波技術試驗工作計劃

      從目前毫米波頻段產業發展的情況來看,在設備及芯片方面,國內已經有高頻技術及制造能力,之前的北京懷柔外場測試也顯示出國內廠商具備高頻技術能力并已提供相應高頻樣機,但距離規模商用還需進行芯片產業鏈培育,比如發展低成本、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劃,以促進儀器儀表廠商投入開發。未來,IMT-2020(5G)推進組還將繼續統籌規劃,分階段推進5G毫米波試驗:2019年8—12月,驗證5G毫米波關鍵技術和系統特性;2020年驗證毫米波基站和終端的功能、性能和互操作,開展高低頻協同組網驗證;2020—2021年,開展典型場景驗證。

       5G毫米波技術試驗網絡環境采用MTNet實驗室+懷柔外場,構成室內外一體化網絡,在前期3.5GHz測試環境中,增加毫米波測試環境,支撐毫米波關鍵技術測試。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;已研發構建5G毫米波OTA射頻測試環境,具備5G基站、終端的OTA射頻測試能力;正在構建基站和終端的OTA性能測試環境,可滿足2020年性能測試需求。

      5G毫米波技術試驗關鍵技術測試主要分為三方面,分別是室內功能測試、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毫米波關鍵技術測試的功能、射頻和外場性能;海思、高通進行了5G毫米波關鍵技術的室內功能測試。

      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關鍵技術測試;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、中興系統配合,開展了毫米波室內關鍵技術部分測試。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,主要就是希望能夠通過測試工作來研究和驗證5G毫米波關鍵技術和主要特性,來制定26~28GHz頻段的5G設備功能和性能的指標要求,指導5G毫米波基站、核心器件和終端的研發。后續IMT-2020(5G)推進組將繼續與國內外產業界一起,共同推動5G毫米波產業發展、組網研究和行業探索。

毫米波5G小站/微站使用下的超密集組網異構網絡規劃方法

超密集組網(Ultra-Dense Network,UDN)是基于小微基站的技術研究,它是5G階段引起業界普遍關注的技術研究方向和網絡站點規劃重要方式。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協同的方法進行目標網建網,如圖1所示。


圖1  4G/5G協同組網規劃


      超密度異構組網技術是指為應對未來持續增長的數據業務需求,采用更加密集的小區進行立體網絡覆蓋的部署技術,它將成為5G提升網絡總體性能的一種方法。無線物理層技術,如編碼技術、MAC、調制技術和多址技術等,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,通過減小小區半徑,采用UDN網絡部署,增加單位面積內小微基站的密度,通過在異構網絡中引入超大規模低功率節點實現熱點增強、消除盲點、改善網絡覆蓋、提高系統容量,打破了傳統的扁平單層宏網絡覆蓋,使得多層立體異構網絡應運而生,可顯著提高頻譜效率,改善網絡覆蓋,大幅度提升系統容量,通過增加小區數和信道數,成倍提升容量,同時UDN具有更靈活的網絡部署和更高效的頻率復用能力。

      UDN采用虛擬層技術,宏基站小區作為虛擬層,虛擬宏小區承載控制信令,負責移動性管理;實體微基站小區作為實體層,微小區承載數據傳輸。該技術可通過單載波或者多載波實現。單載波方案通過不同的信號或者信道構建虛擬多層網絡;多載波方案通過不同的載波構建虛擬多層網絡,將多個物理小區(或多個物理小區上的一部分資源)虛擬成一個邏輯小區。虛擬小區的資源構成和設置可以根據用戶的移動、業務需求等動態配置和更改。虛擬層和以用戶為中心的虛擬小區可以解決超密集組網中的移動性問題。如圖2所示,在傳統的多種無線接入技術疊加型網絡中,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。為解決這一關鍵問題,在未來的疊加型網絡中,宏基站工作于低頻段并作為移動通信的控制平面、毫米波基站工作于高頻段并作為移動通信的用戶數據平面。

圖2  疊加型網絡中毫米波基站應用類型


      超密度異構組網技術也增強了網絡的靈活性,可以針對用戶的臨時性需求和季節性需求快速部署新的小區。在未來的5G時代,小/微基站的數目將非常龐大,而且部署方式也將非常復雜,可以隨時隨地根據數據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、實時關閉某些小基站,從而收到節能降耗之效。

      在這一技術背景下,未來網絡架構將形成“宏蜂窩+長期微蜂窩+臨時微蜂窩”的網絡架構(如圖3所示)。這一結構將大大降低網絡性能對于網絡前期規劃的依賴,為5G時代實現更加靈活自適應的網絡提供保障。


圖3  未來網絡架構


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

      當然,UDN所帶來的小區間干擾也將成為5G面臨的重要技術難題。目前,在這一領域的研究中,除了傳統的基于時域、頻域、功率域的干擾協調機制外,3GPP Rel-11提出了進一步增強的小區干擾協調技術(eICIC),包括通用參考信號(CRS)抵消技術、網絡側的小區檢測和干擾消除技術等。這些eICIC技術均在不同的自由度上,通過調度使得相互干擾的信號互相正交,從而消除干擾。除此之外,還有一些新技術的引入也為干擾管理提供了新的手段,如認知技術、干擾消除和干擾對齊技術等。隨著相關技術難題的陸續解決,在5G網絡中,UDN技術將得到更加廣泛的應用。

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圖4  UDN技術帶來的系統容量提升


      5G時代超密集組網的典型應用場景很多,包括機場、密集住宅、密集商業區和街區、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覆蓋,無法保證室內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劃

      由于毫米波基站數量眾多,安裝、管理復雜,故毫米波基站部署需從整體規劃。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、自優化的能力。毫米波基站的部署數量逐步增加后,運營商需要設置統一的網管進行毫米波基站管理。

      運營商在最初規劃的時候,需要在架構上考慮毫米波基站演進、部署的問題,把宏基站毫米波基站納入管理范圍,從架構上考慮宏微協同組網。同時,宏基站毫米波基站之間有比較密切的互操作,運營商需控制節點,對宏基站毫米波基站進行協同。在室外場景的組網應用中,宏微協同始終是組網的關鍵性能需求,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絡補充。而運營商對5G網絡性能的要求不會低于4G。因此與宏站協同將是5G室外毫米波基站必須關注的問題。

      從5G毫米波基站部署的節奏上來看,5G組網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模部署,這也就意味著毫米波基站供應商的產品一旦成熟,放量的步伐會更快。

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

小結

      部署一個切實可行的5G網絡,頻譜的選擇和可利用性是最重要的因素,因為這將決定數據傳輸的速度、容量和延遲。4G數據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來解決速度和衰減的問題。由于我國5G發展策略是先部署6GHz以下的中頻段,所以5G毫米波頻段的產業化速度沒有中頻段快。中國移動對毫米波的商用設定于2022年。毫米波適用于有限、人口密集的地理區域,而Sub-6GHz則用于覆蓋廣泛地區。

內容來自:通信世界全媒體
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關鍵字: 毫米波 基站
文章標題:毫米波5G基站的應用場景和超密集組網規劃方法詳解
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