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DOCOMO毫米波5G宏站1800米覆盖!

2018-08-01  玖陸

重大信息+解析


全球范围内,有很多运营商都规划在2020年左右实现5G商用。


近日,NTT DOCOMO首席技术官、DOCOMO技术公司总裁Seizo Onoe撰文指出,关于毫米波等高频段在5G网络中的应用,很多人都有一个误解——毫米波5G的信号传输距离很近(只能作为热点)并将导致需要建设“海量”的毫米波5G小基站。


但是实际上,5G网络的部署方式将是“5G新空口技术与增强型LTE(eLTE)的互操作”并采用“高频+低频”频段组合,5G将不会在一夜之间就替代掉4G系统,4G网络设备将会被最大程度地重用于5G,而且大规模天线阵列(Massive MIMO)能够延伸5G基站的覆盖距离。


他进一步指出,有了上述这样一个积极看待问题的视角,NTT DOCOMO就不断鼓励业界解决建设“毫米波5G宏基站”的挑战性问题,最终实现毫米波5G基站与现有低频段基站具有相同的覆盖、功耗等。


截至目前,NTT DOCOMO已经实现移动场景下39 GHz频段5G基站超过1千米覆盖以及超过1 Gbps下行数据率。测试场景如图1所示,上为毫米波5G基站天线,下为毫米波5G终端天线。表1为下行速率的实测值。


图1  NTT DOCOMO毫米波5G“宏站”外场测试


表1  5G终端在不同速率、距离5G基站不同距离的下行速率测量值


图2:不同移动速率下的下行速率实测值(单位:Mbps)


NTT DOCOMO上述的测量结果,具有重大意义,意味着毫米波5G系统也可以进行宏蜂窝组网!


学术界、工业界、移动通信产业界均考虑采取可用的毫米波频段,来满足未来移动通信系统的超大容量需求。


工作于28 GHz及以上频段的最新“毫米波”5G系统,由于具备更丰富的、连续的频谱资源(比如在6月18日完成的韩国首轮5G频谱拍卖中,SK电讯、韩国电信、LG U+分别获得28 GHz频段各800 MHz频谱资源的指配),用户终端实际体验到的下行速率可高达数Gbps。


不过,虽然相对于6 GHz以下的频段的异常拥挤,毫米波频段具有大段空闲、未开发使用的可用频段,但是无线传播特性较差---较大的自由空间损耗、大气衰减,较弱的室内穿透能力、物体周围散射能力。


为了克服上述“天然”的缺陷,在毫米波5G系统中,大规模天线阵列使用高指向性天线,波束可以做到很窄的程度(能量更为集中),而且还可利用天线阵列本身的增益来抵消一部分的信号功率损耗。


另外,如下图所示,由于毫米波的波长很短,内置有64个天线单元的毫米波(30 GHz频段)大规模天线阵列的总体尺寸,可以做到和6 GHz以下单个平板天线的相当。


图3:毫米波天线阵列与6 GHz以下单天线的对比


大规模多用户MIMO(Massive MU-MIMO)系统需要部署比用户终端多得多的射频(RF)传输链路以进行适当的空间复用。这与传统上仅用一条RF链路向很多幅天线馈送信号、以模拟方式控制相位移动(模拟波束赋型)的系统(如下图所示)是不同的---相当于一个单天线终端具备一幅高指向、可控制的天线。


图4:单个RF链路的模拟波束赋型


大规模天线阵列(Massive MIMO)系统的缺点之一,是集成和部署大量RF链路存在高复杂度、高成本挑战---尤其是运行于毫米波频段的Massive MIMO。


为此,研究人员提出了数种数字与模拟混合波束赋型解决方案,以使得5G基站既可部署Massive MIMO大量天线,同时降低 MU-MIMO的实现成本。


下图所示的混合波束赋型系统,用一个共用的基带处理矩阵把多路数据流馈入到相对应的RF链路,数据流先被进行数字波束赋型信号处理,在进入模拟处理阶段---以模拟相移器对数字波束的辐射方向进行控制。


图5:数字与模拟混合波束赋型


最后值得一提的是,在毫米波频段,信道相干时间大幅下降,这给毫米波5G的“移动”应用带来了极大的限制。虽然业界正在持续深入研究探索提高毫米波终端“移动性”的新方式,但是从目前的发展态势看来,毫米波5G将首先被用于诸如回传、sidelink(如终端直接通信)等固定无线接入场景。


在20 GHz以上的毫米波频段运行5G新空口系统,一大主要的技术挑战是如何处理很大的信号功率损耗(实际的工程部署中,这种损耗将会降低小区覆盖面积)。为了进行补偿,3GPP 5G标准中以“天线阵列+波束赋型技术”把发射至用户终端的射频能量尽量集中(窄波束),并提高信号增益。但是,用户终端不能再通过毫米波5G基站广播全向信号来建立首次连接。


面向毫米波频段,3GPP的5G新空口标准中规范了毫米波5G终端初始接入到毫米波5G基站的新流程。


图6:毫米波5G终端的初始接入流程


①波束扫描传输:5G基站通过物理广播信道(PBCH)向多个方向(如上图中左上小图标记为蓝色、绿色、黄色的波束)发射“同步信号(SS)块”。采用“波束扫描”的理念,5G基站向所有5G终端发射同步信号以及系统配置信息以使其快速接入到5G网络。


②波束扫描接收:5G终端通过侦听来监测最佳的承载同步信号于系统配置信息的波束,然后进行匹配接收,并对最佳的同步信号(SS)块进行解码以获取到其时间索引---5G终端通过该时间索引知悉5G基站接下来将在何时再次使用相关波束方向,并在合适的时间通过物理随即接入信道向5G基站发送方向与时间信息---由此,5G基站就知道了5G终端将在何时、将从哪个方向发射上行信息。


③5G终端选中的特定波束:一旦5G终端与5G基站通过上述流程在最佳波束上建立起通信,5G基站就通过该最佳波束其他系统信息发送给5G终端,5G终端凭此信息与5G基站建立起连接。


④5G终端特定的波束赋型:在5G终端与5G基站通过上述流程建立起连接后,5G基站就发射更窄的波束(如上图中左下的小图),向该5G终端发送数据信息等。


毫米波5G的早期商用,即将在美国实现。美国最大的移动通信运营商AT&T即将于2018年年底在12个城市提供毫米波5G固定无线接入商用服务。Verizon也于7月25日的今年第二季度财报电话会议上宣布将于2019年在至少50个美国城市实现符合3GPP标准的毫米波5G新空口的商用,其中可工作于28 GHz频段、39 GHz频段的“毫米波5G手机”(仅支持5G独立组网NSA)有望于2019年6月出现商用产品。


毫米波芯片、终端、无线网络设备的实现,以及无线网络的试验,都离不开测试。但由于不同国家/地区使用不同的毫米波频段,且毫米波频段的带宽很大(单信道带宽至少400 MHz),这给毫米波5G的测试带来技术、成本等方面不小的挑战。作为全球测试测量界老牌的领先型企业,美国国家仪器公司(NI)2010年就启动了聚焦5G等前沿通信技术的“射频领先用户计划”,毫米波通信是其中一个重点方向。通过与AT&T、Verizon、Nokia、Samsung等主流运营商与设备商的合作,极大地推动了毫米波5G系统协议、信道测量、测量技术和测量IP的发展,典型事件如:2017年,NI与Verizon实现了第一个毫米波硬件原型化系统;2018年世界移动通信大会期间,NI、Samsung宣布进行毫米波5G外场测试的合作计划;7月12日,NI推出两款新型毫米波5G射频头(24.5-33.4 GHz与37 -43.5 GHz频段),可助力无线研究人员对5G新空口系统进行原型验证;7月下旬,NI与思博伦共同宣布合作开发5G新空口设备测试系统:思博伦将采用NI灵活的软件无线电(SDR)产品与毫米波收发器系统来开发其5G性能解决方案,并纳入5G NR测试场景来测试位置移动、视频、数据、音频和呼叫性能。该解决方案的主要架构包括使用LabVIEW FPGA来仿真5G NR协议栈的第1层至第3层。


以模块化硬件的方式,可以实现最优的毫米波5G信号原型和信道测量。5G微信公众平台(ID:angmobile)进一步了解到,在未来的芯片测试方案方面,NI模块化毫米波平台也可以帮助客户很好的实现从实验室验证到量产测试的全覆盖,并可提高测试效率、降低测试成本。

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