GTI 大規模天線白皮書  V0.1

2017-02-06

CMCC, Huawei, ZTE

2017年上海通信站結束了，5G技術依然引人注目，華為的上海外場和中興的廣州外場無疑是點睛之筆，標志著中國移動的5G試驗工作已然漸入佳境。而放眼各個運營商的展臺，大規模天線則無處不在，這表示它無疑是5G系統中的最關鍵的技術。

那么，大規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系統中又和那些關鍵技術相關哪？

讓我們借助GTI(Global TD-LTE Initiative) 于2017年2月發布的《Massive MIMO White Paper V0.1》來學習和了解下吧。此白皮書由中國移動、中興和華為共同起草。

以下是該文檔的關鍵內容摘錄，詳細內容還請到GTI網頁下載學習。

GTI - Massive MIMO White Paper -170125(EN V6)

http://lte-tdd.org/Resources/rep/2017-03-01/10185.html

前言

隨著移動互聯網和智能手機的發展，用戶的使用習慣已經發生了很大的變化。移動寬帶接入的容量增加大力促進了移動互聯網和移動數據業務的增長，而這反過來又對移動網絡容量提出了新的增長要求。

為了滿足話務需求的急速增長，4G和5G時代增加天線的數目不可避免。大規模天線技術勢必是未來5G時代的核心技術之一。

大規模天線技術使4G能夠保持連續演進。采用大規模天線，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網絡滿足網絡增長需求。從運營商的角度看，這項技術具有較好的前景，因此應當提前在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時代的大規模天線技術，大規模MIMO(Massive MIMO)已經被廣泛認為是4G部署以來最有效的技術，它利用LTE TDD頻譜的無可比擬的優勢，在網絡性能方面獲得了革命性突破，這種革新技術是未來網絡大發展的前奏：

· 采用大規模天線陣列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絡建設策略。
· mMIMO增加了網絡覆蓋的靈活性，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，刺激用戶數據消費，獲得話務收益，增加運營商收入。
· mMIMO與4G終端兼容，運營商現在就可以從4G網絡部署中獲取收益。同時，它還支持面向5G的網絡演進，從而保持和提升現有投資的回報。

1. 介紹

1.1. 背景

2G時代話音和短信業務為主，3G時代website和數據業務為主，4G時代則以視頻和在線游戲為主。隨著業務的變化，用戶對網絡容量和時延的需求越來越強烈。未來2018年，虛擬現實和增強現實類應用則將會大力發展，從而帶來數據流量的激增。根據Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2015–2020的預測，從2015年到2020年，移動數據業務的年度復合增長率將會達到53%，如下圖所示：

為了應對上述挑戰，LTE網絡中引入了mMIMO技術，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方面具有明顯的優勢。

1.2. 白皮書的目的

4G向5G演進過程中，mMIMO多天線技術對運營商來說，起著重要的作用。話務快速增長條件下，如何利用現有的LTE投資來不斷地滿足話務需求，如何保持現有4G網絡的收益，如何進行4G演進以滿足垂直行業和應用的發展需求，對運營商來說極為重要。這些需求對網絡都帶來新的需求。ITU在最終定義5G需求并進行標準制定的時候，如何滿足頻譜效率的需求也是運營商優先關注的問題。

LTE TDD在采用mMIMO方面具有內在的優勢。為了在4G和5G部署中采用mMIMO技術，本白皮書描述了技術原則以及測試結果，可作為運營商和行工業伙伴在4G演進和5G部署方面的參考資料。

白皮書包括以下內容：

· mMIMO原理和TDD方面的優勢
· 典型場景下mMIMO的測試結果
· 4.5G和5G系統中mMIMO的商用路標
· mMIMO商用產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，通過在基站側采用大量天線來提升數據速率和鏈路可靠性。在采用大天線陣列的mMIMO系統中，信號可以在水平和垂直方向進行動態調整，因此能量能夠更加準確地集中指向特定的UE，從而減少了小區間干擾，能夠支持多個UE間的空間復用。

采用大量收發信機(TRX)與多個天線陣列，可以將波束賦形與用戶間的空間復用相結合，大力提升區域頻譜效率。

簡而言之，mMIMO系統定義為：

· 大量收發信機(TRX)
· 空間復用特性
· 多用戶調度(MU-MIMO)
· 上下行方向上的大量高增益天線陣列

2.2 TDD在mMIMO實施中的優勢

在mMIMO中采用TDD技術有助于在頻譜效率、網絡性能和容量方面提供較大的優勢，同時便于從4G演進到5G網絡。

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信息，從而能夠采用更加靈活和準確的波束賦形技術提升小區覆蓋和吞吐量。基于更加準確的非量化的信道狀態信息，TDD系統中的多用戶調度更加靈活和準確，因此增加了系統容量。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信息，從而制約了波束賦形和調度的靈活性。

TDD系統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的測試結果

mMIMO與現有的協議和終端相兼容，可以通過系統側軟硬件升級來部署。該技術大力提升了網絡覆蓋、頻譜效率、平均小區邊緣用戶吞吐量以及商用用戶體驗。mMIMO已經在商用網絡中進行了測試，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采用空間復用來為更多用戶提供服務，從而增強了網絡容量。在3D覆蓋場景下，mMIMO技術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。

3.1 典型應用場景

3.1.1 熱點場景

當前，數據業務量的特點就是在20%的熱點區域內產生超過70%以上的流量，如市區CBD、商業中心、交通樞紐、居民區、大學校園等，都具有同樣的特點，即人流集中、話務負荷高、容量不足等。mMIMO可以提供較高的空間復用增益和較強的波束賦形能力，從而滿足這些區域內的容量需求。

3.1.2  3D覆蓋場景

高層建筑內，網絡覆蓋通常較差，且覆蓋增強面臨多項挑戰，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間干擾。

高層建筑中的話務通常比較集中(intensive)，為了滿足話務需求，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整，降低小區間干擾，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收發信機(TRX)天線，而當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 商用網絡中的性能

目前，mMIMO已經在商用網絡中進行了部署，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容。

3.3.1 熱點場景

北京某個校園環境下，mMIMO顯著提升了系統容量。KPI監測顯示，商用終端non-full buffer話務條件下，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展方面得到更大應用。下面為mMIMO從4G演進到未來5G系統的路標。

4.2  目前階段mMIMO商用產品概覽

4.2.1 華為mMIMO產品

4.2.2 中興mMIMO產品

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模部署的成本

mMIMO是當前移動通信系統中最具破壞性(disruptive)的技術演進，它利用多天線技術顯著提升頻譜效率、滿足網絡大容量的需求。在主要移動運營商的帶領下，業界持續努力，將mMIMO從實驗室樣機變成了商用產品，并成為獲取網絡容量快速增長的主要手段。

未來數年，mMIMO大規模商用部署成本需要進一步降低，工程規范需要持續改進，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，業界需要考慮如何共享4G和5G的設備硬件、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規范尚未終結，當前，空口候選方案包括：

· 波形技術：基于OFDM，可能存在新波形如f-OFDM等。
· 幀結構：多種參數集，1ms或者更短的TTI，自包含子幀，動態TDD，靈活全雙工
· 多址接入技術：正交復用多址，非正交復用多址
· 調制技術：高階調制，如下行1024QAM，上行256QAM
· 編碼技術：LDPC碼和Polar碼

從系統級來看，這些候選技術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，就可以應用5G基帶單元，升級到5G系統了。

mMIMO產品中需要考慮相關的增強，這對5G硬件的提前具備、升級支持5G新空口相關功能、5G的部署等方面都相當重要。

4.3.2 終端演進

終端是無線網絡中的重要組成部分，終端技術的發展使得終端能夠在mMIMO環境下工作，充分利用mMIMO的技術特性，顯著提升單用戶容量和網絡容量。

終端側將從以下方面演進，以更好地支持mMIMO技術：

· 支持3GPP R13、R14和R15中定義的mMIMO優化，以提升網絡性能。
· 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，如天線選擇性發送SRS，以支持2/4/8層下的上行單用戶發送以及上行波束賦形，增強上行單用戶速率和覆蓋。
· 支持更高發射功率，提高上行覆蓋。

5. 結論

LTE TDD具備一些內在特性，有利于采用mMIMO技術。在4G演進過程中采用大規模天線技術，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，使4G網絡滿足4.5G時代網絡需求增長的要求。這項技術需要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。先網測試結果證明，mMIMO技術在一些典型場景下具有明顯的好處，如熱點高容量地區以及高覆蓋需求場景下。這項革命性的技術為4G網絡的演進和未來5G網絡的部署以及業界的進步奠定了堅實的基礎。