GTI 大規(guī)模天線白皮書  V0.1

2017-02-06

CMCC, Huawei, ZTE

2017年上海通信站結(jié)束了，5G技術(shù)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(guī)模天線則無處不在，這表示它無疑是5G系統(tǒng)中的最關(guān)鍵的技術(shù)。

那么，大規(guī)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(tǒng)中又和那些關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)哪？

讓我們借助GTI(Global TD-LTE Initiative) 于2017年2月發(fā)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(guān)鍵內(nèi)容摘錄，詳細內(nèi)容還請到GTI網(wǎng)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(lián)網(wǎng)和智能手機的發(fā)展，用戶的使用習慣已經(jīng)發(fā)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(lián)網(wǎng)和移動數(shù)據(jù)業(yè)務的增長，而這反過來又對移動網(wǎng)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(shù)目不可避免。大規(guī)模天線技術(shù)勢必是未來5G時代的核心技術(shù)之一。

大規(guī)模天線技術(shù)使4G能夠保持連續(xù)演進。采用大規(guī)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(wǎng)絡滿足網(wǎng)絡增長需求。從運營商的角度看，這項技術(shù)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(guī)模天線技術(shù)，大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)已經(jīng)被廣泛認為是4G部署以來最有效的技術(shù)，它利用LTE TDD頻譜的無可比擬的優(yōu)勢，在網(wǎng)絡性能方面獲得了革命性突破，這種革新技術(shù)是未來網(wǎng)絡大發(fā)展的前奏：

· 采用大規(guī)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(wǎng)絡建設策略。
· mMIMO增加了網(wǎng)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(shù)據(jù)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(xiàn)在就可以從4G網(wǎng)絡部署中獲取收益。同時，它還支持面向5G的網(wǎng)絡演進，從而保持和提升現(xiàn)有投資的回報。

1. 介紹

1.1. 背景

2G時代話音和短信業(yè)務為主，3G時代website和數(shù)據(jù)業(yè)務為主，4G時代則以視頻和在線游戲為主。隨著業(yè)務的變化，用戶對網(wǎng)絡容量和時延的需求越來越強烈。未來2018年，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實類應用則將會大力發(fā)展，從而帶來數(shù)據(jù)流量的激增。根據(jù)Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2015–2020的預測，從2015年到2020年，移動數(shù)據(jù)業(yè)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(zhàn)，LTE網(wǎng)絡中引入了mMIMO技術(shù)，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(yōu)勢。

1.2. 白皮書的目的

4G向5G演進過程中，mMIMO多天線技術(shù)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(xiàn)有的LTE投資來不斷地滿足話務需求，如何保持現(xiàn)有4G網(wǎng)絡的收益，如何進行4G演進以滿足垂直行業(yè)和應用的發(fā)展需求，對運營商來說極為重要。這些需求對網(wǎng)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(yōu)先關(guān)注的問題。

LTE TDD在采用mMIMO方面具有內(nèi)在的優(yōu)勢。為了在4G和5G部署中采用mMIMO技術(shù)，本白皮書描述了技術(shù)原則以及測試結(jié)果，可作為運營商和行工業(yè)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(nèi)容：

· mMIMO原理和TDD方面的優(yōu)勢
· 典型場景下mMIMO的測試結(jié)果
· 4.5G和5G系統(tǒng)中mMIMO的商用路標
· mMIMO商用產(chǎn)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(shù)，通過在基站側(cè)采用大量天線來提升數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性。在采用大天線陣列的mMIMO系統(tǒng)中，信號可以在水平和垂直方向進行動態(tài)調(diào)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(qū)間干擾，能夠支持多個UE間的空間復用。

采用大量收發(fā)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(jié)合，大力提升區(qū)域頻譜效率。

簡而言之，mMIMO系統(tǒng)定義為：

· 大量收發(fā)信機(TRX)
· 空間復用特性
· 多用戶調(diào)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(yōu)勢

在mMIMO中采用TDD技術(shù)有助于在頻譜效率、網(wǎng)絡性能和容量方面提供較大的優(yōu)勢，同時便于從4G演進到5G網(wǎng)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(tài)信息，從而能夠采用更加靈活和準確的波束賦形技術(shù)提升小區(qū)覆蓋和吞吐量。基于更加準確的非量化的信道狀態(tài)信息，TDD系統(tǒng)中的多用戶調(diào)度更加靈活和準確，因此增加了系統(tǒng)容量。反之，F(xiàn)DD基站僅能夠通過UE反饋的碼本得到量化的信道狀態(tài)信息，從而制約了波束賦形和調(diào)度的靈活性。

TDD系統(tǒng)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(xiàn)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(jié)果

mMIMO與現(xiàn)有的協(xié)議和終端相兼容，可以通過系統(tǒng)側(cè)軟硬件升級來部署。該技術(shù)大力提升了網(wǎng)絡覆蓋、頻譜效率、平均小區(qū)邊緣用戶吞吐量以及商用用戶體驗。mMIMO已經(jīng)在商用網(wǎng)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(wǎng)絡容量。在3D覆蓋場景下，mMIMO技術(shù)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(shù)據(jù)業(yè)務量的特點就是在20%的熱點區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生超過70%以上的流量，如市區(qū)CBD、商業(yè)中心、交通樞紐、居民區(qū)、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(qū)域內(nèi)的容量需求。

3.1.2  3D覆蓋場景

高層建筑內(nèi)，網(wǎng)絡覆蓋通常較差，且覆蓋增強面臨多項挑戰(zhàn)，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(qū)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(diào)整，降低小區(qū)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(fā)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(wǎng)絡中的性能

目前，mMIMO已經(jīng)在商用網(wǎng)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(nèi)容。

3.3.1 熱點場景

北京某個校園環(huán)境下，mMIMO顯著提升了系統(tǒng)容量。KPI監(jiān)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(qū)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(fā)展方面得到更大應用。下面為mMIMO從4G演進到未來5G系統(tǒng)的路標。

4.2  目前階段mMIMO商用產(chǎn)品概覽

4.2.1 華為mMIMO產(chǎn)品

4.2.2 中興mMIMO產(chǎn)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(guī)模部署的成本

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

未來數(shù)年，mMIMO大規(guī)模商用部署成本需要進一步降低，工程規(guī)范需要持續(xù)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(yè)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(guī)范尚未終結(jié)，當前，空口候選方案包括：

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

從系統(tǒng)級來看，這些候選技術(shù)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(tǒng)了。

mMIMO產(chǎn)品中需要考慮相關(guān)的增強，這對5G硬件的提前具備、升級支持5G新空口相關(guān)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(wǎng)絡中的重要組成部分，終端技術(shù)的發(fā)展使得終端能夠在mMIMO環(huán)境下工作，充分利用mMIMO的技術(shù)特性，顯著提升單用戶容量和網(wǎng)絡容量。

終端側(cè)將從以下方面演進，以更好地支持mMIMO技術(shù)：

· 支持3GPP R13、R14和R15中定義的mMIMO優(yōu)化，以提升網(wǎng)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(shù)，如天線選擇性發(fā)送SRS，以支持2/4/8層下的上行單用戶發(fā)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(fā)射功率，提高上行覆蓋。

5. 結(jié)論

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