5G毫米波通信系统部署场景和

科技频道 2020-01-14169未知admin

  摘要:本文从业务发展需求角度5G毫米波部署的必要性,对5G毫米波现阶段的频谱划分、标准化、产业链发展情况进行,结合5G毫米波系统特性,给出了5G毫米波应用主要场景和部署方案;并从产业发展角度,给出了下一阶段5G毫米波设备、终端的发展。

  引言

  毫米波一般是指波长1~10 ms、频率30~300 GHz的电磁波。相较于低频段,毫米波频段有丰富的带宽资源,并且由于特性和波束赋形方面的特点,毫米波从50年始就被用于雷达等军事方面[1],随着毫米波器件工艺材料进步和技术民用化发展,出现了车载毫米波雷达和毫米波成像技术,被广泛用于交通、医疗、安检等领域[2] -[4]。

  毫米波在通信发展初期并不是通信行业的首选,一方面是由于4G之前的通信带宽要求不高,6 GHz以下的窄带宽已经足够满足需求;另一方面由于蜂窝通信有规模连续组网的特点,采用距离较短的毫米波部署将需要投入更多的建站成本。

  但是近年来快速发展的通信业务对通信带宽的需求急速提升,按照2015年ITU-R WP5D发布报告M.2083(5G愿景)定义的系统需求,5G将支持至少100 Mbit/s~1 Gbit/s的边缘用户体验速率,10Gbit/s0-20 Gbit/s的系统峰值速率。相对于提高频谱利用率,增加频谱带宽以提高系统峰值速率的方法更简单直接。但是,6 GHz以下频率资源匮乏,很难找到连续的大带宽满足5G系统需求。通信行业的目光开始向高频段转移,毫米波开始成为通信发展的重要研究方向[5] -[10]。

  毫米波频段可以构建高达800 MHz的超大带宽通信系统,通信速率高达10 Gbit/s,可以满足ITU对于5G通信系统的要求。第三代合作伙伴计划(3GPP)在2016年初公布了毫米波信道模型的技术报告TR38.900,明确了毫米波频段作为5G户外通信频段的可行性。目前,毫米波已经作为3GPP 5G通信系统的必要组成部分[11][12]。

  相对于6 GHz以下频段,5G毫米波落地应用还有很多问题有待解决和进一步完善[13],如高频器件性能[14]、电磁兼容问题[15]、波束赋形和波束管理算法[16] -[18]、链特性等方面[19][20]。另一方面,运营商和行业也开始从系统应用角度考虑5G毫米波部署和应用问题[21]-[23]。但是部署和应用的相关研究还比较分散,尚未形成明确的5G毫米波通信系统应用方向和具体的部署方案。

  目前国内 6 GHz以下5G系统已经从试验网向商用转变,5G毫米波也需要适时开始进行网络部署规划,通信行业急需运营商明确5G毫米波NR系统未来的整体需求,明确设备、终端的计划。运营商也需要向行业发布明确的,推动毫米波产业链成熟,为未来部署做好准备。

  本文首先从5G毫米波产业发展现状着手,从频谱、标准化、产业链、部署情况几个方面对毫米波产业成熟度进行。其次,在对当前毫米波设备进行摸底测试基础上,明确毫米波设备容量和覆盖能力,从网络部署角度提出5G毫米波部署场景和部署方案;最后,从网络部署需求角度,对毫米波产业链的发展方向提出。

  5G毫米波产业发展现状

  2.1 5G毫米波频谱分配情况

  频谱是通信产业最为宝贵的资源,任何一代通信技术的正式商用,前提都必须获取一定的频谱资源。国际电联(ITU)在2019年世界无线)研究周期内专门设立了TG 5/1工作组,负责1.13议题的研究工作,即为5G系统在毫米波频段研究确定可使用的频谱资源,目前TG 5/1工作组已经完成了2019年世界无线电通信大会准备会会议文件(CPM报告)中关于1.13议题的相关内容。这意味着WRC-19将对毫米波频段提出明确的频段。

  当前,美国,韩国,日本等国家已陆续完成5G高频频谱的划分与拍卖,5G商业部署前景明朗,拍卖情况如表1所示。

  欧盟在2018年7月已经明确24.25~27.5 GHz频段用于5G,欧盟各国在2020年底前在26 GHz 频段至少保障1 GHz频谱用于/固定通信网络。此外,欧盟将继续研究32G(31.8-33.4GHz)和40G(40.5-43.5GHz)等高频段。英国、等国家已经确认了5G中高频待分配或待招标的频段(见表2)。

  从上述5G毫米波频段的规划和拍卖中可以看出,毫米波部署初期,大多数国家将注意力都集中在26GHz和28GHz这2个频段上,在这2个频段上投入的资源也是最多的。

  我国工业和信息化部于2017年7月批复24.75~27.5 GHz和37~42.5 GHz频段用于我国5G技术研发毫米波实验频段,试验地点为中国信息通信研究院MTNet试验室以及、顺义的5G技术试验外场。但是目前毫米波频谱的具体规划仍未正式发布。

  2.2 5G毫米波标准化情况

  在3GPP中毫米波频段的射频标准讨论和制定工作由3GPP RAN4牵头开展,研究分为2个阶段:第一阶段研究40 GHz 以下的频率,以满足较为紧急的商业需求,于2018 年12月完成。第二阶段计划从2018 年开始,到2019 年12 月完成,该阶段专注于最高100 GHz 的频率,以全面实现IMT-2020 的愿景。

  5G频段具有多样性,一般称之为低频(6 GHz以下)和高频(24.25~52.6 GHz),第一阶段频谱分配定义了52.6 GHz以下的毫米波频谱(见表3)。

  在3GPP中,上述毫米波频段和3.5 GHz 的NR系统是同步标准化的,目前已经形成2018.12.30的R15版本。R16版本正在讨论中,并将在2019年6月固化。

  2.3 5G毫米波产业链发展情况

  总体上看,毫米波产业链还处于初级阶段,距离成熟商用还有一段距离。

  毫米波基带部分与5G低频段设备具有相同成熟度,但是射频相关的功能和性能较5G低频段设备有较大差距。毫米波频段通信面临的挑战主要在于高频核心器件,主要包括功率放大器、低噪声放大器、锁相环电、滤波器、高速高精度数模及模数转换器、阵列天线G高频段通信系统实用化的关键步骤,低成本、高可靠性的封装及测试等技术也至关重要。在测试方面,5G毫米波的射频测试将难以采用传统的连线测试,只能采用OTA的测试方法。OTA的测试方法和测试技术虽然在快速发展中,但是目前尚未制定完成。

  主设备方面,由于目前和日韩已经开始部署毫米波系统,所以厂家设备频段以和日韩频段为主。设备可以支持基本功能,但是部分功能如波束管理、性等有待进一步完善。

  芯片和终端的进度总体上落后于设备。

  英特尔(Intel)于2017年11月发布了XMM 8060 5G多模基带芯片,该芯片同时支持6 GHz以下频段和28 GHz毫米波频段。高通已经能够提供商用的毫米波终端芯片X50和X55,天线。

  高通目前已具备测试终端MTP8510-5G,频点为N257A 或者N261(28 GHz频段)。在商用终端方面,OPPO/VIVO/ZTE预计2019年底将推出X55芯片样机终端,商用终端预计2020年出现。

  我国在高性能高频器件、原型系统验证等方面还存在较大差距,需要进一步开展创新性研究与工作。

  5G毫米波系统性能测试情况

  3.1 5G毫米波峰值速率测试

  5G毫米波的峰值速率与带宽、帧结构、支持的流数、调制阶数等因素有关。

  在毫米波外场测试中,在近点进行了毫米波小区峰值容量测试。测试结果如图所示。其中,系统支持4流,采用帧结构DDDS,即3个连续的下行slot、一个特殊slot(配比为0:2:12)。表4给出了不同带宽的上下行峰值吞吐量。

  从外场测试结果可以看到,5G毫米波系统在800 MHz带宽情况下,小区下行峰值速率可以达到9.31 Gbit/s,上行峰值速率可以达到1.91 Gbit/s。

  3.2 5G毫米波拉远测试

  5G毫米波的覆盖能力与设备的EIRP、系统灵敏度等因素有关。

  在毫米波外场测试中,在LOS径下进行视距道拉远,SSB_RSRP和下行吞吐率情况如图1所示。其中,采用帧结构DDDS,EIRP为58 dBm。

  图1 . 下行拉远距离与SSB_RSRP和速率情况

  3.3 5G毫米波穿透性能测试

  在毫米波外场测试中,对不同遮挡物、不同情况的毫米波穿透损耗进行测试,结果如表5所示。

  测试中可以看到,毫米波基本不具备传统混凝土承重墙的能力。本次外场没有进行雨雪等恶劣天气对于毫米波的影响,根据对毫米波雨衰的,降雨对毫米波影响很大,毫米波速率有较大下降。通过理论和实际测试,毫米波穿透损耗较6 GHz以下频段更高[20]。

  5G毫米波部署场景

  4.1 5G高低频混合组网

  新一代通信的覆盖部署范围具有核心城市-主要城市-城市-乡村逐步覆盖的规律,在部署初期均是与通信系统结合,覆盖品牌价值区域,或者解决高热场景的业务需求。5G 通信系统也遵循上述部署规律,部署初期将与LTE系统进行混合组网提供高速率大带宽服务。

  从产业链成熟和网络部署进度角度考虑,国内5G毫米波系统商业部署时间点比6GHz以下频段5G 系统晚2年左右,届时5G 6GHz以下频段系统预计已经完成大部分城市重点区域覆盖。所以5G毫米波系统部署时,将与6GHz以下频段的5G系统结合,形成5G系统高低频混合组网方式,用于重要品牌价值区域的覆盖,提升品牌价值,或者用于人流密集场所和热点区域的吸热,提供进一步的大容量上传能力。

  在具体组网方式方面,5G毫米波系统可以根据需求与5G低频系统共站址部署或拉远部署,提供精准覆盖。需要具备较强的系统间、频段间的互操作功能和性管理功能。根据具体部署场景,需要毫米波宏站、毫米波微站、毫米波微RRU、毫米波分布式微站等多种形态的设备。在终端方面,需要支持3G/4G/5G高低频的多模多频终端。

  从毫米波特性和覆盖能力考虑,5G毫米波适合部署在相对空旷无遮挡或少遮挡的室外和室内。

  典型的部署场景和具体需求如表6所示。

  4.2 大带宽回传

  毫米波频点较高、波长较短,可以在相同实现更多天线阵列布防、波束能量更集中。并且5G毫米波系统可以提供高达800MHz带宽、10Gbit/s的系统峰值速率,使毫米波可以作为无线回传链,解决一些场景无法布放光纤或布放光纤代价过高的问题。

  在具体组网方式方面,5G毫米波系统采用SA频点组网,作为无线通信系统中的回传链,采用宏站提供足够的覆盖距离,链两端设备相互精准覆盖,布放后无需,建立链后保持连接状态。系统需要接入管理功能、需要部分无线资源调度管理功能、无需性管理功能,功能实现较高低频混合组网简单。

  另一种大带宽回传方式是毫米波自回传:一方面基站为终端提供服务,一方面通过站间对打实现无线回传,这种方式可以作为无法布放光纤回传时的灵活解决方案。

  从毫米波特性和覆盖能力考虑,需要链上无遮挡,并且需要充分考虑恶劣天气,如雨、雪、雾对毫米波的影响。典型的部署场景和具体需求如表7所示。

  5G毫米波系统频段在采用高低频混合组网为用户提供大带宽服务之外,还可以将频点单独规划,提供面向行业用户的业务专网服务。

  5G毫米波系统具有大带宽、低时延的特点,如果与MEC相结合,可以更好地MEC技术的特点,同时MEC也可以为毫米波系统叠加丰富多样的增值服务,为毫米波网络赋能。在MEC平台基础上,引入AI技术,将业务与AI结合,则可以为覆盖区域提供“大容量高速率+本地化”的智能解决方案,满足行业客户低时延、大带宽、安全隔离的需求。

  在具体组网方式方面,5G毫米波系统采用SA频点组网,对园区提供深度覆盖,系统需要具备较强的性管理功能。根据具体部署场景,需要毫米波宏站、毫米波微站、毫米波微RRU、毫米波分布式微站等多种形态的设备。在终端方面,需要根据专网业务需求进行定制,如定制化CPE、功能终端、公网专网混合终端。

  专理平台和MEC边远计算平台是园区专网的重要部分,网络架构和数据流如图2所示。

  图2 . 毫米波专网架构和数据流示意图

  从毫米波特性和覆盖能力考虑,5G毫米波适合部署在相对空旷无遮挡或少遮挡的园区。典型的部署场景和具体需求如表8所示。

  5G毫米波产业链发展

  5.1 尽快5G毫米波频谱规划

  频谱是通信产业最根本的生命线G毫米波产业发展,首先需要国内明确毫米波频谱规划和划分。

  在工信部无线年全国无线电管理工作要点》中明确提出“适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划,引导5G系统毫米波产业发展”。5G毫米波频谱规划有望在2019年。

  5.2  5G毫米波设备发展

  如毫米波部署场景所示,丰富的应用场景要求毫米波设备具有丰富的设备形态(见表9)。

  a.多模多频演进要求。

  毫米波设备需要满足运营商多模多频组网方式需求,能够与现网LTE系统、5G低频段系统进行设备形态上的融合。

  对于宏站,要求BBU可以同时支持5G低频段和毫米波频段AAU和微AAU,满足高低频三扇区组网需求。要求射频单元提供5G低频与毫米波系统的硬件融合设计方案,有效降低铁塔租金。

  对于分布式微站,要求系统同时支持5G低频段和毫米波频段,BBU和汇聚单元支持5G低频段和毫米波频段拉远RRU单元的接入。提供5G低频与毫米波频段拉远RRU的融合设计方案。

  b.灵活部署要求

  相对于sub6G设备,毫米波元器件的尺寸更小,单位可以部署更多的天线阵子或者毫米设备更容易小型化。设备需要进行优化设计,减小微站和微AAU单元设备体积,进行美化设计便于隐蔽部署,提供多种方式的供电方案和回传方案。

  c.白盒化发展要求

  采用开源软件+通用器件来代替传统专用设备,利用器件的规模效应摊薄研发成本,降低接入网的综合成本。白盒化将有利于吸引一大批有创新能力的中小企业进入通信产业,使通信产业链由封闭逐步,是未来微站的发展趋势。

  a.带宽和峰值速率

  毫米波设备应支持200MHz、400MHz单载波能力,应支持多载波聚合,总带宽800MHz的能力。毫米波设备应支持QAM和256QAM调制方式,系统峰值传输速率应达到10Gbps以上。

  b.波束赋形

  受制于毫米波特性,毫米波收发机需要采用大规模天线阵列来弥补严重的空中径损失。5G毫米波设备需要充分利用大规模天线阵列和波束赋形技术,提高覆盖能力。

  c.波束管理

  5G毫米波频段系统需要具备较好的波束管理算法,包括控制信道和数据业务信道设计、波束选择、波束反馈、波束以及波束恢复等,UE在过程中的波束选择与波束,UE在遮挡情况下的波束切换与波束恢复能力。

  5.3 5G毫米波终端发展

  面对丰富多样的5G毫米波应用场景,特别是园区专网场景,毫米波终端应根据专网业务需求进行定制,如定制化CPE、功能终端、公网专网混合终端。

  5.4 5G毫米波产业链合作推动

  目前美、日、韩等国已经完成5G毫米波频谱划分并开始部署,产业链较国内成熟。从国际竞争角度考虑,通信行业应该紧抓中国5G快速发展契机,构建5G毫米波合作平台,凝聚毫米波产业力量,引领毫米波技术发展,打造毫米波生态体系,推动毫米波产业链成熟,加速毫米波网络部署,探索合作共赢的5G毫米波业务模式,赋能5G网络,互惠共赢。

  在毫米波产业链合作方面,应由运营商牵头,联合设备厂商、终端厂商、芯片厂商、天线厂商、垂直行业、高校等产业链上下游,不断拓展毫米波应用场景,通过5G毫米波业务试点、规模应用和实际部署,带动产品、平台、业务的研发和迭代,形成多样化的产品和解决方案,增强合作伙伴创新能力和竞争力。

  结束语

  本文从频谱、标准化、产业链、部署情况几个方面对毫米波产业成熟度进行,指出目前国内毫米波产业发展速度较国外缓慢,有待进一步推动。在对毫米波设备进行多厂家测试摸底的基础上,明确当前毫米波设备容量和覆盖能力,并根据毫米波系统特性从网络部署角度提出了高低频混合组网、大带宽回传和园区专网3种可行的5G毫米波部署场景和具体方案。最后站在毫米波产业发展的角度,提出了加速频谱规划、加速设备和终端成熟、加快整合产业力量的产业发展。

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  张忠皓,教授高级工程师,博士,邮电大学教授。主要从事网无线新技术相关课题研究、标准制定、设备验证和新业务研究工作。

  李福昌,教授高级工程师,博士,国家知识产权局中国专利审查技术专家,主要从事通信及固网融合等专业的标准制定、测试验证、课题研究等工作。

  延凯悦,工程师,硕士,主要研究方向为毫米波、MEC、5G通信等。

  高帅,工程师,硕士,主要研究方向为毫米波、MEC、5G通信等。

原文标题:5G毫米波通信系统部署场景和 网址:http://www.eduoduo.net/kejipindao/2020/0114/56556.html

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