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淺析大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響_欒帥.doc

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?淺析大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響一欒帥欒帥,馮毅,張濤,許于君MonthlyFocus淺析大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響本期關注淺析大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響欒帥,馮毅,張濤,許于君(中國聯通網絡技術研究院,北京100048) LuanShuai, FengYi, ZhangTao, XuJun(ChinaUnicomNetworkTechnologyResearchlnstitute, Beijingl00048, China)AnalysisofMassiveMIMOAntennaDesig nan dltsl nflue nceon 5GSystem摘要:5G系統的研究方興未艾,其中大規模MIMO及天線設計受到廣泛關 注。介紹了大規模MIMO系統對天線設計的耍求,分析了夭線的具體結構、 技術參數及難點,結合天線數量、工作頻段和信道估計,討論大規模MIMO 對5G系統的影響。關鍵詞:大規模MIMO;天線;5G;毫米波doi: 10.16463/j.cnki.issnl007-3043.2016.07.007 中圖分類號:TN929.5文獻標識碼:A文章編號:1007-3043 (2016) 07-0028-05Abstract:Researcho n5Gsystemhasbeeni ntheascenda nt, massiveMIMOa ndante rm adesig nhavereceivedextensiveatte ntion .Therequirem en tsof massiveM I MOsystemfora ntenn adesig nareintroduced.Thestructure, tech nicalparametersa nddifficultiesofa ntenn aarea nalyzed.Thei nfluencesofmass iveMIM Oon 5Gsystemarediscussedcombi nedwith nu mberofthea ntervnas, freque ncya ndcha nn elestimatio n.Keywords:MassiveMIMO; Antenna; 5G; Millimeterwave0引言互聯網與移動通信網的深度融合,催生了廣大移動用戶對數據業務近 乎無止境的需求,同時令原木為通信而生的移動網絡逐步向傳媒的方向演 進。雖然4G網絡的逐步建成,網絡規模趨于穩定,但頻率資源緊缺、能 源的巨大消耗以及網絡的優化問題卻不容忽視。世界各國在推動4G產業 化的同時,己開始著眼于新一代無線移動通信技術的研究,力求使移動通 信系統性能和產業規模產生新的飛躍,5G概念呼之欲出。根據我國 IMT-2020 (5G)推進組的定義,5G需耍具備比4G更高的性能,支持0.1? 1Gbit/s的用戶體驗速 收稿日期:2016-06-07率,每平方千米一百萬的連接數密度,毫秒級的端到端吋延,每平方千米數十Tbit/s的流量密度,500km/h以上的移動性和數十Gbit/s的峰值速率。在關鍵技術方面,超密集組網、大規模MIM0、 非正交傳輸、高頻段通信、C-RAN. SDN/NFV、內容分發網絡(CDN)等均 被認為是5G的潛在關鍵技術。就空中接口而言,大規模MIMO系統通過 使用空間復用和減輕干擾,是解決無線數據服務指數增長問題的最重要的 技術之一。而陣列天線是大規模MIMO的必要條件,天線的設計方案及對 于大規模MIMO系統的實現十分重耍,甚至直接影響到5G系統的性能指 標。1大規模MIMO研究進展作為5G移動通信系統的核心技術之一,大規模欒帥,馮毅,張濤,許于君本期關注淺析大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響MonthlyFocusMIMO的研究與標準化進程與5G同步進行,吸引著全球范圍內政府 機構、研究組織、運營商和設備廠商的持續關注和投入。國際方面,2012年,ITU、3GPP開始組織全球業界開展5G標準化前 期研究。同年,歐洲推動METIS計劃發展5G,并于2014年成立5GPPP, 聯合ICT行業、屮小企業和歐盟委員會合作推動歐洲的5G技術研究和產業 發展。美國在5G發展上主要由芯片商高通和運營商Verizon主導,與思科、 諾基亞、三星等設備廠商合作,計劃2016年進行5G外場測試,2017年開 展5G試商用。國內方面,2013年,中國成立IMT-2020 (5G)推進組,2014年發布 5G愿景與需求白皮書,宣布2016—2018年分3個階段進行:5G關鍵技術 試驗、5G技術方案驗證和5G系統驗證。其中計劃從2017年開始開展5G 外場試驗,基于3.5GHz頻譜,設備內置128/256單元大規模密集陣列。同 吋,在5G高頻段方面,推進組開始了關于毫米波和大規模MIMO的標準 化進程,包括高頻段通信技術專題組和大規模天線技術專題組。標準化進展方面,在3GPP中大規模MIMO的標準化進程分階段展開。階段三維信道模型標準化,于2013年9月啟動研究,為后續的 3D-MIMO和大規模MIMO研究做準備,己于2014年9月完成。階段2: 3D-MIMO的標準化,已立項研究,包括更多的天線端口數(16^32個)、3D-MIMO的設計方案及性能評估等,已在R13版本中引入。階段3:大規模MIMO標準化,在階段2的基礎上進一步增加天線數 量(如128、256個),實現20個或更多用戶的多用戶傳輸。大規模MIMO 標準化的具體時間點與5G系統標準化的整體計劃息息相關,預計在 R14/15版本開展研究,并在2019年前完成。樣機試驗方面,愛立信于2014年推出5G原型機,同年7月,在15GHz 頻譜上實現了 5Gbit/s的吞吐率。2015年2月,實現了 5G、LTE雙連接和 5G多點連接,隨后在6月又實現了一臺5G移動設備同吋連接到多個5G 蜂窩基站,實現多點連接。2016年,愛立信使用波束賦形技術以及 MU-MIMO和大規模MIMO等技術測試5G性能,峰值下行速度超過了 25Gbit/So華為攜手中國移動在2014年9月完成全球首次MassiveMIMO多天線 解決方案應用于TD-LTE網絡的演示。2015年20月,華為在成都開展了 5G 空口新技術的外場驗證,基于MU-MIMO技術,在6GHz以下頻 段宏蜂窩組網場景支持同時接入24個UE終端,在100MHz帶寬下, 單小區平均下行吞吐量達到1.34Gbit/s,峰值下行吞吐量達到3.6Gbit/So 2016年5月,屮國聯通與華為開展了 5G實驗室以及外場聯合測試,聚焦 在6GHz以下C頻段3.5GHzMassiveMIMO技術,實現了 5Gbit/s以上的單 用戶峰值速率,多用戶峰值速率達到10Gbit/s以上。從冃前的進展來看,5G的商用時間預計在2019—2020年,LTEFDD及 TD-LTE兩大4G制式最終將統一,宏站覆蓋場景的基站天線形態將采用規 模密集。省略部分。需要對每個 單元通道進行功率矢量校準,對校準的幅度和相位精度也有很高的耍求, 普通的鏈接方式無法實現。4大規模MIMO天線對5G系統的影響4.1天線單元數量一個MIMO系統的容量隨著發射機和接收機兩側的天線單元的最小數 量呈線性增加。本質上,發射機或接收機配置越多的天線單元,傳輸信道 就可以提供更高的自由度,系統就可以得到更好的性能、更高的鏈路可靠 性和數據速率。但是,受制于物理約束,諸如信號處理的能源消耗、越來 越復雜的硬件和計算等,在實際系統中天線單元的數量不能任意大。所以, 一個大規模MIMO系統中需要多少天線單元成為首先要解決的問題。有研究仿真分析了 4個蜂窩、每個蜂窩有10個單天線用戶的系統的 和速率。結果表明,在低信噪比情況下,可實現的速率隨著安裝大量的額 外基站天線單元顯著提高。當基站天線單元的數量超過100,和速率趨于 穩定,接近于有無數個基站天線單元的可實現的上行速率的下界,并和信 噪比無關。當基站天線單元繼續增加時,和速率也基本保持恒定。對有不同天線陣列的系統,有研究給出了一些和速率的性能仿真結果。 對于一個給定的多路復用層K (相當于單天線用戶同時接入的數量),和速 率隨著基站天線單元數量M的增大而第一次增大,并且當基站郵電設計技術/2016/07大規模MIMO天線的實現需要考慮多種因素,如 多頻段、小型化、低剖面、易集成、阻抗匹配、單元方向圖、極化特 性、單元間距、陣列布局與單元間的耦合等。主要難點如下。a)天線間距與相關性:大規模MIMO系統屮基站配置有大量天線,天線密度過高,挨得太近容易使傳輸信道呈現相關性,降低信道容量。以 線性天線陣列為例,當天線間距小于半波長時,由于天線間相關性比較強, 導致大規模天線陣列系統提升頻譜效率的能力下降。為保證信道不相關, 天線之間的距離至少需要保持在四分之一波長以上,頻段越高,波長越小, 相同的空間可布局的天線數目更多。31欒帥,馮毅,張濤,許于君MonthlyFocus淺析大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響本期關注天線單元的數量大到一定值時,和速率趨于穩定。當K大于8,直到 基站天線單元的數量增加到大于128,和速率才會減緩,增長速率下降。 而如果K很?。ɡ鏚=l, 2, 4),當基站天線單元的數量增到約64,和 速率的提高很慢,甚至趨于穩定。這意味著靠大量的額外基站天線單元來 提高系統容量是沒冇意義的??俍, —個大規模的MIMO系統所需耍的基站天線單元數量取決于具 體的情況。當多路復用層小于4時可被設為64,當多路復用層大于8時可 被設為128。4.2TDD與FDD模式冃前5G系統的研究和試驗樣機大多基于TDD系統而非FDD系統,這 在一定程度上與信道估計的開銷大小冇關,而信道估計的開銷與天線數量有關。對于常規MIMO系統,基站側獲取信道狀態信息后方可進行下行多 用戶預編碼和上行多用戶檢測。MIMO系統中用于信道估計的時間或頻率 資源與發射天線數量成正比,與接收天線數量無關。對于TDD系統,由于 上下行傳輸使用相同的頻率,基于信道互易性的假設,只需要對上行鏈路 進行信道估計即可,即信道估計僅與終端天線數量有關。對于FDD系統, 由于上下行使用不同的頻段,那么上下行的信道狀態信息也不同,需耍分 別進行估計。對于上行,開銷與TDD系統相當;對于下行,需要2個步驟: 首先基站向所有用戶發送導頻符號,然后所有用戶反饋各自估計的下行信 道狀態信息給基站。傳輸下行導頻符號所需的時間與基站側的天線數量成 正比。隨著基站側天線數量的增長,FDD系統中傳統的下行信道估計策略 變得不可接受。例如,假設信道相干間隔為ImsXIOOkHz,能夠支持100 個符號的傳輸。當基站側天線數量為100 Ot,如果正交波形用于每個天線 的信道,那么所有的相干間隔都將用于傳輸下行導頻符號,從而沒有空間 用于傳輸數據。一些研究提出了減少FDD系統信道估計開銷的方法。假設存在某種信 道稀疏性,例如只有少量強特征方向需耍估計,或者信道響應在時間上表 現稀疏特征,當這種假設成立吋,信道估計的開銷冇所降低。低頻段的信 道測量結果表明,信道稀疏性存疑。然而在毫米波頻段,信道稀疏性有可 能成立,從而有望將大規模MIMO與FDD系統結合。4.3天線頻段工作頻段是天線的關鍵參數,隨著5G高頻段研究的廣泛開展,30GHz 或更高頻段的毫米波通信備受關注,該頻段頻譜相對寬松,可用帶寬也更寬,便于實現 容量和頻譜效率的顯著提升。毫米波技術同樣適用于大規模MIMO和 異構網絡,3個概念之間存在明顯的共生關系:毫米波頻段的傳播損耗很 大,但有利于控制微基站小區的覆蓋范圍,適用于異構網絡;毫米波波長 更短、頻率更高,有利于縮減大規模MIMO天線的陣列和電子元器件的尺 寸;天線單元數量的增加能夠提高波束賦形增益,從而克服傳播損耗,擴 展覆蓋。關于毫米波的諸多重要的問題仍然需要研究。例如,毫米波的傳播并 不遵循Rayleigh衰落模型,而是更傾向于視距傳播或者近似視距傳播,對 于實現空間復用增益,這一點的重要性顯而易見。此外,毫米波頻率的使 用意味著更高的多普勒偏移,對于一個給定的速度,相干時間可能更短。5總結及展望本文首先回顧近期5G大規模MIMO技術的研究進展,接著介紹MIMO 系統的技術原理,結合系統對天線的設計要求,以一種典型的方案為例, 分析大規模MIMO天線的具體結構、技術參數及難點,最后從天線角度出 發,就大規模MIMO對5G系統的影響展開討論。隨著相關研究的持續深 入,懸而未決的問題有望找到解決方案,推動大規模MIMO和5G成熟商 用。參考文獻:[1] MARZETTATL.NoncooperativeCellularWirelesswithUnlimitedNumbersofBaseStationAntennas [j] .1 EEETransactionsonWire? [2_BIGUESHM, GERSHMANAB.Training-basedMIMOchannelesti?mation: astudyofestimatortradeoffsandoptimaltrainingsignals [j]?[3]RUSEKF, PERSSOND, LAUBK, etal.ScalingupMIMO: Opportu?nitiesandChallengeswithVeryLargeArrays[j].Mathematics, [4]LARSSONE,EDFORSO, TUFVESSONF, etal.MassiveMIMOforNextGenerationWirelessSystems [j] .1 EEECommunicationsMaga?zine, 2013, 52 (2): 186-195.2012, 30 (1): 40-60.lEEETransactionsonSignalprocessing, 2006, 54 (3):884-893.lessCommunications, 2010, 9 (11): 3590-3600.
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