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1、中国电信技术创新中心 2017-09 5G大规模天线技术及其它 空口技术 CONTENTS 大规模天线技术分析 天线形态与部署分析 3 目录 1 2 大规模天线标准进展 4应用与测试思考 CONTENTS 天线形态与部署分析 3 目录 1 2 大规模天线标准进展 4应用与测试思考 大规模天线技术分析 大规模天线简介 大规模天线Massive MIMO，又称为large-scale MIMO，顾名思义， 就是在基站端安装上百根天线（128根、192根），从而实现上百个 天线同时发数据。 瑞典Lund大学基于USRP RIO的大规模MIMO测试台 与传统的MIMO相比，Massive MIMO的不
2、同之处主要在于，天线趋 于很多（无穷）时，信道之间趋于正交。系统的很多性能都只与大 尺度相关，与小尺度无关。 在继承传统的MIMO技术的基础上，利用空间分集Massive MIMO可 以有效提升数据传输的鲁棒性。 大规模天线分集增益 大规模天线复用增益 128根天线组成的直线形天线阵列 瑞典Linkiping University、瑞典Lund University和贝尔实验室合作开发了 工作于2.6GHz的128天线阵列，天线阵列的阵元间隔为/2； 128根天线组成圆柱形天线阵列 发送端：采用最大 比发送(MRT)方式 的两种天线阵列的 下行合速率对比。 接受端：单天线4 个用户 图示：下行
3、合速率 vs 基站天线数目 大规模天线复用增益 128天线圆柱阵列 性能 128天线线性阵列 性能 大规模天线增益概述 阵列增益阵列增益 分集分集增益增益 空间复用增益空间复用增益 干扰抑制增益干扰抑制增益 大规模天线高低频应用 大规模天线技术在高/低频应用逐渐广泛 垂直 水平 Massive MIMO技术（6GHz） 提升覆盖 CONTENTS 3 目录 1 2 大规模天线标准进展 4应用与测试思考 大规模天线技术分析 天线形态与部署分析 天线形态发展 2天线8天线Massive MIMO 频段1.8G1.8G2.6GHz 大小（mm3） 13601608014103201059005001
4、90 重量（kg）10kg20.5kg40kg 接口2接口/扇区9接口/扇区光纤接口/扇区 阵子（个数） 1012 (20)842 (64)882 (128) 单列（dBi）16.51714171417 2天线天线8天线天线大规模大规模天线天线 大规模天线增益分析 2天线8天线Massive MIMO 频段1.8G1.8G2.6GHz 大小（mm3） 1360160801410320105900500190 重量（kg）10kg20.5kg40kg 接口2接口/扇区9接口/扇区光纤接口/扇区 阵子（个数） 1012 (20)842 (64)882 (128) 单列（dBi）16.5171417
5、1417 RF通道2通道8通道64通道 10 1 2 8 4(x4) 8(x4)88(x8) 64(x32) 0 10 20 30 40 50 60 70 垂直面阵子数水平面列数RF通道数 2天线8天线大规模天线 小区公共信道覆盖小区公共信道覆盖 大规模天线增益分析 -150-120-90-60-300306090120150180 -39 -36 -33 -30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 angle (degree) magnitude (dB) Horizontal Beam fc= 2560MHz HBW=61.53 -150-120-90-6
6、0-300306090120150180 -39 -36 -33 -30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 angle (degree) magnitude (dB) Vertical Beam fc= 2560MHz HBW=8.30 垂直面HPBW 6.57度 水平面HPBW 655度 小区公共信道覆盖小区公共信道覆盖 大规模天线增益分析 -150-120-90-60-300306090120150180 -39 -36 -33 -30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 angle (degree) magnitude
7、 (dB) Horizontal Beam fc= 2560MHz HBW=61.53 -150-120-90-60-300306090120150180 -39 -36 -33 -30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 angle (degree) magnitude (dB) Vertical Beam fc= 2560MHz HBW=8.30 垂直面HPBW 6.57度 水平面HPBW 655度 10 1 2 8 4(x4) 8(x4)88(x8) 64(x32) 0 10 20 30 40 50 60 70 垂直面阵子数水平面列数RF通道数 2天线8
8、天线大规模天线 由于三种天线每列阵子数接近，垂直覆 盖8天线和大规模天线相对2天线没有增 益（特殊场景除外特殊场景除外，如高楼覆盖）； 由于水平面波束宽度限制，水平覆盖8 天线和大规模天线相对2天线在总功率总功率 相同相同下，覆盖没有明显增益； 用户信道覆盖用户信道覆盖 大规模天线增益分析 10 1 2 8 4(x4) 8(x4)88(x8) 64(x32) 0 10 20 30 40 50 60 70 垂直面阵子数水平面列数RF通道数 2天线8天线大规模天线 用户信道覆盖用户信道覆盖 大规模天线增益分析 10 1 2 8 4(x4) 8(x4)88(x8) 64(x32) 0 10 20 3
9、0 40 50 60 70 垂直面阵子数水平面列数RF通道数 2天线8天线大规模天线 业务波束变窄， 提升覆盖 天线数增加，提 升空间自由度 业务波束业务波束复用流数复用流数 2天线655度2 8天线28度4 大规模天线20度16 设备商样机架构 业界普遍认为，大规模天线是满足5G峰值吞吐量的重要手段之一，多家公 司已经完成了样机的研发和验证。 在6GHz以下频段大规模天线样机仍以国内厂家为主。 目前大部分厂商采用数字架构实现大规模天线样机 为测试需要，实现更高的峰值速率； 低频器件成本相对较低； 容量与覆盖兼顾； 数字波束赋形数字波束赋形模拟波束赋形模拟波束赋形 数字波束赋形数字波束赋形 B
10、ase Station 全数字架构全数字架构DBF Baseband Precoder FBB Ns RF Chain RF Chain 2.6G单基站大规模天线性能 18 华为天线数192天线，64TxRU，频点 2.4G，带宽100MHz；测试终端2天线， 24个测试终端； 最高小区频谱效率：30.5bps/Hz； 2.6G频点样机以TDD为基础进行研究， 在单站测试中，下行平均频谱效率都 获得相对于现有LTE系统3倍的增益。 更复杂环境下的性能需进一步检验。 3.5G单基站大规模天线性能 19 公司公司 天线阵天线阵 子子 RF Chain 载频载频架构架构测试峰值测试峰值 Huawei
11、19264 3.5GHz （200M） 数字16Gbps ZTE19264 3.5GHz （200M） 数字19Gbps CATT256128 3.5GHz （200M） 数字未测 厂家5G样机工作在3.5G频点TDD200M带 宽基础上，在单站测试中，下行峰值频谱 效 率 接 近 7080bps/Hz， 极 限 速 率达 到 19Gbps（200MHz带宽）。 更高速率来源于测试终端，8天线以及更强 处理能力。 大规模天线组网性能仿真 R1-150445（CMCC） 3D-UMi, 200m ISD8TXRU Case 1 (8,4,2,16) subarray Case 2 (8,4,2,
12、32) subarray Case 3 (8,4,2,64) One-to-one 5%UPT(bps/Hz)0.44 0.8 （181.8%） 1.14 （259.1%） 1.25 (284.1%) 50%UPT(bps/Hz)2.29 3.82 (166.8%) 4.48 (195.6%) 4.73 (206.5%) Mean UPT(bps/Hz)2.623.534.044.22 RU50%37%31%30% Simulation results of baseline case for channel reciprocity based operation with MU-MIMO 2
13、Tx SRS (RU: 50%) 覆盖： 考虑公共信道作为覆盖基础，则典型覆盖场景下，8天线和大规模 天线相对2天线覆盖增益不明显； 赋形还可能带来公共信道覆盖稳定性差的隐患； 未来网络很可能以业务信道吞吐量为覆盖标准，则8天线和大规模 天线会带来较明显的覆盖增益；移动测试供参考，以5Mbps小区 边缘速率的要求，8天线下行覆盖半径相对2天线平均提升约39%； 上行覆盖半径平均提升约44%； 大规模天线调整覆盖形态/减少邻区干扰，能提供更好的覆盖概率。 容量： 大规模天线可以带来小区容量提升； 大规模天线技术的复杂性也会带来增益的不稳定性，需要仔细评 估组网条件下大规模天线的性能。 大规模天线
14、增益分析 CONTENTS 3 目录 1 2 4应用与测试思考 大规模天线技术分析 天线形态与部署分析 大规模天线标准进展 5G系统-帧结构 帧结构 支持子帧(subfame)、时隙(slot)和微时隙(mini-slot)结构，以及自包含(self- contained)子帧结构； 帧长固定10ms，子帧长固定1ms； 时隙slot长度 子载波间隔60KHz及以下：7或14个符号； 子载波间隔60KHz以上：14个符号； 子载波间隔 载频6GHz以下：15KHz、30KHz、60KHz； 载频6GHz以上：60KHz、120KHz、240KHz； 一个PRB包含的子载波数目：12 5G系统-
15、帧结构 5G系统-自包含帧结构 自包含帧结构 一个子帧中包含上行和下行 下行数据和ACK/NACK在同一个子帧内传输 下行调度信令和上行数据在同一个子帧内传输 01234 DcDdDdDdDd 6 Uc Max. TA PDSCH scheduling HARQ-ACK Slot (e.g. 0.125 ms) X ms 0 Dc 23456 UdUdUdUdUc Max. TA PUSCH scheduling Slot (e.g. 0.125 ms) Y ms PCI (Physical cell ID)数目 1008（LTE PCI=PSS+3*SSS，504个） ECI 36bits
16、- 687亿（LTE 28bits） 波形 DL: CP-OFDM UL: CP-OFDM或DFT-S-OFDM 信道编码 eMBB数据信道：LDPC（Turbo） eMBB控制信道/广播信道：Polar 5G系统波形与编码 带宽 单载波最大带宽400MHz（LTE：20MHz） 载波聚合/双连接 最多支持16个载波（LTE 下行5个） 5G系统载波聚合与多天线 大规模天线 LTE演进 28 更多天线端口，更精确的信道反馈 Rel-8: TM4 for 2Tx Rel-8 TM5 for MU TM7/8/9 TDD (non-CB) Rel-10: TM9 for 8TX Up to 8 layers Rel-12: Do
