5G毫米波机遇及挑战

作者:中国移动通信有限公司研究院 王大鹏,付吉祥,曹丽芳,邓伟 责任编辑:程琳琳 2021.09.10 07:22 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)5G定义了eMBB、uRLLC和mMTC三大场景,对容量,时延,可靠性和连接数均提出了更高要求,到目前为止,中国移动已经部署50万以上的5G中频段基站,到年底前预计还会新增20万低频段的共建共享基站,当前5G网络为2C用户带来了较好的网络体验。毫米波相比中低频可提供更大带宽、更高速率、更低时延,有望更好支撑2C、2H、2B、2N等用户的多样化业务需求,但同时也面临众多挑战,需要产业加强对毫米波技术和应用的研究和探索。

5G毫米波的特点和优势

5G毫米波支持400MHz的小区带宽,800MHz的载波聚合,因此具有单用户高速率优势,根据目前实测数据,在考虑载波聚合的情况下,毫米波上下行单用户峰值速率可达1Gbps和3.7Gbps以上,相比中频段分别提高了2倍和20%,后续通过算法优化和256QAM高阶调制的标准化完成,单用户速率有待进一步提升。毫米波的子载波间隔为120KHz,即slot时长为0.125ms,是中频段NR的1/4,故具有更低的时延性能。根据实测数据,毫米波的RTT环回时延低于4ms,是2.6GHz NR和FDD系统的一半。由此可见,作为5G的重要组成部分,毫米波将能够进一步释放5G的潜力。

但毫米波易受遮挡、穿透特性差的频率特性,导致覆盖性能相比中低频有较大差距。根据我们的外场测试,在室外场景中, EIRP为48dBm情况下 LOS覆盖距离为400~500米,NLOS场景则受限于遮挡程度。室内场景中,以LOS覆盖为主,可覆盖60米左右。在室外覆盖室内场景中,覆盖范围存在较大挑战,主要受限于墙体遮挡。总体而言,毫米波穿墙损耗较高,不适合用于室外覆盖室内场景。纯室外覆盖场景下,在茂密植被、建筑楼宇遮挡损耗高的场景时,容易掉话,连续组网成本高,毫米波更适合部署于LOS或具备良好反射路径的区域性覆盖场景。

毫米波商用及产业进展

目前世界主要经济体已经完成或者正在进行5G毫米波的频谱规划。国际上对毫米波的频谱规划大部分集中在24.25~43.5GHz之间,我国已规划确定的试验频谱为24.75~27.5G。其中美国、日韩等地的毫米波的应用节奏较快,已经进行了部分地区的商用部署,中国也在2017年开始了毫米波技术试验。根据GSA最新的数据,目前全球已有28家运营商在毫米波频段进行了商用部署。

具体到毫米波端到端设备,在基站设备领域,主流设备厂商已经陆续推出毫米波商用基站产品,目前普遍支持满足密集城区覆盖需求、EIRP大于65dBm的室外覆盖产品,部分厂商还发布了满足高穹顶室内场馆覆盖及街道覆盖的杆微站产品,该产品的EIRP规格一般在40或50dBm左右。但分布式的皮站目前尚未有产品推出,一些毫米波室内场景目前主要借助杆微站解决。在终端及芯片领域,主要的芯片解决方案厂商:高通、海思、三星、MTK等也都推出了其毫米波芯片方案,目前全球商用的毫米波终端已有约70款,主要还是以手机和CPE为主,数字通道数为2T2R。

中国移动始终致力于新技术的研究,早在2017年便成立了毫米波项目组,在总体规划、技术标准、产品方案、关键器件、测试验证等几个领域开展毫米波相关的工作。总体规划包括毫米波频谱策略、应用场景、系统设计等研究工作。其他的研究点包括多天线、系统参数、组网等技术标准,毫米波基站架构、波束赋形、覆盖增强等产品实现方案。此外中国移动对毫米波关键器件的性能、产业情况等也非常关注,一直致力于上游产业链的推进工作。毫米波与中低频的测试方案有很大不同,为此中国移动研究院也与信通院等产业界同仁一起开展了毫米波测试环境和方法的研究。

毫米波应用场景及系统参数探索

毫米波作为sub-6G的补充和增强,需要我们先探索清楚毫米波可能的适用场景。毫米波具有大容量、低时延的优势外,还具有更高距离分辨率、更强定位精度等优势,可探索2C、2B和通感一体等场景的应用。2C场景下,体育场馆、机场等特殊大容量场景,在高清、超高清视频等高速率业务逐渐普及后,可能存在容量需求无法满足的问题,毫米波可用于这些热点的容量补充。通感一体化场景下,可探索在自动驾驶、无人机等应用中,提供更高的距离分辨率、角度精度和定位精度以满足行业需求。

毫米波的这些特性还将助力工业智能化革命,在2B场景中发光发热。例如,在高铁车地通信场景中,列车进站后,运行过程中产生的视频监控、机器运行状态、传感器等数据需要与车站同步,传统方式为视频卡拷贝,效率和实时性很低。该场景的传输特点为信息传输距离短,多为LOS环境,传输时间短、数据量相对较大。使用毫米波则能够提供强大的优势,50秒内传输50GB的数据,最大上行传输速率超过1.5Gbps,无需人工干预。在密集部署的工业相机、智慧工厂等2B应用场景下,无论是1.17Gbps的上行速率要求,还是低于5ms的时延刚需,亦或者5个9的可靠性需求,毫米波都可更好的保障2B行业的应用。

3GPP定义毫米波可支持50MHz/100MHz/200MHz/400MHz不同的载波带宽。综合考虑端到端的性能,第一:小区带宽越大,公共开销越小,邻区关系越简单,切换次数越少,更易达到负载均衡; 第二:由于毫米波流数及调制方式低于中低频段,小区带宽支持400MHz方能体现毫米波优势,是技术演进的必然趋势; 第三:基站支持小区带宽400MHz相对200MHz无成本、技术复杂度提升,终端侧支持400MHz*1及200MHz*2无本质差别。因此我们建议基站和终端支持的载波带宽一致,优选400MHz,同时考虑到未来分配的频谱可能不是400MHz的整数倍,也同步建议支持200MHz。目前产业大多数都支持单载波100MHz,少数基站和终端已经支持单载波200MHz带宽,但400MHz小区带宽目前产业还无规划。建议产业伙伴们联合推动支持400MHz小区带宽。

5G毫米波帧结构定义非常灵活,考虑目前的产业、性能和需求分析,建议网络和终端支持3D1U(即DDDSU)、2D2U(即DDSUU)和1D3U(即DSUUU)等多种帧结构。3D1U适用于补热补容场景业务,比如交通枢纽;1D3U适合仅上行有大流量需求,下行无速率要求的场景,比如工业视觉; 2D2U适用于上下行吞吐量均有较高需求的场景,比如园区办公;同时考虑毫米波覆盖范围小,易衰落,交叉时隙干扰相对较小,可考虑根据垂直行业不同业务需求,配置不同的帧结构,实现灵活的帧结构配置或调整。目前产业主要聚焦在3D1U和1D3U两种帧结构上,建议产业也考虑灵活帧结构的配置或调整方式。

目前比较成熟的毫米波架构主要还是数模混合的波束赋形架构,在这种架构下,毫米波基站的EIRP由单通道的输出功率以及通道的规模共同决定,而单通道的功率又决定了器件的工艺选择。不同形态规格的基站产品,需要结合使用需求,进行细致的指标分析,制定合适的基站产品参数。目前毫米波基站产品其射频前端大多采用了硅基工艺,但在砷化镓等化合物材料和工艺上建议产业界继续深入探索。

毫米波的应用挑战及目标建议

虽然毫米波在全球已经有部分商用,但我们也发现相较于于中低频,毫米波的产业成熟度还较低,与商用的目标还有一定的差距。典型的问题包括:1、基站设备的成本高和性能不足:基站设备目前主要以杆微站为主,站型较单调,EIRP较低,覆盖能力不足,缺乏真正满足广覆盖需求的宏站站型;由于全球产业规模小,覆盖效能低,因此基站设备成本还比较高,大概为同部署场景的sub-6G站型的2倍;基站功率效率低、功耗大,并且尚无法完全支持网络所需功能。2、终端的能力仍有待加强,目前的商用终端主要以支持28G频段为主,对我国的26G频段支持力度较弱,同时单载波带宽较窄,产品形态少,我们认为未来毫米波的应用应该涉及到多种多样的需求,诸如娱乐、工业等领域,因此终端可能还会出现头盔、机械臂等各种形态的产品。另外,支持毫米波的终端型号较少,增加毫米波频段后成本比纯sub-6G终端高约10%以上。手持终端上行发射能力不足,需要持续优化。3、基站关键器件性能较弱,例如发射功率、噪声系数、效率、集成度等仍有提升空间。4、毫米波测试技术不成熟,毫米波依赖OTA测试技术,但现在毫米波的测试模型不完备,尚无成熟端到端测试系统。测试效率低、成本高。

对于以上挑战,我们提出几点近中期毫米波应用的目标和建议:对于毫米波基站,应进一步丰富站型规格;在高低频协同组网上,我们的目标是既可以与sub6G协同组网也可以面向局部区域进行毫米波的独立组网,目前的功能实现上还有待成熟;在帧结构上我们希望面向不同的场景可以支持灵活的帧结构,目前产业还主要支持以下行为主的帧结构。此外,诸如IBW带宽、多用户MIMO、MCS等级、功率效率等仍有一定的上升空间。对于毫米波终端,我们建议具备更多的形态,支持国内规划的n258全频段,单载波支持400MHz带宽。对于毫米波器件,持续提升性能和集成度。在测试方面,尽快支持高效、完备的测试方案。

最后面向毫米波中远期发展,技术创新大有可为,例如面向架构演进的全数字波束赋形架构及透镜天线架构,提升覆盖的智能超表面赋形技术及超表面覆盖增强技术、与感知结合的毫米波通感一体化技术、优化天线设计的稀疏阵方案等,希望业界专家学者们共同研究和探索,碰撞出更多创新思维的火花。

结束语

5G技术的高质量发展离不开高、中、低频段的协同发展。其中,高频段是保证网络高速率和大容量的关键频段。在5G未来发展中,毫米波技术将发挥重要的补充作用。希望产业伙伴共同探索5G毫米波的适用场景、高性价比的端到端实现方案,打造健壮、完善的产业链,充分挖掘毫米波的技术和商业潜力,共同为毫米波产业的发展添砖加瓦。

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