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5G關鍵技術FDD Massive MIMO商用難?中國電信專家這麼看

5G關鍵技術FDD Massive MIMO商用難?中國電信專家這麼看

近期有關Massive MIMO商用的話題很多,筆者特邀請電信無線領域專家談一談。文章已刊登在通信世界雜誌3月15日一期,分享如下。

電信技術創新中心副主任 楊峰義(資料圖)

隨著5G標準的發展,第一個3GPP的5G NR標準版本Rel.15計劃於2018年6月完成。5G商用場景眾多,如增強移動寬頻(eMBB)、低時延與高可靠通信(URLLC)、大連接物聯網(mMTC)等,其中eMBB業務場景是最傳統、運營商最關注、與用戶關係最密切的。

在眾多5G技術中,對eMBB業務性能影響最大的是Massive MIMO。可以預見,未來的5G商用產品中,Massive MIMO是最有可能優先部署的5G標誌性技術。

從產業鏈角度看,眾多設備商已經提前開展了Massive MIMO的技術研究和產品開發工作,主流設備商(如華為、中興等)提出了「5G技術4G用」的理論,其中的主要技術就是Massive MIMO。

Massive MIMO的發展 TDD快於FDD

在全球移動商用網路中,MIMO技術在TDD網路中的發展一直快於FDD網路,因為TDD網路具有通道互易性,相對於FDD網路更容易獲得下行的通道信息,使得TDD網路的多天線產品複雜度更低、設備體積更小。

因此從3G的TD-SCDMA到4G的TD-LTE網路,8×8多天線基站系統都已經開始商用,這也為設備商在4G演進和5G系統中採用更多天線數量的Massive MIMO技術奠定了基礎。因此最早的Massive MIMO預商用樣機是在2015年推出的基於TD-LTE系統的Massive MIMO樣機。

2015~2016年,移動與華為、中興在TD-LTE商用網上開通了Massive MIMO基站並完成外場驗證測試,4G商用智能手機在現網單載波帶寬為20MHz的頻譜中實現下行大於300Mbit/s的吞吐量。日本軟銀(SoftBank)公司於2016年宣布完成了大規模天線商用測試,將在日本全國43個城市部署TDD Massive MIMO。

預計2017年軟銀會在日本全國範圍內的幾千個站點進行Massive MIMO部署。2016年10月,西班牙Telefonica電信與中興完成了歐洲首個Pre5G大規模天線設備的測試,驗證了該技術在熱點以及室內場景的應用性能。

基於TDD Massive MIMO技術不僅在4G演進系統中取得了商用進展,而且在5G系統中也得到了不斷推進。IMT-2020(5G)推進組在2016年完成了第一階段的5G關鍵技術驗證,通過對這個階段5G單項關鍵技術樣機的測試,對5G候選關鍵技術的性能進行了初步評估。

這個階段的測試對象為業界主流企業研發的關鍵技術試驗樣機,華為、中興、大唐、諾基亞等多家設備商都測試了基於TDD制式的5G大規模天線樣機的性能,並在單基站下獲得峰值約30bit/s/Hz的頻譜效率。因此,目前業界TDD的大規模天線發展無論在4G和5G系統中,相比FDD都更加領先。

相比於TDD大規模天線技術在2014~2016年的預商用網路中迅速發展,FDD大規模天線技術一直處於研究階段,儘管在3GPP Rel.12和Rel.13版本中已經對LTE的MIMO技術進行演進,從下行最多支持8埠到16埠再到32埠,但是FDD大規模天線的研發樣機始終處於停滯狀態。

FDD大規模天線樣機測試成功 大規模商用存在諸多挑戰

面對全球廣闊的LTE FDD市場和運營商期望大規模天線早日在LTE FDD網路商用的積極態度,2016年設備商終於在FDD Massive MIMO技術上發力。從2016年底到2017年初,中興和華為都發布了FDD大規模天線商用樣機,並與電信和聯通完成了初步測試。單站初步測試結果表明,FDD大規模天線可以在現有頻譜基礎上將小區吞吐量有效提升3倍以上,具有明顯的性能增益。

FDD大規模天線樣機的測試表現讓人感到驚喜,但從目前發展狀況來看,FDD的大規模天線要想如TDD大規模天線一樣能夠儘快部署和商用,仍然存在諸多挑戰。

1、技術挑戰

FDD大規模天線的最大技術挑戰在於基站如何簡便地獲取用戶的通道信息。一般來說FDD網路都需要終端反饋通道測量的情況,這種情況在天線埠較少的情況下反饋開銷並不明顯,但是如果大規模天線支持64或128天線埠下仍然採用反饋通道的方式,就會帶來較大的通道開銷,因此相對TDD網路互易性的通道獲取方式,如何更簡便地獲取通道信息對FDD網路而言是巨大的挑戰。

同時如前文所述,基於TDD網路的多天線系統經過3G、4G時代的商用部署,產品多次升級已更加完善,同時也積累了很多商用經驗,而FDD的多天線技術在經驗方面仍然欠缺。

2、設備挑戰

從系統和終端兩個方面來說,TDD大規模天線相比FDD大規模天線具備更好的產業基礎。目前TDD大規模天線測試中,一般使用基於3GPP Rel.9版本的終端,並採用TDD系統特有的TM8波束成形技術。

由於現階段大部分TD-LTE商用終端均支持大規模天線傳輸,因此在規模商用上,基於TDD的大規模天線在系統和終端產業鏈兩方面都不存在太大的問題。而對於FDD大規模天線的商用,雖然從理論研究、標準化支持以及設備實現等角度來看,FDD Massive MIMO技術具有可行性,但目前設備商對於FDD Massive MIMO的研究尚處於初級階段,產品規劃尚不成熟,僅部分廠商表明有研發及樣機設計計劃。

FDD大規模天線終端的解決方案更加傾向於使用能夠實現用戶級參考信號傳輸(DMRS)和支持DMRS波束成形的TM9技術。從當前商用的FDD終端使用情況來看,目前支持TM9的基站並沒有得到商用,而FDD終端中支持TM9晶元的比例也不足20%,因此,FDD大規模天線的商用還需要依靠Rel.10及以上版本的終端產業鏈的支持才能快速實現。

3、測試挑戰

TDD和FDD的大規模天線都存在如何測試、如何測好的挑戰。傳統的天線採用BBU+RRU的架構,基站設備規範中一般只包含RRU和BBU的相關技術指標要求,而天線指標則在天線設備規範中單獨存在,僅需通過CABLE的傳導測試檢驗設備的各項指標。

而對於採用與有源天線(AAS)相似架構的大規模天線,其RRU和天線採用一體化設計,使得天線的指標無法單獨測試,需要通過OTA測試完成。這就導致傳統的測試指標以及方案無法復用,需要進行重新設計。此外,隨著射頻通道數的大幅增加,測試複雜度也隨之提高。

4、部署挑戰

大規模天線技術不僅帶來更多天線、更高增益,也帶來更大的設備體積和重量。這使得大規模天線的安裝和維護更加困難。儘管FDD和TDD的大規模天線都有安裝維護的類似困難,但是FDD大規模天線的困難更加突出,因為FDD相比於TDD均位於較低頻段,因此天線尺寸更大,並且在FDD設備中收、發射頻通道是分開的,這也增加了大規模天線的體積和重量以及設備複雜度。因此在通道數相同的情況下,FDD大規模天線的體積、重量、成本相比TDD大規模天線都更高。

5、組網測試驗證

當前業界的大規模天線性能測試(包括TDD和FDD)大部分結果基於單站或者「插花式」的小數量基站測試,而規模組網下的天線性能將受到小區間干擾、控制通道覆蓋、波束管理等因素的影響,因此需要在大規模商用前對其進行進一步驗證。

如何克服挑戰 加速FDD Massive MIMO商用進程

儘管FDD大規模天線技術面臨諸多挑戰,但是設備商和運營商應該齊心協力克服挑戰。一方面設備商的解決方案要兼顧Rel.10及以上版本的終端和存量終端,保證在網用戶增益最大化,另一方面要做好新終端演進產業鏈的推動,加速在網用戶終端更新換代。

同時在系統設備方面要平衡好設備複雜度、成本與網路性能的關係,通過合理的取捨幫助運營商以更低的成本、更便捷的部署方式實現FDD大規模天線樣機的部署。在降低成本、提高部署靈活性方面,電信提出的模塊化大規模天線方案也值得探索。

只有FDD大規模天線系統通過預商用並具備真正商用的價值,才能夠為運營商和設備商帶來價值。目前全球黃金頻段和主流網路以FDD為主,因此FDD大規模天線具備廣闊的市場前景。希望隨著設備商和運營商的共同努力,能夠不斷克服所面臨的問題與挑戰,進行更多、更全面的測試驗證,最終加速FDD Massive MIMO的商用進程,為全球運營商開展流量經營開闢新的、更廣闊的發展空間。

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