5G高頻關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試性能分析

王巍 愛立信（中國(guó)）通信有限公司研發(fā)中心系統(tǒng)技術(shù)部高級(jí)技術(shù)經(jīng)理

劉愔 愛立信（中國(guó)）通信有限公司研發(fā)中心系統(tǒng)技術(shù)部高級(jí)技術(shù)經(jīng)理

5G高頻關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試性能分析

王巍 愛立信（中國(guó)）通信有限公司研發(fā)中心系統(tǒng)技術(shù)部高級(jí)技術(shù)經(jīng)理

劉愔 愛立信（中國(guó)）通信有限公司研發(fā)中心系統(tǒng)技術(shù)部高級(jí)技術(shù)經(jīng)理

5G技術(shù)方興未艾，各種候選技術(shù)獲得業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合高頻技術(shù)在5G中的應(yīng)用場(chǎng)景和關(guān)鍵技術(shù)，介紹了愛立信開發(fā)的5G高頻無線空口測(cè)試床，分享了在中國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段的測(cè)試結(jié)果，分析并總結(jié)了5G高頻技術(shù)的出色表現(xiàn)。

5G；高頻段；大帶寬；Massive MIMO；波束跟蹤；MU-MIMO

1 引言

隨著社會(huì)對(duì)5G技術(shù)越來越關(guān)注，5G已經(jīng)不再僅僅是人們通話的手段，它更承載了人們突破傳統(tǒng)的移動(dòng)無線寬帶（MBB）業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的決心和愿景。ITU定義了5G三大應(yīng)用場(chǎng)景，包括增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（URLLC）和大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）。對(duì)于提供極致體驗(yàn)的高傳輸速率的5G應(yīng)用，如eMBB，大帶寬的使用是必須的。從全球范圍來看，較低頻段（如6GHz以下）獲取大段帶寬的可能性微乎其微，只有高頻還蘊(yùn)藏著相對(duì)豐富的頻譜資源，在更高頻率上可以獲得更大帶寬，從而可以大幅提升用戶吞吐量和系統(tǒng)容量。因此，高頻技術(shù)成為5G系統(tǒng)中一個(gè)重要的候選技術(shù)，重點(diǎn)面向超大帶寬的極致eMBB業(yè)務(wù)。WRC-19AI1.13議題也將對(duì)未來5G在6GHz以上的候選頻段進(jìn)行研究。此外，高頻信號(hào)衰落快，鄰小區(qū)的干擾會(huì)大大降低，適合超密集組網(wǎng)。大規(guī)模天線（MassiveMIMO）是5G中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，非常適合在高頻上工作。高頻的波長(zhǎng)小，可以設(shè)計(jì)尺寸更緊湊的天線，更適于MassiveMIMO的部署。

另外，針對(duì)6GHz以上頻率的無線傳播特性得到了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。在5G聯(lián)合研究項(xiàng)目METIS中，就展開了針對(duì)高頻的信道研究，為5G應(yīng)用場(chǎng)景更新了相關(guān)信道模型。盡管困難重重，關(guān)于5G高頻的研究還是取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。本文將重點(diǎn)介紹愛立信無線空口高頻測(cè)試床和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)以及室內(nèi)外測(cè)試的結(jié)果及結(jié)論。

2 高頻測(cè)試樣機(jī)簡(jiǎn)介

愛立信公司最早于2014年開發(fā)了工作在高頻（如15GHz）的5G無線空口測(cè)試床，用于展示5G系統(tǒng)能力和研究5G高頻傳播特性和關(guān)鍵技術(shù)。2016年夏天，愛立信公司攜最新一代無線高頻測(cè)試床參加了工信部組織的中國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段測(cè)試，出色完成了高頻及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)驗(yàn)證，如Massive MIMO，波賦形（Beam Forming），波束追蹤（Beam Tracking）以及多用戶MIMO（Multi-user MIMO）等。

測(cè)試床基站側(cè)設(shè)備參見圖1。其中左側(cè)為基站柜體，中間為5G NR（新空口）無線單元，右側(cè)為5G NR（新空口）測(cè)試終端。試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮⒖紙D2，基本參數(shù)配置參見表1。

圖1 愛立信5G NR測(cè)試床

圖2 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

表1 基本參數(shù)配置表

MassiveMIMO，顧名思義，就是利用很多天線陣子采用波束賦形和空域復(fù)用的方式，來獲取多流傳輸，從而大幅提升速率和容量，通過多用戶共享時(shí)頻資源最終帶來頻譜效率的增加。更窄的波束可以更有效地將能量和信息傳遞到特定的用戶；采用特殊設(shè)計(jì)的參考信號(hào)，只需有限的反饋，系統(tǒng)可以追蹤運(yùn)動(dòng)中的用戶來保障移動(dòng)中的用戶體驗(yàn)。

3 5G高頻外場(chǎng)測(cè)試性能分析

在5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段的測(cè)試中，先后對(duì)室內(nèi)、室外的LOS和NLOS場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)試，涵蓋了定點(diǎn)測(cè)試、覆蓋測(cè)試、波速跟蹤和MU-MIMO等測(cè)試用例。

3.1 室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)景和用例

3.1.1 室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)景選擇在辦公樓躍層場(chǎng)景，測(cè)試選點(diǎn)跨越了A座和B座，上下兩層（見圖3）

在室內(nèi)測(cè)試視距場(chǎng)景下，15GHz覆蓋性能良好，測(cè)試平均吞吐量7.7Gbit/s，單用戶峰值吞吐量可達(dá)15.1Gbit/s。同時(shí)，利用3D-MIMO功能可以對(duì)多層樓進(jìn)行有效覆蓋。

NLOS場(chǎng)景選點(diǎn)分布在被茶水間、洗手間、會(huì)議室及電梯間遮擋的走廊和過道，選取包括玻璃墻，非承重墻以及承重墻為遮擋物的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，如圖4所示。

在室內(nèi)測(cè)試非視距場(chǎng)景下，高頻有豐富的反射通道，結(jié)合波束賦形和波束跟蹤技術(shù)，在該場(chǎng)景下高頻測(cè)試仍能取得良好的覆蓋，非視距場(chǎng)景最高速率9.1Gbit/s，平均速率4.3Gbit/s。

3.1.2 MU-MIMO測(cè)試

室內(nèi)LOS場(chǎng)景下的MU-MIMO測(cè)試，如圖5所示。

圖5 室內(nèi)LOS場(chǎng)景MU-MIMO測(cè)試

借助于優(yōu)化的Beamforming算法，在狹窄有限的室內(nèi)環(huán)境下，仍能成功進(jìn)行MU的配對(duì)，峰值速率可達(dá)23.1～25Gbit/s。

3.1.3 覆蓋測(cè)試

覆蓋測(cè)試中包括了視距和非視距場(chǎng)景，遍歷路線經(jīng)過了茶水間、會(huì)議室、辦公區(qū)域以及電梯間，室內(nèi)覆蓋測(cè)試平均吞吐量達(dá)到6.5Gbit/s，測(cè)試路線及吞吐率性能如圖6所示。

3.1.4 波束跟蹤測(cè)試

基于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選取了垂直方向角0°，水平方向從右到左一共跨越6個(gè)波束進(jìn)行波束跟蹤功能的測(cè)試，波束切換正常，能夠很好地跟蹤用戶移動(dòng)，波束切換過程對(duì)速率沒有影響。

3.2 室外測(cè)試場(chǎng)景和用例

室外在視距和非視距場(chǎng)景下進(jìn)行了定點(diǎn)、覆蓋和波束跟蹤測(cè)試。非視距包括街邊配電箱、濃密樹木，以及貨車等場(chǎng)景（見圖7）。

3.2.1 定點(diǎn)測(cè)試

在視距場(chǎng)景定點(diǎn)測(cè)試中，平均吞吐量達(dá)到7.2Gbit/，MU-MIMO峰值速率超過21Gbit/s。非視距場(chǎng)景定點(diǎn)測(cè)試平均吞吐量達(dá)到5.1Gbit/s。室外MU-MIMO測(cè)試如圖8所示。

3.2.2 覆蓋測(cè)試

覆蓋測(cè)試中遍歷了視距和非視距場(chǎng)景，其中路線1主要是視距場(chǎng)景，部分區(qū)域?yàn)榉且暰鄨?chǎng)景，遮擋物為樹木；路線2主要是非視距場(chǎng)景，主要遮擋物為樹木和施工建筑材料。室外覆蓋測(cè)試平均吞吐量達(dá)到5.0Gbit/s，吞吐率性能如圖9所示。

3.2.3 波束跟蹤測(cè)試

基于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選取了水平方向共7個(gè)波束進(jìn)行波束跟蹤功能的測(cè)試，波束切換正常，能夠很好地跟蹤用

戶移動(dòng)，波束切換過程對(duì)終端下行速率沒有影響。

圖6 室內(nèi)覆蓋測(cè)試

圖7 室外測(cè)試場(chǎng)景

圖8 室外MU-MIMO測(cè)試

圖9 吞吐率性能

4 結(jié)束語(yǔ)

通過5G高頻測(cè)試床的外場(chǎng)（室內(nèi)，室外）測(cè)試，驗(yàn)證了高頻大帶寬、MU-MIMO、波束跟蹤等功能，有效克服了高頻衰落大、易被遮擋等困難。同時(shí)，通過良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了高頻關(guān)鍵器件相噪差等問題，實(shí)際測(cè)試中性能表現(xiàn)優(yōu)異：

●室內(nèi)定點(diǎn)單UE峰值速率15.1Gbit/s，兩UE峰值速率大于23.1Gbit/s。

●室內(nèi)視距場(chǎng)景定點(diǎn)測(cè)試平均吞吐量7.7Gbit/s，非視距場(chǎng)景平均吞吐量4.3Gbit/s，室內(nèi)覆蓋測(cè)試平均吞吐量6.5Gbit/s。

●室外測(cè)試單UE峰值速率11.4Gbit/s，室外兩UE峰值速率大于21Gbit/s。

●室外視距場(chǎng)景定點(diǎn)測(cè)試平均吞吐量7.2Gbit/s，非視距場(chǎng)景平均吞吐量5.1Gbit/s，室外覆蓋測(cè)試平均吞吐量5.0Gbit/s。

同時(shí)采用波束賦形和波束跟蹤有效地提升了高頻通信的覆蓋性能，室外覆蓋超過350m，在距離基站320m處速率仍可達(dá)4.9Gbit/s。

[1]White Paper on“5G Channel Model for Bands up to 100 GHz”2nd Workshop on Mobile Communications in Higher Frequency Bands(MCHFB)

Globecom.2015.

[2]D 1.4.METIS Channel Models.METIS 2020.2015.

[3]S.Parkvall,et al.A Trial System for 5G Wireless Access. VTC Fall 2015,pp.1-5.9,2015.

[4]K.Tateishi,et al.Field Experiments on 5G Radio Access Using 15-GHz Band in Outdoor Small Cell Environment. PIMRC 2015,pp.1-5.8,2015.

Key 5G high frequency technologies and performance in trial

WANG Wei,LIU Yin

The challenge,key techonologies and scenarios of 5G high frequency were introduced in this paper.The field test results of 5G high frequency Test Bed and analyzation are elabrated.

5G;high frequency;wide channel bandwidth;massive MIMO;beam tracking;MU-MIMO

2016-10-25）