5G大規(guī)模天線系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉 寧,袁宏偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所 北京研發(fā)中心,北京 100070)

5G大規(guī)模天線系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉 寧,袁宏偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所 北京研發(fā)中心,北京 100070)

針對(duì)第5代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)-大規(guī)模天線技術(shù),介紹了國(guó)內(nèi)外、研究機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀?？偨Y(jié)了貝爾實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)萊斯大學(xué)、大唐電信、華為、中興、54所等國(guó)內(nèi)外多家單位的研究成果。在此基礎(chǔ)上,分析了5G大規(guī)模天線系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),提出了有源集成化天線是5G大規(guī)模天線系統(tǒng)的必然選擇,并分析了大規(guī)模有源集成化天線在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中遇到的挑戰(zhàn)。

5G;大規(guī)模天線系統(tǒng);有源天線

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的豐富應(yīng)用帶動(dòng)了無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速增長(zhǎng)。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),到2020年時(shí),數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將增長(zhǎng)500～1 000倍[1],給無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn),需要未來(lái)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠更加高效地利用帶寬資源,大幅提升頻譜效率。

大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(Massive MIMO)被認(rèn)為是未來(lái)5 G最具潛力的傳輸技術(shù)。在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中,基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列,利用空分多址(SDMA)技術(shù),可在同一時(shí)頻資源上服務(wù)多個(gè)用戶,利用大規(guī)模天線陣列帶來(lái)的巨大陣列增益和干擾抑制增益,使得小區(qū)總頻譜效率和邊緣用戶的頻譜效率得到了大幅提升[2-8]。

1 國(guó)外機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

為了形成5 G產(chǎn)業(yè)發(fā)展構(gòu)建基礎(chǔ)性的核心技術(shù)解決方案,國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)近期已經(jīng)開(kāi)展了面向第5代移動(dòng)通信大規(guī)模天線協(xié)作情況下的有源集成化陣列天線的原型驗(yàn)證開(kāi)發(fā)工作。

2012年,瑞典 Linkiping University、瑞典 Lund University和貝爾實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)了工作于2.6 GHz的128天線陣列,包含兩種形式,一個(gè)圓形陣列和一個(gè)線形陣列,如圖1所示。圓形陣列由128個(gè)天線端口組成。天線陣列由16個(gè)雙極化的貼片天線單元組成,放置在圓柱形載體上,4個(gè)這樣的陣列層疊組成一個(gè)大的圓柱形陣列天線。這個(gè)陣列的優(yōu)點(diǎn)不止是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧,另外為解決在不同的俯仰角的散射問(wèn)題提供了可能。但由于口徑限制,在方位面分辨率不高。線性陣列由一個(gè)相同的單元位移128個(gè)位置組成一個(gè)純線形陣列。信道的實(shí)測(cè)結(jié)果表明,當(dāng)總天線數(shù)超過(guò)用戶數(shù)的10倍后,即使采用ZF或MMSE線性預(yù)編碼,也可達(dá)到最優(yōu)DPC容量的98%[9]。該結(jié)果證實(shí)了當(dāng)天線數(shù)達(dá)到一定數(shù)目時(shí),多用戶信道具有正交性,進(jìn)而保證在采用線性預(yù)編碼時(shí)仍可逼近最優(yōu)DPC容量,由此驗(yàn)證了Massive MIMO的可實(shí)現(xiàn)性。

圖1 瑞典和貝爾實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)的128天線陣列

2012年,在土耳其舉行的移動(dòng)計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)大會(huì)(MobiCom’12)上公開(kāi)報(bào)道了世界第一款真實(shí)實(shí)現(xiàn)的多天線多用戶波束成形系統(tǒng)——Argos,如圖2所示,其是由美國(guó)萊斯大學(xué)、貝爾實(shí)驗(yàn)室和耶魯大學(xué)開(kāi)發(fā)的,工作于2.4 GHz頻段。Argos由WARP板、商用的時(shí)鐘分配板、商用PC和以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成。在最初的原理樣機(jī)中,系統(tǒng)包含一個(gè)中心控制器、一個(gè)Argos中心和16個(gè)模塊,每個(gè)模塊包含4路射頻通道。中心控制器由一臺(tái)PC機(jī)組成,它利用Matlab發(fā)送數(shù)據(jù)、權(quán)值、控制命令等射頻模塊。Argos中心由一個(gè)24端口的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、一塊時(shí)鐘分配板和一塊WARP板組成,WARP板利用GPIO管腳提供傳輸同步分裂/復(fù)用。同時(shí),WARP板也充當(dāng)了射頻模塊。每個(gè)射頻模塊由一塊WARP板、4個(gè)射頻子板和4根天線組成?；居砂?4根天線的16塊WARP板組成,它們被安裝在一個(gè)架子上。根據(jù)對(duì)經(jīng)過(guò)波束賦形之后的接收信號(hào)、多用戶干擾與噪聲的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),該系統(tǒng)的和容量可以達(dá)到85 bit·s-1/Hz,而且在總功率為1/64的情況下也可以達(dá)到SISO系統(tǒng)頻譜效率的6.7倍[10]。在此基礎(chǔ)上,2013年萊斯大學(xué)又開(kāi)發(fā)了Argos V2[11]。

圖2 美國(guó)萊斯大學(xué)、貝爾實(shí)驗(yàn)室和耶魯大學(xué)開(kāi)發(fā)的Argos天線系統(tǒng)

2013年,丹麥Aalborg University和貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了工作于2.45 GHz的96天線單元的圓柱形陣列和工作于5～6 GHz的由64根單極子天線組成的矩形陣列,如圖3所示。圓柱半徑r=2.17λ,陣列由24列單元組成,每列間隔0.55λ,每列由4個(gè)貼片天線組成[12]。

圖3 丹麥Aalborg University和貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的64單元有源天線系統(tǒng)

除了大學(xué),韓國(guó)三星、瑞典愛(ài)立信、日本DoCoMo等公司也均在積極地組織對(duì)3D/FD MIMO與Massive MIMO的研究與原型演示平臺(tái)開(kāi)發(fā)活動(dòng)[13-22]。這些工作都將是Massive MIMO技術(shù)實(shí)用化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

2 國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

中國(guó)政府對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展也非常重視。我國(guó)的5 G研究與標(biāo)準(zhǔn)化組織—IMT-2020推進(jìn)組于2013年底專門成立了大規(guī)模天線技術(shù)專題組,集中了國(guó)內(nèi)研究院所、運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商以及高等院校中相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的核心單位,啟動(dòng)了對(duì)面向5 G的大規(guī)模天線技術(shù)的研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作。此外,2012年國(guó)家重大專項(xiàng)啟動(dòng)了針對(duì)64天線的3D-MIMO技術(shù)的研究項(xiàng)目立項(xiàng)工作,2014年863計(jì)劃啟動(dòng)了針對(duì)128～256天線的Massive MIMO技術(shù)(1期)的立項(xiàng)工作,并將在后續(xù)的2期及3期階段中持續(xù)推動(dòng)該技術(shù)的研究、驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)化工作。國(guó)內(nèi)對(duì)于大規(guī)模天線研究主要進(jìn)行的是信道建模、信道估計(jì)、傳輸技術(shù)的研究,如華為、清華、北郵等。一些設(shè)備商和運(yùn)營(yíng)商也展開(kāi)了大規(guī)模天線樣機(jī)的研究。

大唐電信開(kāi)展了2013國(guó)家科技重大專項(xiàng)3D-MIMO技術(shù)研究與驗(yàn)證,采用64通道的二維平面天線陣。在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目高效能5 G無(wú)線傳輸關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)中,擬開(kāi)發(fā)8套每套支持16個(gè)天線單元的分布式天線和1套支持128天線單元的集中式大規(guī)模天線。該項(xiàng)目于2014年1月～2016年12月實(shí)施。

中興正在進(jìn)行256天線Massive MIMO原型機(jī)的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證,采用基帶數(shù)字波束成形和射頻波束成形兩種波束賦形技術(shù),預(yù)計(jì)原型機(jī)推出時(shí)間為2015年。

中國(guó)移動(dòng)對(duì)Massive MIMO的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了研究,包括多場(chǎng)景中的新型信道建模研究、支持大規(guī)模天線的創(chuàng)新傳輸方案研究、高效能、低成本、實(shí)用化、可擴(kuò)展的靈活部署方案和系統(tǒng)性能仿真評(píng)估,具體到天線層面,涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括:波束成形、預(yù)編碼、空時(shí)碼/信號(hào)處理等方案、大規(guī)模天線協(xié)作與干擾消除算法、天線校準(zhǔn)與分布式處理算法、基于手機(jī)射頻芯片的基站射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、新型射頻功放研究、有源天線硬件設(shè)計(jì)與工藝、天線部署方案研究、不規(guī)則天線陣列的優(yōu)化算法研究等。并與部分設(shè)備上、天線廠商合作開(kāi)展3D-MIMO的樣機(jī)研制和大規(guī)模天線演示驗(yàn)證系統(tǒng)。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所也對(duì)Massive MIMO的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了研究,包括大規(guī)模新型天線系統(tǒng)架構(gòu)、寬帶小型化天線輻射單元,小型化一體化射頻收發(fā)單元、基于強(qiáng)電磁耦合不規(guī)則布陣情況下的方向圖成形算法、大規(guī)模天線協(xié)作系統(tǒng)分步式數(shù)字信號(hào)后處理及評(píng)估測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù),預(yù)計(jì)2015年底推出原理樣機(jī)。

2014年9月,華為聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)演示了全新預(yù)商用AAU(有源天線射頻單元)平臺(tái),是業(yè)界第一款支持Massive MIMO特性的基站產(chǎn)品,也是業(yè)界最大規(guī)格的Massive MIMO多天線系統(tǒng),不僅可支持中國(guó)移動(dòng)主流頻段,而且可以兼容現(xiàn)有的終端,應(yīng)用后系統(tǒng)容量可提升數(shù)倍。

2014年11月,中興通訊聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)在深圳完成了TD-LTE 3D/Massive MIMO基站的預(yù)商用測(cè)試,采用中興最新研制的64端口128天線3D/Massive MIMO的基帶射頻一體化室外型基站,測(cè)試結(jié)果基本符合預(yù)商用要求。

3 發(fā)展趨勢(shì)

設(shè)備小型化、集成化、靈活性是系統(tǒng)發(fā)展的永恒主題,隨著天線數(shù)目的增多,有源集成化天線將是5 G大規(guī)模天線系統(tǒng)的必然選擇。大規(guī)模有源天線系統(tǒng)在增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量和針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備的通用性方面都有很好的作用。其順應(yīng)了當(dāng)前射頻部件更貼近天線的發(fā)展趨勢(shì),降低維護(hù)成本和能源成本,同時(shí)可進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能和部署靈活性。

大規(guī)模有源集成化天線在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中提出了以下挑戰(zhàn):(1)高度集成化大規(guī)模天線系統(tǒng)的體系架構(gòu)。(2)小型化天線單元及射頻集成化的研制。(3)信號(hào)同步技術(shù)。(4)各種預(yù)編碼和方向圖成形精確算法。(5)高度集成化后系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性[23-27]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)5G移動(dòng)通信,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外大規(guī)模天線系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),在產(chǎn)業(yè)界的催化下,5G大規(guī)模天線系統(tǒng)必將迎來(lái)更快的發(fā)展。

[1] 許森,張光輝,曹磊.大規(guī)模多天線系統(tǒng)的技術(shù)展望[J].電信技術(shù),2013(12):25-28.

[2] 尤肖虎,潘志文,高西奇.5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué):信息科學(xué),2014,44(5):551-563.

[3] 魯照華,張曉丹,肖華華.大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)技術(shù)探析[J].電視技術(shù),2014,38(5):132-135.

[4] Su Xing,Zeng Jie,Rong Liping.Investigation on key technologies in large-scale MIMO[J].Journal of Computer Science and Technology,2013,28(3):412-419.

[5] Chockalingam A,Sundar Rajan B.Large MIMO systems[M].Cambridge:Cambridge University Press,2014.

[6] Quentin Spencer H,Christian B,Peel A.Lee swindlehurst.an introduction to the multi-user MIMO downlink[J].IEEE Communication Magazine,2014(10):60-67.

[7] Ngo H Q,Larsson E G,Marzetta T L.Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems[J].IEEE Transactions on Communications,2013,61(3):1436-1449.

[8] Gesbert D,Shafi M,Shiu D.From Theory To Practice:An Overview of MIMO space-time coded wireless systems[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,21(3):281-302.

[9] Fredrik Rusek,Daniel Persson,Buon Kiong Lau.Scaling up MIMO:opportunities and challenges with very large arrays[J].IEEE Signal Processing Magazine,2012(1):1-30.

[10]Calyton W.Shepard.argos:practical base stations for large-scale beamforming[D].Houston:Rice University,2012.

[11]Clayton Shepard,Hang Yu,Lin Zhong.ArgosV2:a flexible many-antenna research platform[EB/OL].(2013-09-11)[2014-12-13] http://cms.acm.org/forms/2013-40395/5168/66/5168_66_1.pdf.

[12]Osama N A,Elpiniki T,Howard Huang.beamforming via large and dense antenna arrays above a clutter[J].IEEE Journal of Selected Areas in Communications,2013,31(2):314-324.

[13]Rao R M,Zhu W.Multi-antenna testbeds for research and education in wireless communications[J].IEEE Communication Magazine,2004(12):72-81.

[14]Caban S,Mehlfuhrer C,Langwieser R.Vienna MIMO testbed[J].EURASIP Journal on Applied Signal Processing,2006(1):1-13.

[15]Goud Jr P,Hang R,Truhachev D.A portable MIMO testbed and selected channel measurements[J].Rurasip Journal on Applied Signal Processing,2006(6):1-11.

[16]Kim K,Torlak M.Rapid prototyping of a cost effective and flexible 4×4 MIMO testbed[C].Darmstadt:IEEE Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop,2008.

[17]Luethi P,Wenk M,Koch T.Multi-user MIMO testbed[C].San Francisco:WinTech’08,2008.

[18] Chambers P,Hong X,Chen Z.The UC4G wireless MIMO testbed[C].Anaheim:IEEE Globecom’2012,2012.

[19]Taoka H,Higuchi K.Field experiments on 5-Gbit/s ultra-highspeed packet transmission using MIMO multiplexing in broadband packet radio access[J].NTT DoCoMo Technology Journal,2007,9(2):25-31.

[20]NTT DOCOMO Press Release.DOCOMO and tokyo insitute of technology achieve world’s first 10 Gbps packet transmission in outdoor experiment-paving the way for super-high-bit-rate mobile communications[EB/OL].(2013-02-20)[2014-11-10]https://www.nttdocomo.co.jp/english/info/media_center/pr/2013/0227_00.html.

[21]Nishimori K,Kudo R,Honma N.1616 multiuser MIMO testbed employing simple adaptive modulation scheme[C].Barcelona:IEEE VTC’2009 Spring,2009.

[22]Suzuki H,Collings I B,Hayman D.Large-scale multiple antenna fixed wireless systems for rural areas[C].Sydney:IEEE PIMRC’2012,2012.

[23]Gao X,Tufvesson F,Edfors O.Measured propagation characteristics for very-large MIMO at 2.6 GHz[C].Pacific Grove,California,USA:the 46thAnnual Asilomar Conference on Signals,Systems,and Computers,2012.

[24]Hodes J,Hoek C,Wild T.Channel measurements for large antenna arrays[C].Paris,France:IEEE International Symposium on Wireless Communication Systems,2012.

[25]Hoydis J,Ten Brink S,Debbah M.Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks:how many antennas do we need?[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2013,31(2):160-171.

[26]Jose J,Ashikhmin A,Whiting P.Channel estimation and linear precoding in multiuser multiple-antenna TDD systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(5):2102-2116.

[27]Hoydis J,Ten Brinkz S,Debbah M.Comparison of linear precoding schemes for downlink massive MIMO[C].In Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Communications,2012:2135-2139.

歡 迎 刊 登 廣 告

請(qǐng)?jiān)L問(wèn):www.dianzikeji.org E-mail:dzkj@mail.xidian.edu.cn

聯(lián)系電話:029-88202440 傳 真:029-88202440

Research Status and Development Trends of Large ScaleAntenna Systems in 5G Wireless Communications

LIU Ning,YUAN Hongwei

(Beijing Research and Development Center,54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Beijing 100070,China)

This paper introduces the research status of large scale antenna technology,which is the key technology of the 5th generation communication systems.It summarizes the research results of Bell Lab,Rice University,Datang Telecom,Huawei,ZTE,CETC54 and so on,on the basis of which the development trends of the 5G large scale antenna system are analyzed.It draws a conclusion that the active integrated antenna is necessary for the 5G large scale antenna systems.The challenges for active antennas used in 5G are also discussed.

5G;large scale antenna systems;active antenna

2015- 02- 14

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2014AA01A707)

劉寧(1983—),男,博士,工程師。研究方向:相控陣天線,移動(dòng)通信天線。E-mail:liuning1512@163.com。袁宏偉(1982—),男,博士,高級(jí)工程師。研究方向:移動(dòng)通信天線,通信系統(tǒng)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.049

TN929.5

A

1007-7820(2015)04-182-04