3.5 GHz 5G新空口基站設(shè)計(jì)與外場實(shí)驗(yàn)研究

劉光毅，王啟星，劉建軍，王飛，鄭毅

（中國移動(dòng)研究院無線與終端技術(shù)研究所，北京 100053）

1 引言

第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）的快速部署和滲透不僅帶來了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的空前繁榮，也催生著新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。隨著4G的成功商用，研究人員開始將目光投向新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)——5G。5G旨在提供更高數(shù)據(jù)速率、更低延遲、極高的可靠性、極高流量密度以滿足增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶、超低時(shí)延超高可靠、大連接等場景下的未來業(yè)務(wù)需求[1]。為了實(shí)現(xiàn)這些能力，5G系統(tǒng)需要支持更大的帶寬、更多的天線、更高的處理能力、更靈活的協(xié)議和硬件結(jié)構(gòu)，這些都構(gòu)成了對基站和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了代際更替要求，對基站的產(chǎn)品研發(fā)提出了非常高的挑戰(zhàn)。

考慮到5G從技術(shù)研究到標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品的整個(gè)周期大為縮短，這就要求5G的發(fā)展要以超常規(guī)的方式來推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品化的齊頭并進(jìn)。隨著5G的第一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)版本Release 15在2018年6月的功能凍結(jié)，5G的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)進(jìn)入最后沖刺階段，基于5G標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)實(shí)驗(yàn)和外場測試對加速 5G的商用進(jìn)程尤為關(guān)鍵。為此，在IMT-2020推進(jìn)組的統(tǒng)籌規(guī)劃下，國內(nèi)三大運(yùn)營商紛紛開始了面向5G的規(guī)模實(shí)驗(yàn)。

本文結(jié)合產(chǎn)業(yè)的最新進(jìn)展，介紹5G預(yù)商用基站系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，特別是面向3.5 GHz的上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)（SUL，supplementary uplink）及其仿真性能評估，并開展5G基站樣機(jī)的外場實(shí)驗(yàn)，對5G系統(tǒng)的單用戶峰值吞吐量、多用戶吞吐量、室內(nèi)外覆蓋的能力和時(shí)延進(jìn)行了詳細(xì)的測試和驗(yàn)證。

2 5G實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)

對于5G基站樣機(jī)的設(shè)計(jì)，需要考慮的主要包括空口的基本參數(shù)和大規(guī)模天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.1 5G基站的基本參數(shù)

工作頻段：3 400～3 600 MHz，系統(tǒng)帶寬≥100 MHz[2-3]。

波形：下行鏈路采用循環(huán)前綴-正交頻分復(fù)用（CP-OFDM，cyclic prefix-orthogonal frequency division multiplexing）；上行鏈路采用CP-OFDM和離散傅里葉變換擴(kuò)頻 OFDM（DFT-S-OFDM，digital Fourier transform spread orthogonal frequency division multiplexing）[4]；支持為免調(diào)度物理上行共享信道（PUSCH，physical uplink share channel）配置波形；支持通過重新配置或物理下行控制信道（PDCCH，physical downlink control channel）指示調(diào)整上行波形。

鏈路的多址：支持上行鏈路和下行鏈路的正交多址（OFDMA，orthogonal frequency division multiple access）。

信道編碼：上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)信道采用低密度檢驗(yàn)碼（LDPC，low density parity check code），上行鏈路和下行鏈路控制通道采用Polar碼[5]。

調(diào)制方案：下行鏈路支持 QPSK（quadrature phase shift keying）、16QAM（QAM，quadrature amplitude modulation）、64QAM和256QAM；上行鏈路支持keying），BPSK，QPSK，16QAM 和 64QAM，建議使用256QAM[6]。

MIMO（multiple input and multiple output）：下行單用戶MIMO支持4個(gè)下行鏈路MIMO層，建議使用8個(gè)下行鏈路MIMO層；上行鏈路單用戶MIMO支持2個(gè)上行鏈路MIMO層，建議使用4個(gè)上行鏈路MIMO層；下行鏈路多用戶MIMO支持的層數(shù)≥16，上行鏈路多用戶MIMO支持的層數(shù)≥8；支持基于覆蓋要求的公共PDCCH覆蓋增強(qiáng)，如系統(tǒng)信息塊（SSB, system synchronization/public broadcast channel block），信道狀態(tài)信息參考符號（CSI-RS, channel status information reference signal），剩余最小系統(tǒng)消息（RMSI, remaining minimum system information）等；根據(jù)上行鏈路探測導(dǎo)頻（SRS, sounding reference signal）或測量報(bào)告[7]，區(qū)分UE選擇下行鏈路波束以增加覆蓋范圍。

假設(shè)100 MHz帶寬中，下行鏈路的資源配置占70%，上行鏈路的資源配置占 20%，保護(hù)間隔占10%。單用戶峰值速率要求為：下行鏈路1.3 Gbit/s（256 QAM，不少于4個(gè)數(shù)據(jù)流）或者2 Gbit/s（64 QAM，不少于8數(shù)據(jù)流）；上行鏈路175 Mbit/s（64 QAM，2個(gè)數(shù)據(jù)流）或者370 Mbit/s（64 QAM，4個(gè)數(shù)據(jù)流）。多用戶的小區(qū)峰值吞吐量要求為：下行大于4 Gbit/s（大于16個(gè)數(shù)據(jù)流），上行大于700 Mbit/s（大于8個(gè)數(shù)據(jù)流）。多用戶MIMO技術(shù)的使用是5G系統(tǒng)提供更高速率的關(guān)鍵[8]。5G樣機(jī)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G樣機(jī)幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)采用 2.5 ms傳輸周期；支持 2～4符號GP配置（例如4個(gè)符號GP）；#0、#1、#2時(shí)隙每2.5 ms固定為下行時(shí)隙。#3時(shí)隙是下行-GP-上行格式中的下行為主的時(shí)隙。SSB信號可以在#0、#1、#2及#3時(shí)隙中傳輸。#4時(shí)隙固定為上行時(shí)隙，隨機(jī)接入信道可以在＃4時(shí)隙中傳輸。

2.2 大規(guī)模天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

對于基站樣機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，除200 W總發(fā)射功率和100 MHz帶寬要求外[2-3]，最大的挑戰(zhàn)來自于大規(guī)模天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

對于3.5 GHz頻率，考慮鐵塔對天面尺寸的要求，迎風(fēng)面小于0.5 m2的要求、半波長的水平方向陣元間距，以及0.75波長的垂直方向間距，陣子的雙極化等因素，一副天面總共可以布設(shè)192個(gè)陣子，每個(gè)陣子的極化方向96個(gè)，如圖2所示，圖中“×”表示交叉極化的2個(gè)天線陣元。

圖2 3.5 GHz所能采用的最大天線尺寸和天線數(shù)布局

考慮系統(tǒng)性能的提升與硬件復(fù)雜度之間的折中，需要優(yōu)化有源天線單元（AAU，active antenna unit）所支持的射頻（RF，radio frequency）通道數(shù)，也就是獨(dú)立的天線端口數(shù)。為便于基帶的數(shù)字信號處理的優(yōu)化，天線端口數(shù)通常選擇2的冪次，如2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)、16個(gè)、32個(gè)、64個(gè)、128個(gè)。

綜合考慮不同天線端口數(shù)的物理能力對比，64通道天線在垂直維度上具有最好的波束掃描能力，適用于覆蓋更加立體的環(huán)境，所以在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將采用64通道的3D-MIMO天線。

2.3 CPRI/eCPRI的選擇

對于支持100MHz帶寬，64通道天線端口的3.5 GHz 3D-MIMO天線，由于考慮RF和天線的一體化集成 AAU，需要定義 AAU和基帶處理之間的接口?？紤]傳統(tǒng)的（CPRI, common public radio interface）接口，對于100 MHz和64通道天線端口的3.5 GHz樣機(jī)來說，如果考慮傳統(tǒng)的CPRI接口、16 bit量化方式，CPRI的接口容量要求是259.5 Gbit/s，需要3根100 Gbit/s的光纖，特別是對于C-RAN（centralized radio access network）的集中化部署場景，對光纖的需求量將是非常巨大的，實(shí)際難以滿足容量的要求。同時(shí)，由于目前前傳接口的光模塊成本比較高，導(dǎo)致基站成本大幅上升，所以需要考慮優(yōu)化的解決方案，以及加快推動(dòng)100 Gbit/s光模塊的成熟和成本下降。

1）CPRI壓縮

CPRI壓縮方案。通過降低采樣率和量化比特?cái)?shù)以降低接口帶寬，比如 2.6:1的壓縮率，這樣可以用一個(gè)100 Gbit/s的光模塊滿足容量的需求，大幅降低成本，同時(shí)光模塊數(shù)量少，接口的復(fù)雜度低，對重量的增加最少。目前，100 Gbit/s的光模塊預(yù)計(jì)2020年前可以成熟，并且成本可以大幅度下降，滿足2020年5G商用部署的需求。

2）增強(qiáng)的公共無線接口標(biāo)準(zhǔn)（eCPRI, enhanced common public radio interface）

eCPRI接口方案。將一部分物理層（PHY層）功能上移到AAU中，如在下行僅傳輸編碼后的數(shù)據(jù)，在上行僅傳輸空間處理（MIMO處理）之后的數(shù)據(jù)，如圖3所示，從而降低前傳接口帶寬。

eCPRI的基帶上移可以有不同的定義，如圖3所示，虛線以下或者實(shí)線以下的功能都可以上移到AAU，移動(dòng)越多，對AAU的挑戰(zhàn)越大。

圖3 CPRI和eCPRI的接口劃分方案

eCPRI方案1 25 Gbit/s接口容量，AAU完成Digital BF、信道估計(jì)/均衡等功能。由于基帶上移到AAU，為了降低對功耗、體積的影響，可能簡化算法以降低處理復(fù)雜度，進(jìn)而損失3D-MIMO的性能。

eCPRI方案2 2×25 Gbit/s接口容量，AAU主要完成digital BF的功能，如使用空間濾波相當(dāng)于做了矩陣降維的處理，性能取決于算法實(shí)現(xiàn)，如濾波使用的導(dǎo)頻（SRS或DMRS），性能需要驗(yàn)證。

對于eCPRI解決方案，雖然解決了接口容量的問題，但是帶來了許多新的問題和風(fēng)險(xiǎn)，需要在后續(xù)產(chǎn)業(yè)化中充分重視和考慮，具體如下。

① 增加AAU的重量、體積和功耗，增加工程部署和施工難度。

② 物理層功能上移，為了優(yōu)化重量、功耗和體積，可能簡化算法性能，進(jìn)而影響基站的整體性能。

③ 物理層功能上移，增加AAU的故障率，增加未來天面操作的概率，潛在增加網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本。

④ 基帶上移，現(xiàn)有的能力可能難以滿足未來更先進(jìn)、更復(fù)雜的物理層功能的要求，影響基站的前向兼容性。

整個(gè)大規(guī)模天線基站的幾何特征，包括整機(jī)的重量、尺寸、體積等，基本滿足鐵塔對AAU的要求。5G樣機(jī)的的幾何特征如表1所示。

表1 5G樣機(jī)的幾何特征

3 上行輔助傳輸（SUL）

對于 5G的網(wǎng)絡(luò)部署，考慮到目前全球分配的大多數(shù)5G頻率都在3 GHz以上，預(yù)期其覆蓋能力將比4G的頻率要差，為了提升5GNR的單基站覆蓋能力，特別是上行鏈路的覆蓋能力，3GPP在5G標(biāo)準(zhǔn)中引入了一種輔助上行載波來增強(qiáng)上行覆蓋能力，即在中高頻段的上行覆蓋不足時(shí)，將 5G的上行鏈路切換到一個(gè)更低頻段，而下行鏈路仍然保留在原有的頻段。這樣，利用更低頻段的較好傳播特性，可以提升 5G系統(tǒng)上行鏈路的覆蓋性能。

在較高頻段（3.5 GHz頻段）部署宏網(wǎng)無縫覆蓋的5G系統(tǒng)時(shí)，可能存在上行傳輸覆蓋受限和數(shù)據(jù)速率受限問題，采用更低頻段的 SUL可較好地緩解該問題。將一個(gè)低頻的全上行載波（如1.8 GHz的10 MHz）與一個(gè)上行覆蓋受限的TDD載波進(jìn)行配對傳輸，從而有效地提升弱覆蓋用戶的上行傳輸覆蓋。

為了對SUL引入后的性能有一個(gè)合理的預(yù)期，本文對引入1.8 GHz（10 MHz）SUL進(jìn)行了理論仿真分析，具體的仿真假設(shè)如表2所示，仿真的主要結(jié)果如圖4所示。

表2 仿真評估假設(shè)

圖4 上行邊緣吞吐量的仿真對比

從圖4的仿真結(jié)果可以看出，在低穿透損室內(nèi)環(huán)境下，1.8 GHz在基站4天線收和終端23 dBm發(fā)射功率（簡稱4R，12 dBm）的情況下，小區(qū)邊緣吞吐量可達(dá)2.78 Mbit/s；而3.5 GHz在64天線收和23 dBm發(fā)射功率下（簡稱64R，23 dBm），上行邊緣吞吐量為0.67 Mbit/s；如果上行發(fā)射功率增加為26 dBm（簡稱64R，26 dBm），則吞吐量可增加到0.84 Mbit/s。所以1.8 GHz的SUL相對于3.5 GHz，可增加邊緣速率2.3～3.2倍。對于高穿透損室內(nèi)環(huán)境，1.8 GHz的SUL的增益則為2～3.6倍。

圖5 5G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

4 5G外場實(shí)驗(yàn)

為了盡早對5G系統(tǒng)組網(wǎng)、覆蓋等性能進(jìn)行摸底驗(yàn)證，面向規(guī)模實(shí)驗(yàn)，華為在上海研發(fā)基地建設(shè)了5G的實(shí)驗(yàn)外場，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛?，該區(qū)域可看作是密集城區(qū)環(huán)境，建筑物比較密集，樓層較高。整個(gè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括測試的終端、基站、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)。

對于5G初期部署的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶應(yīng)用場景，峰值數(shù)據(jù)速率、小區(qū)吞吐量、室內(nèi)覆蓋能力和時(shí)延是具有標(biāo)志意義的關(guān)鍵性能指標(biāo)。因此，在外場實(shí)驗(yàn)中，著重對上述四大關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測試和摸底。在測試中，配置70%的時(shí)間資源用于下行傳輸，剩余的資源為保護(hù)時(shí)隙間隔和上行傳輸資源。對于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)支持QPSK、64QAM、256QAM等高階調(diào)制以及多種碼率。

4.1 單用戶峰值速率測試

單用戶峰值速率是基站的一種能力測試，對于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)并無多大的參考意義，所以，為了完成峰值速率的測試，本文選擇了一個(gè)下行接收信號強(qiáng)度（RSRP，reference signal received power）足夠大的測試點(diǎn)進(jìn)行測試。具體的測試結(jié)果如圖6所示，對比了100 MHz帶寬的5G和10 MHz帶寬的4G FDD（LTE FDD，long term evolution, fullduplex division）的下行和上行峰值吞吐量。

圖6 單用戶峰值速率測試環(huán)境

4.2 小區(qū)峰值和平均吞吐量

在與單用戶峰值速率測試相同的環(huán)境下，完成了多用戶的小區(qū)吞吐量的測試，測試結(jié)果如圖7所示。

從測試結(jié)果可以看出，下行通信16個(gè)用戶32個(gè)數(shù)據(jù)流可實(shí)現(xiàn)高于10 Gbit/s的峰值速率，下行8個(gè)用戶可實(shí)現(xiàn)2.5 Gbit/s的小區(qū)吞吐量。而上行4用戶時(shí)，由于上行分配的傳輸時(shí)間資源有限，僅可實(shí)現(xiàn)800 Mbit/s的上行小區(qū)吞吐量，但預(yù)期上行空間復(fù)用的用戶數(shù)越多，上行的峰值吞吐量越高。

圖7 實(shí)測5G小區(qū)峰值吞吐量

與4G系統(tǒng)的40 Mbit/s、20 MHz的典型小區(qū)吞吐量相比，當(dāng)帶寬被歸一化后，5G可以實(shí)現(xiàn)數(shù)10倍以上的下行小區(qū)吞吐量增益。因此，與4G相比，3D-MIMO可以實(shí)現(xiàn)5G的頻譜效率提升至 4G的3～5倍的目標(biāo)，滿足3GPP的最小性能要求。

表3 室內(nèi)覆蓋對比測試結(jié)果

4.3 室內(nèi)覆蓋能力

對于5G系統(tǒng)，室外基站覆蓋室內(nèi)環(huán)境（O2I，outdoor to indoor）的性能非常關(guān)鍵，因?yàn)?0%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)，而現(xiàn)網(wǎng)中大部分的室內(nèi)業(yè)務(wù)是通過室外宏站覆蓋室內(nèi)解決的。所以，在測試中專門引入了室外覆蓋室內(nèi)的測試，特別是對比了1.8 GHz SUL和僅3.5 GHz NR時(shí)的邊緣吞吐量性能,具體的測試結(jié)果如表3所示。

在測試中，本文選擇了一些弱覆蓋的點(diǎn)進(jìn)行對比測試，將同一個(gè)點(diǎn)的1.8 GHz/3.5 GHz的下行接收信號強(qiáng)度RSRP和相應(yīng)的上行吞吐量記錄在表格中。從結(jié)果可以看出，在弱覆蓋的環(huán)境下，1.8 GHz SUL可以帶來2倍以上的上行吞吐量的提升。

4.4 9小區(qū)連續(xù)覆蓋性能測試

為了進(jìn)一步測試5G網(wǎng)絡(luò)的綜合業(yè)務(wù)體驗(yàn)，本節(jié)對5G網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋環(huán)境下的用戶體驗(yàn)速率進(jìn)行一個(gè)連續(xù)測試。具體的測試結(jié)果如圖8～圖11所示。其中圖8和圖9分別是下行空載和下行50%加載條件下的單用戶拉網(wǎng)吞吐量的分布。從結(jié)果可以看出，在一般城區(qū)（400 m站間距），空載室外路測下行速率50%可達(dá)600 Mbit/s；加擾的影響非常大，將導(dǎo)致低于600 Mbit/s的比例大幅上升，即由22%上升到54%。

圖8 下行空載的單用戶吞吐量分布/（Mbit.s-1）

圖9 下行50%加載的單用戶吞吐量分布/（Mbit.s-1）

圖10和圖11分別是上行空載和5dB底噪抬升后的單用戶拉網(wǎng)吞吐量的分布圖。從測試結(jié)果可以看出，在一般城區(qū)（400 m站間距），空載室外路測上行速率大部分可以達(dá)到100 Mbit/s以上；加擾對吞吐量的影響比較大，導(dǎo)致低于100 Mbit/s的比例大幅上升，由24%上升到37%。

圖10 上行空載的單用戶吞吐量分布/（Mbit.s-1）

圖11 上行5dB底噪抬升后的單用戶吞吐量分布/（Mbit.s-1）

4.5 用戶面時(shí)延

用戶面時(shí)延，也即數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)臅r(shí)延，是5G標(biāo)準(zhǔn)的重要考核指標(biāo)之一。在外場實(shí)驗(yàn)中，本文現(xiàn)場測試了單向的數(shù)據(jù)傳輸?shù)却龝r(shí)間（定義為在無線空口上行或者下行方向，從空口協(xié)議棧層2或者層3 SDU入口點(diǎn)到對端協(xié)議棧層2或者層3 SDU出口點(diǎn)，成功傳輸一個(gè)應(yīng)用層分組所用的時(shí)延）。測試中，傳輸具有隨機(jī)大小的FTP數(shù)據(jù)分組，并且測試每個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸?shù)却龝r(shí)間，然后在1 s的時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行平均。

外場實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，eMBB業(yè)務(wù)的用戶面延時(shí)在3.5～4 ms，5G標(biāo)準(zhǔn)可以滿足增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶應(yīng)用場景下的空口低時(shí)延小于4 ms的要求。

5 結(jié)束語

基于3GPP最新標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展，本文介紹5G新空口技術(shù)的基站樣機(jī)設(shè)計(jì)、SUL覆蓋增強(qiáng)及性能仿真，以及為了綜合驗(yàn)證5G通信系統(tǒng)組網(wǎng)、覆蓋等性能的外場測試，對5G通信系統(tǒng)的單用戶峰值吞吐量、多用戶吞吐量、室內(nèi)外覆蓋能力和時(shí)延進(jìn)行了詳細(xì)的測試和驗(yàn)證。測試結(jié)果顯示，5G通信系統(tǒng)可以滿足 3GPP定義的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)場景的5G性能指標(biāo)需求，可帶來5倍以上的頻譜效率的提升。另外，SUL利用低端FDD頻譜的更好覆蓋特性和連續(xù)傳輸，可較好地提升3.5 GHz頻率在弱覆蓋場景下的上行吞吐量。面對未來 5G

網(wǎng)絡(luò)連續(xù)部署以及更加綜合業(yè)務(wù)的需求，后續(xù)的外場實(shí)驗(yàn)還需要進(jìn)行更大規(guī)模的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)更加真實(shí)的干擾環(huán)境。同時(shí)考慮更加綜合的業(yè)務(wù)，比如 URLLC（ultra reliable and low latency communication）以及物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)需求，需要更加全面的資源分配策略，保證在同一網(wǎng)絡(luò)下能滿足多種業(yè)務(wù)的需求。