三星5G毫米波移動通信系統(tǒng)介紹

任俊威 三星電子中國研究院高級工程師

雷鵬 三星電子網(wǎng)絡(luò)事業(yè)部資深技術(shù)專家

沈志春 三星電子中國研究院網(wǎng)絡(luò)技術(shù)部總監(jiān)

三星5G毫米波移動通信系統(tǒng)介紹

任俊威 三星電子中國研究院高級工程師

雷鵬 三星電子網(wǎng)絡(luò)事業(yè)部資深技術(shù)專家

沈志春 三星電子中國研究院網(wǎng)絡(luò)技術(shù)部總監(jiān)

高數(shù)據(jù)速率和高帶寬是未來5G移動蜂窩系統(tǒng)的必要需求之一，從目前頻譜分配看，6GHz以上的高頻段更有可能提供未來5G系統(tǒng)所需要的帶寬。同時，高頻段更適合高增益天線系統(tǒng)，用以彌補(bǔ)高頻段較大的傳輸損耗。然而，高頻系統(tǒng)的多天線技術(shù)需要改變目前蜂窩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比如小區(qū)搜索、隨機(jī)接入、快速波束切換時的波束測量等。本文主要介紹三星5G毫米波通信系統(tǒng)，包括一種全新的幀結(jié)構(gòu)、多天線波束賦形技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。

毫米波；5G；幀結(jié)構(gòu)

1 引言

目前，越來越多的智能設(shè)備如智能手機(jī)和平板電腦增加了對蜂窩移動通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量的需求。為了滿足無線數(shù)據(jù)流量不斷增長的需求，多種先進(jìn)的無線通信技術(shù)已經(jīng)得到快速的發(fā)展和應(yīng)用。其中最引人注目的是MIMO或多天線技術(shù)、載波聚合以及HetNet組網(wǎng)技術(shù)等。

最近針對如何將上述技術(shù)應(yīng)用到高頻段（30～300GHz）比如毫米波（mmWave），已經(jīng)開展了大量的研究工作，從目前全球的無線頻譜分配來看，在高頻頻段上，更加容分配滿足未來無線通信系統(tǒng)所需寬系統(tǒng)帶寬如800MHz的要求。眾所周知，高頻段和寬帶寬系統(tǒng)非常適合于補(bǔ)充宏蜂窩覆蓋的微蜂窩場景以及無線回傳。與此同時，將高頻段應(yīng)用于未來蜂窩移動通信系統(tǒng)也得到了越來越多的關(guān)注。mmWave應(yīng)用到未來蜂窩移動通信系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是高頻段無線信號具有較高的傳輸損耗。但與此同時，也應(yīng)注意到高頻段更有利于大規(guī)模天線的使用，其波束賦形技術(shù)可以帶來較高的增益用以克服所帶來的傳輸損耗。大規(guī)模天線系統(tǒng)可以更好地支持MU-MIMO，扇區(qū)吞吐量性能將得到進(jìn)一步的提高和改善。同時，數(shù)字預(yù)編碼和模擬波束賦形的混合設(shè)計(jì)可以帶來與全數(shù)字波束賦形幾乎相同的性能，但其硬件的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度將大大降低。

高頻段的大規(guī)模天線技術(shù)非常適用固定無線接入通信系統(tǒng)，目前已經(jīng)在WPAN和WLAN中得到商用。然而，在移動蜂窩通信領(lǐng)域，mmWave技術(shù)還將面臨很多問題需要去解決。目前蜂窩通信系統(tǒng)的空口設(shè)計(jì)都是針對于低頻段（低于6GHz），并不能直接用于mmWave。因此，需要定義一種新的幀結(jié)構(gòu)來適應(yīng)高頻無線信道特點(diǎn)和高頻器件特性。

本文將介紹三星5G mmWave移動蜂窩通信系統(tǒng)，包括全新的幀結(jié)構(gòu)、模擬波束賦形技術(shù)，以及工業(yè)和信息信化部和IMT-2020（5G）推進(jìn)組組織的5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段的測試結(jié)果。

該測試設(shè)備所采用的幀結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)波束或天線陣列的數(shù)量、用戶數(shù)和業(yè)務(wù)量進(jìn)行靈活的調(diào)整。該測試設(shè)備可以支持3GPP定義的多種MIMO技術(shù)，如發(fā)射分集、空分復(fù)用、波束賦形等。本次測試主要驗(yàn)證5G蜂窩移動通信系統(tǒng)采用mmWave波段的可行性。該測試設(shè)備的工作頻率為28GHz，系統(tǒng)帶寬為800MHz，雙工方式為TDD?；竞徒K端支持2×2 MIMO，獲得3.66Gbit/s的單用戶吞吐量，并驗(yàn)證了自適應(yīng)波束切換算法，在波束切換過程中，性能損失不超過3dB，可以實(shí)現(xiàn)無縫的波束切換。

2 mmWave設(shè)備介紹

2.1 幀結(jié)構(gòu)

本次測試設(shè)備的物理層仍然采用OFDM技術(shù)，

為了與LTE技術(shù)相兼容，其抽樣率為1.2288GHz，是LTE系統(tǒng)抽樣率的40倍，具有較高的時鐘精確度并具有較低的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。OFDM設(shè)計(jì)參數(shù)具體如表1所示。

根據(jù)密集大城市的無線信號傳播測試結(jié)果，當(dāng)采用窄波束天線時，工作頻率為28GHz時，視距環(huán)境下無線電波的功率延時分布的延時擴(kuò)展最大均方根為153.6ns，功率延時分布的最大的附加時延從最大值下降20dB時為405.7ns。因此，當(dāng)循環(huán)前綴長度為833ns時，足夠滿足視距環(huán)境下的時延擴(kuò)展的要求。測試設(shè)備OFDM所采用的FFT點(diǎn)數(shù)為4096，子載波間隔為300KHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LTE系統(tǒng)的15KHz。該子載波間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于視距環(huán)境的相干帶寬，有利于克服頻率選擇性衰落；在另一方面，大的載波間隔還有利于克服頻偏、相位噪聲以及多普勒頻移的影響。根據(jù)移動通信系統(tǒng)對時鐘精確度的要求，最大的時鐘偏移為10ppm，當(dāng)工作頻率為28GHz時，對應(yīng)到頻域的偏移為280KHz，小于子載波間隔，通過相位補(bǔ)償算法，可以克服時鐘偏移對性能造成的影響。

測試設(shè)備采用不同于LTE的幀結(jié)構(gòu)，該新定義的幀結(jié)構(gòu)包括無線幀、子幀和時隙，其中，無線幀長度為5ms，包含5個子幀，每個子幀長度為1ms。每個子幀中包含40個時隙，每個時隙的長度為25μs。時隙為最小的調(diào)度單位，每個時隙用于傳輸不同類型的數(shù)據(jù)，如控制信令、數(shù)據(jù)、隨機(jī)接入等，每個時隙包含6個OFDM符號。測試設(shè)備所采用的幀結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

2.2 物理信道和傳輸時隙

為了適用mmWave和多天線波束賦形技術(shù)，測試設(shè)備定義了一些新的物理信道。測試設(shè)備的物理信道以及對應(yīng)的傳輸時隙如表2所示。

為了更好地滿足未來5G移動通信系統(tǒng)的需求，該通信系統(tǒng)的子幀長度可以改變；在一個子幀內(nèi)的同步/廣播時隙，隨機(jī)接入時隙或者波束測量時隙可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行最優(yōu)的配置，如考慮基站和終端支持的波束數(shù)量、基站的天線陣列數(shù)量、小區(qū)覆蓋范圍以及終端移動速度等。一個子幀內(nèi)的控制和數(shù)據(jù)時隙可以根據(jù)業(yè)務(wù)量進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，為了簡化芯片Modem的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，每種時隙類型的信號結(jié)構(gòu)不能進(jìn)行調(diào)整。本次測試設(shè)備采用如圖2所示的時隙結(jié)構(gòu)。

表1 測試設(shè)備OFDM參數(shù)

圖1 測試設(shè)備的幀結(jié)構(gòu)組成

表2 物理信道以及傳輸時隙

2.2.1 同步/廣播信道信道

同步/廣播信道用于小區(qū)搜索和捕獲，在同步/廣播時隙傳輸。同步信道和廣播信道的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

如圖3可見，每兩個連續(xù)的OFDM符號包含一個

同步信道和一個廣播信道，并采用同一組波束進(jìn)行發(fā)射，因此共支持6個發(fā)射波束，這6個發(fā)射波束將在整個小區(qū)內(nèi)進(jìn)行連續(xù)覆蓋，保證小區(qū)內(nèi)的所有終端都可以測量和接收。在小區(qū)搜索過程中，終端的每個接收波束和基站的發(fā)射波束進(jìn)行配對，并根據(jù)功率最大化的準(zhǔn)則，找到一組最佳的基站發(fā)射波束和終端接收波束組合，根據(jù)最佳發(fā)射波束中的同步信息和廣播信息，確定最佳服務(wù)基站的小區(qū)ID。

圖2 測試設(shè)備的時隙結(jié)構(gòu)

圖3 廣播同步信道結(jié)構(gòu)

考慮傳輸時延，位于小區(qū)邊緣的終端存在無法有效收到最后一個波束即波束5的問題。為了解決該問題，本測試設(shè)備定義兩種發(fā)射波束順序，并在奇數(shù)和偶數(shù)無線幀內(nèi)交替使用，保證所有的基站發(fā)射波束都能被終端所接收（見圖4）。

同時，本測試設(shè)備還支持對相鄰小區(qū)同步/廣播信道的搜索。由于終端和相鄰基站之間的相對位置并不確定，因此終端需要遍歷所有的基站發(fā)射波束和終端接收波束的組合，才能正確搜索到相鄰小區(qū)。當(dāng)對相鄰小區(qū)進(jìn)行小區(qū)搜索時，終端所采用的接收波束和與正在服務(wù)小區(qū)內(nèi)進(jìn)行通信的接收波束可能并不是同一個，因此在搜索相鄰小區(qū)的過程中，會導(dǎo)致終端和服務(wù)基站的通信受到影響。為了解決此問題，可在不同的子幀分別進(jìn)行相鄰小區(qū)搜索和服務(wù)小區(qū)同步。在偶數(shù)幀時，終端搜索服務(wù)小區(qū)，奇數(shù)幀時，終端搜索相鄰小區(qū)。終端搜索服務(wù)小區(qū)和相鄰小區(qū)同步/廣播信道的時刻以及波束發(fā)射序號如圖5所示。當(dāng)終端支持8個接收波束時，終端完成相鄰小區(qū)搜索的時間最大為80ms，完全滿足移動通信系統(tǒng)的要求。

2.2.2 波束測量信道

圖4 廣播同步信道發(fā)射波束序號

圖5 服務(wù)小區(qū)和相鄰小區(qū)同步/廣播信道搜索順序

波束測量信道在波束測量時隙發(fā)送和接收，用于確定上/下行數(shù)據(jù)信道和業(yè)務(wù)信道采用的發(fā)射和接收波束，即找到一組功率最大的發(fā)射波束和接收波束的組合，用于與服務(wù)基站的通信。在波束測量時隙，發(fā)射機(jī)在時隙的起始點(diǎn)處進(jìn)行發(fā)射波束切換，并在整個時隙內(nèi)采用同一個發(fā)射波束，終端需要遍歷全部的接收波束。測量時隙的OFDM符號長度為833ns，包含1024FFT點(diǎn)數(shù)，沒有循環(huán)前綴。不同小區(qū)具有相同的波束測量時隙，但占用不同的子載波以避免相鄰小區(qū)之間的干擾。當(dāng)小區(qū)間并不是理想同步時，或者在波束測量時隙的開始位置或者在結(jié)束位置會受到相鄰小區(qū)的干擾。因此，測量時隙中位于前面和后面的部分OFDM符號不用于波束測量操作，保證波束測量過程沒有干擾，提供波束測量的可靠性。當(dāng)基站發(fā)射波束為8個時，終端需要20ms完成波束測量，當(dāng)基站支持16個發(fā)射波束時，終端需要40ms完成波束測量。當(dāng)基站支持更多的發(fā)射波束時，可以增加波束測量時隙，以縮短波束測量時間。

2.2.3 隨機(jī)接入信道

隨機(jī)接入信道在隨機(jī)接入時隙發(fā)送，用于上行隨機(jī)接入過程以及上行同步。在隨機(jī)接入時隙，終端采用一個固定的波束發(fā)射隨機(jī)接入信號，該波束在小區(qū)搜索過程中已經(jīng)確定?；驹陔S機(jī)接入時隙采遍歷所有接收波束進(jìn)行接收，保證正確接收位于不同方向的終端發(fā)射的隨機(jī)接入信號。隨機(jī)接入信號長度為8192采樣點(diǎn)，即6.66μs，可以支持的小區(qū)半徑為1km。當(dāng)移動速度為120km/h，工作頻率為28GHz時，對應(yīng)的多普勒頻移為3.1KHz，相干時間約為320μs。隨機(jī)接入信號長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上述相干時間，即在一個時隙內(nèi)，可以認(rèn)為是靜態(tài)信道，有利于隨機(jī)接入信號的解調(diào)。

2.2.4 控制和數(shù)據(jù)信道

控制信道和數(shù)據(jù)信道分別在控制時隙和數(shù)據(jù)時隙發(fā)送和接收，用于下行物理層控制信道和數(shù)據(jù)信道的發(fā)送和接收?？刂茣r隙內(nèi)發(fā)送的控制信道分為廣播控制信道和專用控制信道。其中，專用控制信道采用終端測量的波束，與該波束指向的終端進(jìn)行通信。廣播控制信息需要在不同的OFDM符號上采用不同的發(fā)射波束進(jìn)行重復(fù)發(fā)射，保證所有小區(qū)內(nèi)的終端都能接收到該廣播控制信息?？刂茣r隙中每個OFDM符號內(nèi)都具有參考符號，接收端在每個OFDM符號內(nèi)都要做信道估計(jì)。因此，波束切換發(fā)生在OFDM符號的起始點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)時隙，由于信道可以是靜態(tài)的，因此波束切換只發(fā)生在時隙的起始點(diǎn)，并在該時隙內(nèi)采用一個固定的發(fā)射波束，該發(fā)射波束通過波束測量過程確定。

數(shù)據(jù)時隙的資源塊和參考信號采用與LTE系統(tǒng)相似的設(shè)計(jì)。在一個子幀內(nèi)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的資源調(diào)度方式可以采用TDMA和FDMA兩種方式，當(dāng)終端的在小區(qū)內(nèi)的位置比較接近，可以采用相同的發(fā)射波束時，可以采用頻分的方式進(jìn)行調(diào)度；當(dāng)終端在小區(qū)內(nèi)的位置相互離得較遠(yuǎn)，不能采用相同的發(fā)射波束時，則只能采用時分調(diào)度的方式。當(dāng)系統(tǒng)帶寬為800MHz時，共有2640個子載波，一個資源塊有60個子載波組成，共有44個資源塊。也就意味著在一個數(shù)據(jù)時隙內(nèi)，最多可以支持44個終端，在一個子幀內(nèi)，可以支持幾百個用戶同時接入。

2.3 射頻以及天線配置

三星5GmmWave通信設(shè)備采用數(shù)字預(yù)編碼和模擬波束賦形設(shè)計(jì)，其發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的射頻通道如圖6所示。

由圖6可見，測試設(shè)備的基帶部分采用數(shù)字預(yù)編碼技術(shù)，經(jīng)過IFFT之后，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號，并傳輸至射頻單元，在射頻單元，模擬信號乘上波束賦形權(quán)值之后發(fā)送到多天線陣列。因此，模擬波束賦形與數(shù)字波束賦形的好處就是節(jié)省了大量的基帶模塊和射頻模塊之間的CPRI接口。當(dāng)采用模擬波束賦形時，基帶模塊和射頻模塊之間采用SMA電纜即可。

測試設(shè)備的基站和終端都包含兩組天線陣列，可以形成2×2MIMO的雙流傳輸。其中，基站的天線陣列為8×6的平面天線陣，水平方向?yàn)?列天線單元，垂直方向?yàn)?行天線單元。其中垂直方向的6個天線單元分成2組，每組由3個天線單元組成；基站水平覆蓋范圍為-40°～40°，垂直覆蓋范圍-10°～10°；在水平方向，可生成8個半功率角為10°的波束，在垂直方向，可生成2個半功率角為10°的波束。

終端的天線陣列為4×1線性天線組成。在水平方向，可生成8個半功率角為30°的波束，在垂直方向，可生成1個半功率角為60°的波束；終端水平覆蓋范圍為360°，垂直覆蓋范圍為60°，在水平方向，可生成8個半功率角為30°的波束，在垂直方向，可生成1個半功率角為60°的波束?；竞徒K端的天線配置如表3所示。

2.4 自適應(yīng)波束切換

圖6 測試設(shè)備多天線波束賦形系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)結(jié)構(gòu)

對于蜂窩移動通信系統(tǒng)，需要支持終端的移動

性。因此，對于多天線的波束賦形系統(tǒng)來講，根據(jù)終端的位置進(jìn)行自適應(yīng)波束切換，以及切換過程中的性能損失是一個基本的指標(biāo)要求。

表3 測試設(shè)備的天線陣配置

根據(jù)上節(jié)描述，本次測試設(shè)備在水平方向上支持8個窄波束，每個窄波束的半功率角度約為10°，當(dāng)天線間隔為0.65λ時，波束的方向圖如圖7所示。

圖7 波束方向圖及波束切換性能損失

從圖7可以看出，位置①為最佳波束切換位置，當(dāng)波束切換滯后1.1°時，即波束切換發(fā)生在位置②，對應(yīng)3dB的性能損失；當(dāng)波束切換之后2.2°時，即波束切換位置發(fā)生在位置③，對應(yīng)6dB的性能損失。

表4為不同移動速度情況下，位于不同位置的終端在小區(qū)內(nèi)移動1°所需要的時間。

根據(jù)幀結(jié)構(gòu)中波束測量時隙的配置以及終端接收波束的數(shù)量，終端測量完全部8個發(fā)射波束和8個接收波束的組合共需20ms，當(dāng)終端測量到最佳的發(fā)射波束和接收波束的組合之后，終端在上行物理控制信道上將發(fā)射波束的序號反饋給基站，基站的基帶收到終端的反饋之后，將波束序號傳輸?shù)缴漕l部分，射頻部分根據(jù)波束序號，生成相應(yīng)的權(quán)值，因此反饋時間最大為1ms。同時，當(dāng)位于射頻部分用于生成模擬波束的移相器需要一定的預(yù)處理時間，用于根據(jù)波束序號生成具體的權(quán)值，該時間大約為3ms。然后，波束切換的指令被觸發(fā)之后，需要一定的時間來穩(wěn)定射頻器件，大約需要幾百ns。因此，在波束切換過程中，從波束測量到下一個波束的生成，整個過程的時間不會超過25ms，在該時間內(nèi)，移動速度為120km/h的終端在小區(qū)內(nèi)的移動位置不會超過1°，也就是在波束切換過程中，所造成的性能損失不超過3dB。

3 實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果

3.1 測試配置

由于本次測試沒有28GHz頻段的室外使用許可，因此測試均為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測試。測試環(huán)境測試平臺包括1臺mmWave5G基站，2臺測試終端。測試設(shè)備組成如圖8所示。

三星5G mmWave測試設(shè)備的空口配置如表5所示。

3.2 測試項(xiàng)目和測試結(jié)果

本次測試主要驗(yàn)證5G mmWave系統(tǒng)在視距和非視距環(huán)境下的吞吐量性能、多用戶調(diào)度能力，以及波束切換性能。

單用戶吞吐量測試結(jié)果如表6所示。通過測試表明，三星5GmmWave設(shè)備最高支持3.66Gbit/s的單用

戶峰值速率，差點(diǎn)可以獲得0.59Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。在非視距環(huán)境下，mmWave設(shè)備也可以獲得1.83Gbit/s的吞吐量。

表4 不同移動速度的終端移動1°所需要的時間

兩用戶吞吐量測試結(jié)果如表7所示。由于本次測試設(shè)備不支持MU-MIMO功能，因此當(dāng)兩終端時，采用時分或頻分的調(diào)度方式，而扇區(qū)吞吐量相比于單用戶吞吐量沒有提高。

自適應(yīng)波束切換測試，測試終端沿著與基站法向方向垂直的路徑移動，移動的角度大約為45°。在整個測試路線上，可以測到6個波束（見圖9）。

具體測試結(jié)果如圖10所示，在切換過程中，吞吐量性能沒有變化，RSRP性能下降不超過3dB。

表5 空口規(guī)格

4 結(jié)束語

圖8 三星5G mmWave系統(tǒng)測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

表6 單用戶吞吐量測試結(jié)果

表7 兩用戶吞吐量測試結(jié)果

圖9 波束切換測試示意圖

本論文主要介紹三星5G mmWave通信系統(tǒng)，包括其全新的幀結(jié)構(gòu)、多天線技術(shù)，以及實(shí)驗(yàn)室的測試結(jié)果。測試設(shè)備所采用的幀結(jié)構(gòu)，時隙為最小的調(diào)度單位，長度僅為25μs，相比于LTE系統(tǒng)，可以大大降低系統(tǒng)時延。并根據(jù)需要可以靈活地配置時隙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。該幀結(jié)構(gòu)可以采用模擬波束賦形技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字波束賦形的性能，也可以大大降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。在數(shù)據(jù)時隙，可以支持TDM和FDM多種方式，實(shí)現(xiàn)幾百個用戶的同時接入。通過實(shí)驗(yàn)室測試，對三星5GmmWave通信系統(tǒng)的性能和可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，證明其支持自適應(yīng)波束切換和多用戶支持能力。

圖10 自適應(yīng)波束切換測試結(jié)果

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Standardization progress and application issues for transport SDN networks

REN Junwei,LEI Peng

High data rate and large bandwidth will still be an essential requirement for the future 5G mobile cellular system.High frequency bands above 6 GHz are particularly promising for the 5G system because of large signal bandwidths such high frequencies can offer.By using high gain beamforming antennas,the problem of high propagation loss at high frequencies can be overcome.However,the use of beamforming antennas at such high frequencies requires a significant change in the design of a cellular system such as cell search,random access,measurement of beams for fast beam adaptation.In this paper,we mainly introuduce Samsung mmWave 5G system including a new frame structure, multi-antenna beamforming technology and lab test results.

mmWave;5G;frame stracture

2016-10-25）