ｄｏｉ：１０ ３９６９￣ｉｓｓｎ １０００－１２４７ ２０１７ １ １ ０２５ ５Ｇ技术演进及Ｍａｓｓｉｖｅ Ｍ Ｉ ＭＯ天线性能评估平台研究 高峰和凯朱文涛王丽芳刘嘉麟 中国移动通信集团设计院有限公司 日引言 ５Ｇ网络作为第５代移动通信网络，其峰值理论传输速度 可达儿十Ｇｂｉｔ／ｓ，这比４Ｇ刚络的传输速度快数 倍。５Ｇ核心 网提ｍ基于ＩＴ新技术、面向新的移动服务的未来嗣络架构设 设备。随着物联网建设的深入，未来联网设备会变得越来越 多，从力、公室的安防系统到车上的广‘播都会成为５Ｇ网络中的 一员，真正实现万物互联。 计理念，实现控制面与用户面分离，具有三个关键特征：统 一目５Ｇ关键技术 ５Ｇ关键技术包括他送ｌ圳、接入 、物 ｎ勺演进 突破 用户数掂、功能编排与管ｌｆ里、网络功能和信息开放。 ５Ｇ网络支持ＣＵ—ＤＵ分布式网络架构功能．该架构支持 及终端 ，ｊ 功能尖活分配，即对协议栈功能进行灵活切分，实现部分功 能（如非实时处理）分布在ｃｕ，部分功能（如调度）分布 任ＤＵ。ＣＵ￣ｒＪＤＵ之间支撑理恕和非理想的传输网络 采Ｊ｝｛ ２．１传送网关键技术 针对５Ｇ的超人带宽、巡密集组刚、趟低时延和趟高 度的要求，５Ｇ传输关键技术包括低时延传输技术、高精度 级ｎ 传、三 ＿Ｉ】】传的新型传输架构，功能和性能满足５Ｇ需 求．．５Ｇ网络架构如图１所示。 ｍ于５Ｇ多业务多场景，５Ｇ空［ｊ需要具有灵活Ⅵ配置的 特点，向向 刚场景莉１业务，在人规模多天线传输、离低频 段协作、帧结构等方叫，实现“甚体裁农”。为厂获得更为 精确的无线通信覆盖、提升频谱效率和功率效率、提高尢线 通信系统的覆盖范同，移动通信基站天线的规模迅速增加。 移动通信 站天线已经从２Ｇ通信系统的２通道天线发展成为 时间同步、 络协同控制等。因此需婴对传输速率、容 、 时延、同步等关键组网性能需匹配无线需求和对支持灵活调 度、业务保护等关键组网功能等ｌＪｆ展研究。 ２．２接入网高层关键技术 ５Ｇ是以用户为中心的接入网． 此 络架构灵活、 拟化平台，以及自治网络，可以实现低成本部署，其中包 捅集中和分布的两级架构、ＳＯＮ的新功Ｌ日Ｅｂ１、－】］ＲＡＮ的虚拟化 平台。５Ｇ的新需求有腆型场景端到端切片、ＣＵ／ＤＵ架构、 ＬＴＥ一５Ｇ多连接、基于Ｃｏｎｔｅｘｔ Ａｗａｒｅ的优化、Ｂｅａｍ等。５Ｇ 需要实现“ ｍｓ无中断切换，提供无缝移动体验，包括两 级移动性配置、 于波束的测量、ＬＴＥ—ＮＲ双连接、上下行 灵活配置、ＮＲ内多连接等技术。５Ｇ同样需求１（｝ｍｓ超低接入 日寸延，保持无线侧“永远在线”。 ５Ｇ新系统在２０２０年商刚之前，４Ｇ将会持续演进以满足 Ｌｔ箍增长的容量需求。因此，４Ｇ演进系统，￣ＨＳＧ新系统将住 很长一一段时间内共存和互操作。ＳＩ阶段已确定进一步研究 ４Ｇ通信系统的８通道糟能天线，目前５Ｇ大规模移动通信技术 备受关注。 ５Ｇ技术演进主要有以下三火方向：ｅＭＢＢ的空口演进、 ｅＭＴＣ．￣ｕＲＬＬｃ。其￣ｅＭＢＢ是增强移动宽带，是指在现有 移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步 提升；ｅＭＴＣ是物联网的应用场景，超可靠低时延，侧重点 丰要体现物与物之间的通信需求；ｕＲＬＬｃ则指如尤人驾驶、 工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。 ５Ｇ带来的小只是速度的提升。实际上，对于用户来 说．史重要的是５Ｇ在网络容垦上的提升，其可以承载更多的 １ １４ ＴＥＩ ＥＣ０ ＭＵＮＩＣＡ１］ｏＮＳＴＥＣＨＮｏｌ ｏ（、、 ２０１７・１ １ 电信技 如下 种场ＪＩ矗．１：ＬＴＥ ｅＮｏｄｅＢ为 节 ３５，，ＮＰ．ｇＮｏｄｅＢ为１ 节 ，化没汁 现Ｉ 移动逑率；迎过Ｍ，￣ｓｉｖｅ ＭＩＭＯ技术实现ｆ： ｊ速率传 ｅＬＴＥ ｅＮｏｄｅＢ为｝ ＾ 输；通过人 模密集组网实现离速率干『１岑切换；迎过爪 以及多种Ｉ 订一交的统一多址架构等技术交脱人连接 交 ２．３物理层关键技术 通过灵活可 置的帧结构和系统参数以及灵活双工、多 址、多天线等芙键技术，ＩＵ‘满足５Ｇ多场 秆ｌ多样化的、ｌＩ，务需 求．提７ｔ Ｈｊ户体验。＿仃效提升竞争力。关键技术包括：低时 延、高速率、Ｊ～覆盖、离移动速度、人连接等。通过灵活的帧 结构、 行控制信道的时域控制没计和下行信道的波束形成能 目大规模阵列天线 移动通 ｉ天线已经从２Ｇ通信系统的２通道 线发展 成为４Ｇ迎信系统１＇￣３８通道柑能人线．列５（ 经发展为Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ的人规模Ｆｌ－￣ｌＪ人线，女Ｉ１ ２ｆ］ｉ 示 Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ技术ｆ１沩５Ｇ移动迎信的ｌ父键技术， 有 以卜技术优势：增加人线ｔ 元数 ，获得吏精确的波束呲形 能／ ；在干几 的频谱资源 时服务 多ＪＩ｛户，深度利用 够实现广覆盖的目标；通过抗多普勒频移技术和参考信号的优 宅问无线资源， 著提高系统ｎ勺频谱效牢；大幅降低发射功 宰，提升功率效率；４ｔｌＪ￣ｌＪ尢线通信系统中的ｌ＿Ｆ扰．带来 人 的小区 及小区间的＿Ｔ扰抑制增益，进一步提高九线通信系 统的容 和覆盖范同。 ５Ｇ人规模阼列天线不仅阵列 元数景大幅增）ＪｌＩ，而且 每个阵无或儿个阵元一组都会被分配独 的射频通道，这样 一来，人舰模阵列天线将 水、 面和垂 【白ｊ击Ｉ５具备波束赋形 的能力，且赋形自南度也成倍增力Ｉｉ，能够实现多波束、波束 扫描、特型波束等复杂的 维辐射方向 阵列天线的３Ｄ覆盖优化研究极为重要。 Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ技术对大规模阵列人线的仿 和性能 １人］此，５Ｇ大 模 估提出吏高的要求。 现有商川电磁仿真软件仿 效率低、耗用资源人、建模 复杂，难以满足人规模阵列天线的仿真优化需求。 Ｉ于人规 模阵列天线结构复杂、阵列 无数 多， 简 要的电磁仿 真软件包括ＨＦＳＳ、１Ｅ３Ｄ、ＦＥＫＯ、ＣＳＴ，均无法满足大 模 阵列火线的快速建模、高效仿 和优化需求 、 为ｒ满足大舰模阵列性能快速评ｆｆｉ以及３Ｉ）智能波束覆 盖的需 ，＂发＿ｒＭａ ｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ天线性能 台，总体 Ｉ国 圈’圉Ｉ 图１ ５Ｇ网络架构 技术路线如 ３所示。 快速计算 ， 先借助商业全波电磁仿真软件（女【Ｊ 小规模阵列火线（往－维 列 ＨＦＳＳ、ＣＳＴ等），仿 计 大规模天线阵列系统 图２移动通信来线的演进 ｗｗｗ．ｔｉｍ．ＣＯＩＴＩ Ｃｎ １１５ 表１ 三维波束赋形权值 对比项目 幅度 第１行 相位 幅度 第２行 相位 ２６９６６ ２２７４２ ５１８１１ ３９５２５ ３９５ ８ １６０８８ ２２５６ ２７２６８ 计一种双波束测试例，针对该测试 例进行３Ｄ波束赋形及优化，并对优 第６列 第７列 第８列 Ｏ１嘶 １１１＿８１ Ｏ３５ 第１列 第ｚ列 第３列 第４列 ０．３１ ２３４３８ １ 第５列 化得到的阵列三维权值进行测试验 证。设定双波束，两个波束水平夹角 ０．１０２３ ０．１９８４ ０１３３３ １０８．７９ ０３３ ０．２９１４ ０．１２０９ ０１７３６ ２３４．９３ ０９４ ６６．５５ ０６４ ３５７．２４ ０４３ ０．Ｏ１ ０ ３ｇ ６４ ７３ ０ ５６ ４Ｏｏ，每个波束的水平面半波功率宽 度１ ５ｏ，垂直面半波功率宽度３０￣， 经过优化，权值见表１。 幅度 ０１２８７ Ｏ．２４９６ ０．１６７７ ２７６ ３２ ２３４．０８ ５２４－７７ ０．３９ ４０１．９１ ０ １６ ３４８３６ Ｏ．３Ｉ５６６ ０１５２１ ４Ｏ２４６ ０ １５Ｏ４ ３４８９１ Ｏｌ２１８４ Ｏ１３６５ 第３行 相位 幅度 第４行 相位 ２２２ ７７ １８Ｏ５３ ４７１ ２２ １１３９９ １７８ ７１ ２２５ ７９ １６７５４ ２３２．２６ ２７９．３４ ０Ｏ６２４ Ｏ０８９６ ０Ｏ５６ 仿真结果为水平面波束夹角 ４１ ｏ，水平面３ｄＢ波瓣宽度分别 为１ ４ ｏ和１ ５ ｏ；垂直面波束夹角 Ｏ０５２８ Ｏ１０２４ Ｏ０６８８ １ ８。，垂直面３ｄＢ波瓣宽度分别为 １２。和１０ｏ。 口结束语 ５Ｇ大规模阵列天线综合仿 分析 平台的３Ｄ波束贼形 度良好，能够实 现双波束、４波束、多波束 复杂３Ｄ 贼形，可满足波束指向及宽度响垫． 符合５Ｇ通信３Ｄ覆盖的精确化、智能 化需求。 参考文献 【１】ｆ Ｃ ｈｉｈ－－Ｌｉ ｎ Ｓ Ｈａ ｎ，Ｚ Ｘ ｕ，ｅｔ ａＩ．Ｎｅ Ｐａｒａｄｉｇｍ ｏｆ ５Ｇ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ［Ｊ】ＩＥＥＥ ｄｏｕｒｌｆ＆］Ｏｈ 图３ Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ天线性能评估技术路线 Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．２Ｏ １ ６．３４（３） ［２ ２］高峰，和凯．宋智源 等．５Ｇ大规模紧 快速计算时，仿贞计算出４ Ｘ １单元的基本阵列；在二维阵列 快速计算时，仿真计算出４×４单元的基本阵列）。其中相位 补偿见公式（１）。 ｐｈａ’（ｒＥ０［ｍ］［川）＝ｐｈａ（ｒＥ０【 ］［ ］）一ｋ ｓｉｎ０ｃｏｓ ｃｐＸｍ×ｄｘ— ｋｓｉｎＯ ｓｉｎ Ｘ × 耦合阵列天线研究［Ｊ］．电信科学，２０１ ５Ｉ蚯 如对本文内容有任何观点或评论．请发Ｅ—ｍａｉｌ￣＿＿ｔｔｍ＠ｂｊｘｉｎｔｏｎｇ ｃｏｒｎ ｃｎ 高峰 教授级高级工程师，主要研究方向为无线通信与＿天线技术及 网络优化。 和凯 （１） ｐｈａ’（ｒＥ ］［ ］）＝ｐｈａ（ｒＥ 】【”］）一ｋｓｉｎ０ ｃｏｓｑ￣ｘｍｘｄｒ— ｋ ｓｉｎ０ ｓｉｎ Ｘ”× 场证合成见公式（２）。 工程师，主要研究方向为天线宽频带小型化技术、天线数值 ［ ］＝ ． ×ｌ ［ ｌ×ｅｘｐ［ ×（ｐｈａ＇（ ［ ｚ ）＋ ．分析与优化、移动终端天线、智能天线等。 朱文涛 ｋ ｓｉｎＯｃｏｓｑ￣×ｍ×出＋ ）ｌ｝ 工程师，主要研究方向为移动通信天馈系统性能监测及优 化，基于大数据的无线网络数据分析及质量控制。 王丽芳 Ｍ＝ ｋｓｉｎ０ＣＯＳ ×ｍ×ｄｘ＋ ×ｌ ［ｎ］Ｉ×ｅｘｐ［＿，ｘ ｐｈａ＇（ｒＧ［ ）＋ ， ）］｝ （２） 高级工程师，主要研究方向为移动通信网络。 刘赢麟 采用差分进化算法进行三维智能波束覆盖的计算仿真。 为Ｊ，验证５Ｇ人规模阵列天线３Ｄ覆盖优化算法的准确性，设 工程师，主要研究方向为网络优化。 １１６ ＴｌｏＮＳＴＥＣＨＮｏｌ ｏ（ ｒ／２Ｏ１ ７ ・ １１
