FDD Massive MIMO商用挑戰(zhàn)

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，第一個(gè)3GPP的5G NR標(biāo)準(zhǔn)版本Rel.15計(jì)劃于2018年6月完成。5G商用場(chǎng)景眾多，如增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、低時(shí)延與高可靠通信（URLLC）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）等，其中eMBB業(yè)務(wù)場(chǎng)景是最傳統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)商最關(guān)注、與用戶關(guān)系最密切的。在眾多5G技術(shù)中，對(duì)eMBB業(yè)務(wù)性能影響最大的是Massive MIMO�？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)的5G商用產(chǎn)品中，Massive MIMO是最有可能優(yōu)先部署的5G標(biāo)志性技術(shù)。

從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，眾多設(shè)備商已經(jīng)提前開(kāi)展了Massive MIMO的技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，主流設(shè)備商（如華為、中興等）提出了“5G技術(shù)4G用”的理論，其中的主要技術(shù)就是Massive MIMO。

Massive MIMO的發(fā)展 TDD快于FDD

在全球移動(dòng)商用網(wǎng)絡(luò)中，MIMO技術(shù)在TDD網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展一直快于FDD網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)門(mén)DD網(wǎng)絡(luò)具有信道互易性，相對(duì)于FDD網(wǎng)絡(luò)更容易獲得下行的信道信息，使得TDD網(wǎng)絡(luò)的多天線產(chǎn)品復(fù)雜度更低、設(shè)備體積更小。因此從3G的TD-SCDMA到4G的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，8×8多天線基站系統(tǒng)都已經(jīng)開(kāi)始商用，這也為設(shè)備商在4G演進(jìn)和5G系統(tǒng)中采用更多天線數(shù)量的Massive MIMO技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。因此最早的Massive MIMO預(yù)商用樣機(jī)是在2015年推出的基于TD-LTE系統(tǒng)的Massive MIMO樣機(jī)。

2015~2016年，中國(guó)移動(dòng)與華為、中興在TD-LTE商用網(wǎng)上開(kāi)通了Massive MIMO基站并完成外場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試，4G商用智能手機(jī)在現(xiàn)網(wǎng)單載波帶寬為20MHz的頻譜中實(shí)現(xiàn)下行大于300Mbit/s的吞吐量。日本軟銀（SoftBank）公司于2016年宣布完成了大規(guī)模天線商用測(cè)試，將在日本全國(guó)43個(gè)城市部署TDD Massive MIMO。預(yù)計(jì)2017年軟銀會(huì)在日本全國(guó)范圍內(nèi)的幾千個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行Massive MIMO部署。2016年10月，西班牙Telefonica電信與中興完成了歐洲首個(gè)Pre5G大規(guī)模天線設(shè)備的測(cè)試，驗(yàn)證了該技術(shù)在熱點(diǎn)以及室內(nèi)場(chǎng)景的應(yīng)用性能。

基于TDD Massive MIMO技術(shù)不僅在4G演進(jìn)系統(tǒng)中取得了商用進(jìn)展，而且在5G系統(tǒng)中也得到了不斷推進(jìn)。中國(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組在2016年完成了第一階段的5G關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)這個(gè)階段5G單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)樣機(jī)的測(cè)試，對(duì)5G候選關(guān)鍵技術(shù)的性能進(jìn)行了初步評(píng)估。這個(gè)階段的測(cè)試對(duì)象為業(yè)界主流企業(yè)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)樣機(jī)，華為、中興、大唐、諾基亞等多家設(shè)備商都測(cè)試了基于TDD制式的5G大規(guī)模天線樣機(jī)的性能，并在單基站下獲得峰值約30bit/s/Hz的頻譜效率。因此，目前業(yè)界TDD的大規(guī)模天線發(fā)展無(wú)論在4G和5G系統(tǒng)中，相比FDD都更加領(lǐng)先。

相比于TDD大規(guī)模天線技術(shù)在2014~2016年的預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)中迅速發(fā)展，F(xiàn)DD大規(guī)模天線技術(shù)一直處于研究階段，盡管在3GPP Rel.12和Rel.13版本中已經(jīng)對(duì)LTE的MIMO技術(shù)進(jìn)行演進(jìn)，從下行最多支持8端口到16端口再到32端口，但是FDD大規(guī)模天線的研發(fā)樣機(jī)始終處于停滯狀態(tài)。

FDD大規(guī)模天線樣機(jī)測(cè)試成功 大規(guī)模商用存在諸多挑戰(zhàn)

面對(duì)全球廣闊的LTE FDD市場(chǎng)和運(yùn)營(yíng)商期望大規(guī)模天線早日在LTE FDD網(wǎng)絡(luò)商用的積極態(tài)度，2016年設(shè)備商終于在FDD Massive MIMO技術(shù)上發(fā)力。從2016年底到2017年初，中興和華為都發(fā)布了FDD大規(guī)模天線商用樣機(jī)，并與中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通完成了初步測(cè)試。單站初步測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)DD大規(guī)模天線可以在現(xiàn)有頻譜基礎(chǔ)上將小區(qū)吞吐量有效提升3倍以上，具有明顯的性能增益。

FDD大規(guī)模天線樣機(jī)的測(cè)試表現(xiàn)讓人感到驚喜，但從目前發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，F(xiàn)DD的大規(guī)模天線要想如TDD大規(guī)模天線一樣能夠盡快部署和商用，仍然存在諸多挑戰(zhàn)。

（1） 技術(shù)挑戰(zhàn)

FDD大規(guī)模天線的最大技術(shù)挑戰(zhàn)在于基站如何簡(jiǎn)便地獲取用戶的信道信息。一般來(lái)說(shuō)FDD網(wǎng)絡(luò)都需要終端反饋信道測(cè)量的情況，這種情況在天線端口較少的情況下反饋開(kāi)銷并不明顯，但是如果大規(guī)模天線支持64或128天線端口下仍然采用反饋信道的方式，就會(huì)帶來(lái)較大的信道開(kāi)銷，因此相對(duì)TDD網(wǎng)絡(luò)互易性的信道獲取方式，如何更簡(jiǎn)便地獲取信道信息對(duì)FDD網(wǎng)絡(luò)而言是巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)如前文所述，基于TDD網(wǎng)絡(luò)的多天線系統(tǒng)經(jīng)過(guò)3G、4G時(shí)代的商用部署，產(chǎn)品多次升級(jí)已更加完善，同時(shí)也積累了很多商用經(jīng)驗(yàn)，而FDD的多天線技術(shù)在經(jīng)驗(yàn)方面仍然欠缺。

（2） 設(shè)備挑戰(zhàn)

從系統(tǒng)和終端兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)，TDD大規(guī)模天線相比FDD大規(guī)模天線具備更好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。目前TDD大規(guī)模天線測(cè)試中，一般使用基于3GPP Rel.9版本的終端，并采用TDD系統(tǒng)特有的TM8波束成形技術(shù)。由于現(xiàn)階段大部分TD-LTE商用終端均支持大規(guī)模天線傳輸，因此在規(guī)模商用上，基于TDD的大規(guī)模天線在系統(tǒng)和終端產(chǎn)業(yè)鏈兩方面都不存在太大的問(wèn)題。而對(duì)于FDD大規(guī)模天線的商用，雖然從理論研究、標(biāo)準(zhǔn)化支持以及設(shè)備實(shí)現(xiàn)等角度來(lái)看，F(xiàn)DD Massive MIMO技術(shù)具有可行性，但目前設(shè)備商對(duì)于FDD Massive MIMO的研究尚處于初級(jí)階段，產(chǎn)品規(guī)劃尚不成熟，僅部分廠商表明有研發(fā)及樣機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)劃。FDD大規(guī)模天線終端的解決方案更加傾向于使用能夠?qū)崿F(xiàn)用戶級(jí)參考信號(hào)傳輸（DMRS）和支持DMRS波束成形的TM9技術(shù)。從當(dāng)前商用的FDD終端使用情況來(lái)看，目前支持TM9的基站并沒(méi)有得到商用，而FDD終端中支持TM9芯片的比例也不足20%，因此，F(xiàn)DD大規(guī)模天線的商用還需要依靠Rel.10及以上版本的終端產(chǎn)業(yè)鏈的支持才能快速實(shí)現(xiàn)。

（3） 測(cè)試挑戰(zhàn)

TDD和FDD的大規(guī)模天線都存在如何測(cè)試、如何測(cè)好的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的天線采用BBU+RRU的架構(gòu)，基站設(shè)備規(guī)范中一般只包含RRU和BBU的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，而天線指標(biāo)則在天線設(shè)備規(guī)范中單獨(dú)存在，僅需通過(guò)CABLE的傳導(dǎo)測(cè)試檢驗(yàn)設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)。而對(duì)于采用與有源天線（AAS）相似架構(gòu)的大規(guī)模天線，其RRU和天線采用一體化設(shè)計(jì)，使得天線的指標(biāo)無(wú)法單獨(dú)測(cè)試，需要通過(guò)OTA測(cè)試完成。這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的測(cè)試指標(biāo)以及方案無(wú)法復(fù)用，需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。此外，隨著射頻通道數(shù)的大幅增加，測(cè)試復(fù)雜度也隨之提高。

（4） 部署挑戰(zhàn)

大規(guī)模天線技術(shù)不僅帶來(lái)更多天線、更高增益，也帶來(lái)更大的設(shè)備體積和重量。這使得大規(guī)模天線的安裝和維護(hù)更加困難。盡管FDD和TDD的大規(guī)模天線都有安裝維護(hù)的類似困難，但是FDD大規(guī)模天線的困難更加突出，因?yàn)镕DD相比于TDD均位于較低頻段，因此天線尺寸更大，并且在FDD設(shè)備中收、發(fā)射頻通道是分開(kāi)的，這也增加了大規(guī)模天線的體積和重量以及設(shè)備復(fù)雜度。因此在通道數(shù)相同的情況下，F(xiàn)DD大規(guī)模天線的體積、重量、成本相比TDD大規(guī)模天線都更高。

（5） 組網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證

當(dāng)前業(yè)界的大規(guī)模天線性能測(cè)試（包括TDD和FDD）大部分結(jié)果基于單站或者“插花式”的小數(shù)量基站測(cè)試，而規(guī)模組網(wǎng)下的天線性能將受到小區(qū)間干擾、控制信道覆蓋、波束管理等因素的影響，因此需要在大規(guī)模商用前對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

如何克服挑戰(zhàn) 加速FDD Massive MIMO商用進(jìn)程

盡管FDD大規(guī)模天線技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，但是設(shè)備商和運(yùn)營(yíng)商應(yīng)該齊心協(xié)力克服挑戰(zhàn)。一方面設(shè)備商的解決方案要兼顧Rel.10及以上版本的終端和存量終端，保證在網(wǎng)用戶增益最大化，另一方面要做好新終端演進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的推動(dòng)，加速在網(wǎng)用戶終端更新?lián)Q代。

同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)備方面要平衡好設(shè)備復(fù)雜度、成本與網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)系，通過(guò)合理的取舍幫助運(yùn)營(yíng)商以更低的成本、更便捷的部署方式實(shí)現(xiàn)FDD大規(guī)模天線樣機(jī)的部署。在降低成本、提高部署靈活性方面，中國(guó)電信提出的模塊化大規(guī)模天線方案也值得探索。

只有FDD大規(guī)模天線系統(tǒng)通過(guò)預(yù)商用并具備真正商用的價(jià)值，才能夠?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商帶來(lái)價(jià)值。目前全球黃金頻段和主流網(wǎng)絡(luò)以FDD為主，因此FDD大規(guī)模天線具備廣闊的市場(chǎng)前景。希望隨著設(shè)備商和運(yùn)營(yíng)商的共同努力，能夠不斷克服所面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，進(jìn)行更多、更全面的測(cè)試驗(yàn)證，最終加速FDD Massive MIMO的商用進(jìn)程，為全球運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展流量經(jīng)營(yíng)開(kāi)辟新的、更廣闊的發(fā)展空間。