隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展,第一個3GPP的5G NR標(biāo)準(zhǔn)版本Rel.15計(jì)劃于2018年6月完成。5G商用場景眾多,如增強(qiáng)移動寬帶(eMBB)、低時延與高可靠通信(URLLC)、大連接物聯(lián)網(wǎng)(mMTC)等,其中eMBB業(yè)務(wù)場景是最傳統(tǒng)、運(yùn)營商最關(guān)注、與用戶關(guān)系最密切的。在眾多5G技術(shù)中,對eMBB業(yè)務(wù)性能影響最大的是Massive MIMO。可以預(yù)見,未來的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)提前開展了Massive MIMO的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(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DD網(wǎng)絡(luò)具有信道互易性,相對于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,中國移動與華為、中興在TD-LTE商用網(wǎng)上開通了Massive MIMO基站并完成外場驗(yàn)證測試,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)模天線商用測試,將在日本全國43個城市部署TDD Massive MIMO。預(yù)計(jì)2017年軟銀會在日本全國范圍內(nèi)的幾千個站點(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Pre5G大規(guī)模天線設(shè)備的測試,驗(yàn)證了該技術(shù)在熱點(diǎn)以及室內(nèi)場景的應(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,通過對這個階段5G單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)樣機(jī)的測試,對5G候選關(guān)鍵技術(shù)的性能進(jìn)行了初步評估。這個階段的測試對象為業(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)測試成功 大規(guī)模商用存在諸多挑戰(zhàn)
面對全球廣闊的LTE FDD市場和運(yùn)營商期望大規(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),并與中國電信和中國聯(lián)通完成了初步測試。單站初步測試結(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)的測試表現(xiàn)讓人感到驚喜,但從目前發(fā)展?fàn)顩r來看,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)在于基站如何簡便地獲取用戶的信道信息。一般來說FDD網(wǎng)絡(luò)都需要終端反饋信道測量的情況,這種情況在天線端口較少的情況下反饋開銷并不明顯,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,就會帶來較大的信道開銷,因此相對TDD網(wǎng)絡(luò)互易性的信道獲取方式,如何更簡便地獲取信道信息對FDD網(wǎng)絡(luò)而言是巨大的挑戰(zhàn)。同時如前文所述,基于TDD網(wǎng)絡(luò)的多天線系統(tǒng)經(jīng)過3G、4G時代的商用部署,產(chǎn)品多次升級已更加完善,同時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)和終端兩個方面來說,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題。而對于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)等角度來看,F(xiàn)DD Massive MIMO技術(shù)具有可行性,但目前設(shè)備商對于FDD Massive MIMO的研究尚處于初級階段,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)用戶級參考信號傳輸(DMRS)和支持DMRS波束成形的TM9技術(shù)。從當(dāng)前商用的FDD終端使用情況來看,目前支持TM9的基站并沒有得到商用,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) 測試挑戰(zhàn)
TDD和FDD的大規(guī)模天線都存在如何測試、如何測好的挑戰(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CABLE的傳導(dǎo)測試檢驗(yàn)設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)。而對于采用與有源天線(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)無法單獨(dú)測試,需要通過OTA測試完成。這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的測試指標(biāo)以及方案無法復(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)不僅帶來更多天線、更高增益,也帶來更大的設(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)測試驗(yàn)證
當(dāng)前業(yè)界的大規(guī)模天線性能測試(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,加速在網(wǎng)用戶終端更新?lián)Q代。
同時在系統(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,通過合理的取舍幫助運(yùn)營商以更低的成本、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)通過預(yù)商用并具備真正商用的價值,才能夠?yàn)檫\(yùn)營商和設(shè)備商帶來價值。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前景。希望隨著設(shè)備商和運(yùn)營商的共同努力,能夠不斷克服所面臨的問題與挑戰(zhàn),進(jìn)行更多、更全面的測試驗(yàn)證,最終加速FDD Massive MIMO的商用進(jìn)程,為全球運(yùn)營商開展流量經(jīng)營開辟新的、更廣闊的發(fā)展空間。