5G大规模天线系统研究现状及发展趋势

刘 宁,袁宏伟

(中国电子科技集团公司第54研究所 北京研发中心,北京 100070)

5G大规模天线系统研究现状及发展趋势

刘 宁,袁宏伟

(中国电子科技集团公司第54研究所 北京研发中心,北京 100070)

针对第5代移动通信的关键技术-大规模天线技术,介绍了国内外、研究机构的研究现状。总结了贝尔实验室、美国莱斯大学、大唐电信、华为、中兴、54所等国内外多家单位的研究成果。在此基础上,分析了5G大规模天线系统的发展趋势,提出了有源集成化天线是5G大规模天线系统的必然选择,并分析了大规模有源集成化天线在第五代移动通信系统中遇到的挑战。

5G;大规模天线系统;有源天线

随着无线通信技术的发展,无线网络的丰富应用带动了无线数据业务的迅速增长。据权威机构预测,到2020年时,数据业务将增长500～1 000倍[1],给无线接入网络带来了巨大的挑战,需要未来通信系统设计能够更加高效地利用带宽资源,大幅提升频谱效率。

大规模天线阵列系统(Massive MIMO)被认为是未来5 G最具潜力的传输技术。在大规模天线阵列系统中,基站侧配置大规模的天线阵列,利用空分多址(SDMA)技术,可在同一时频资源上服务多个用户,利用大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益,使得小区总频谱效率和边缘用户的频谱效率得到了大幅提升[2-8]。

1 国外机构研究现状

为了形成5 G产业发展构建基础性的核心技术解决方案,国外的研究机构近期已经开展了面向第5代移动通信大规模天线协作情况下的有源集成化阵列天线的原型验证开发工作。

2012年,瑞典 Linkiping University、瑞典 Lund University和贝尔实验室合作开发了工作于2.6 GHz的128天线阵列,包含两种形式,一个圆形阵列和一个线形阵列,如图1所示。圆形阵列由128个天线端口组成。天线阵列由16个双极化的贴片天线单元组成,放置在圆柱形载体上,4个这样的阵列层叠组成一个大的圆柱形阵列天线。这个阵列的优点不止是结构简单小巧,另外为解决在不同的俯仰角的散射问题提供了可能。但由于口径限制,在方位面分辨率不高。线性阵列由一个相同的单元位移128个位置组成一个纯线形阵列。信道的实测结果表明,当总天线数超过用户数的10倍后,即使采用ZF或MMSE线性预编码,也可达到最优DPC容量的98%[9]。该结果证实了当天线数达到一定数目时,多用户信道具有正交性,进而保证在采用线性预编码时仍可逼近最优DPC容量,由此验证了Massive MIMO的可实现性。

图1 瑞典和贝尔实验室合作开发的128天线阵列

2012年,在土耳其举行的移动计算与网络大会(MobiCom’12)上公开报道了世界第一款真实实现的多天线多用户波束成形系统——Argos,如图2所示,其是由美国莱斯大学、贝尔实验室和耶鲁大学开发的,工作于2.4 GHz频段。Argos由WARP板、商用的时钟分配板、商用PC和以太网网关组成。在最初的原理样机中,系统包含一个中心控制器、一个Argos中心和16个模块,每个模块包含4路射频通道。中心控制器由一台PC机组成,它利用Matlab发送数据、权值、控制命令等射频模块。Argos中心由一个24端口的以太网网关、一块时钟分配板和一块WARP板组成,WARP板利用GPIO管脚提供传输同步分裂/复用。同时,WARP板也充当了射频模块。每个射频模块由一块WARP板、4个射频子板和4根天线组成。基站由包含64根天线的16块WARP板组成,它们被安装在一个架子上。根据对经过波束赋形之后的接收信号、多用户干扰与噪声的实测数据,该系统的和容量可以达到85 bit·s-1/Hz,而且在总功率为1/64的情况下也可以达到SISO系统频谱效率的6.7倍[10]。在此基础上,2013年莱斯大学又开发了Argos V2[11]。

图2 美国莱斯大学、贝尔实验室和耶鲁大学开发的Argos天线系统

2013年,丹麦Aalborg University和贝尔实验室开发了工作于2.45 GHz的96天线单元的圆柱形阵列和工作于5～6 GHz的由64根单极子天线组成的矩形阵列,如图3所示。圆柱半径r=2.17λ,阵列由24列单元组成,每列间隔0.55λ,每列由4个贴片天线组成[12]。

图3 丹麦Aalborg University和贝尔实验室开发的64单元有源天线系统

除了大学,韩国三星、瑞典爱立信、日本DoCoMo等公司也均在积极地组织对3D/FD MIMO与Massive MIMO的研究与原型演示平台开发活动[13-22]。这些工作都将是Massive MIMO技术实用化发展的重要基础。

2 国内机构研究现状

中国政府对该技术领域的发展也非常重视。我国的5 G研究与标准化组织—IMT-2020推进组于2013年底专门成立了大规模天线技术专题组,集中了国内研究院所、运营商、设备商以及高等院校中相关技术领域的核心单位,启动了对面向5 G的大规模天线技术的研究与标准化工作。此外,2012年国家重大专项启动了针对64天线的3D-MIMO技术的研究项目立项工作,2014年863计划启动了针对128～256天线的Massive MIMO技术(1期)的立项工作,并将在后续的2期及3期阶段中持续推动该技术的研究、验证与标准化工作。国内对于大规模天线研究主要进行的是信道建模、信道估计、传输技术的研究,如华为、清华、北邮等。一些设备商和运营商也展开了大规模天线样机的研究。

大唐电信开展了2013国家科技重大专项3D-MIMO技术研究与验证,采用64通道的二维平面天线阵。在国家863计划项目高效能5 G无线传输关键技术研发中,拟开发8套每套支持16个天线单元的分布式天线和1套支持128天线单元的集中式大规模天线。该项目于2014年1月～2016年12月实施。

中兴正在进行256天线Massive MIMO原型机的开发验证,采用基带数字波束成形和射频波束成形两种波束赋形技术,预计原型机推出时间为2015年。

中国移动对Massive MIMO的关键技术展开了研究,包括多场景中的新型信道建模研究、支持大规模天线的创新传输方案研究、高效能、低成本、实用化、可扩展的灵活部署方案和系统性能仿真评估,具体到天线层面,涉及的关键技术包括:波束成形、预编码、空时码/信号处理等方案、大规模天线协作与干扰消除算法、天线校准与分布式处理算法、基于手机射频芯片的基站射频系统设计、新型射频功放研究、有源天线硬件设计与工艺、天线部署方案研究、不规则天线阵列的优化算法研究等。并与部分设备上、天线厂商合作开展3D-MIMO的样机研制和大规模天线演示验证系统。

中国电子科技集团公司第54研究所也对Massive MIMO的关键技术展开了研究,包括大规模新型天线系统架构、宽带小型化天线辐射单元,小型化一体化射频收发单元、基于强电磁耦合不规则布阵情况下的方向图成形算法、大规模天线协作系统分步式数字信号后处理及评估测试等关键技术,预计2015年底推出原理样机。

2014年9月,华为联合中国移动演示了全新预商用AAU(有源天线射频单元)平台,是业界第一款支持Massive MIMO特性的基站产品,也是业界最大规格的Massive MIMO多天线系统,不仅可支持中国移动主流频段,而且可以兼容现有的终端,应用后系统容量可提升数倍。

2014年11月,中兴通讯联合中国移动在深圳完成了TD-LTE 3D/Massive MIMO基站的预商用测试,采用中兴最新研制的64端口128天线3D/Massive MIMO的基带射频一体化室外型基站,测试结果基本符合预商用要求。

3 发展趋势

设备小型化、集成化、灵活性是系统发展的永恒主题,随着天线数目的增多,有源集成化天线将是5 G大规模天线系统的必然选择。大规模有源天线系统在增加系统容量、提高通信质量和针对复杂环境下设备的通用性方面都有很好的作用。其顺应了当前射频部件更贴近天线的发展趋势,降低维护成本和能源成本,同时可进一步提高网络性能和部署灵活性。

大规模有源集成化天线在第五代移动通信系统中提出了以下挑战:(1)高度集成化大规模天线系统的体系架构。(2)小型化天线单元及射频集成化的研制。(3)信号同步技术。(4)各种预编码和方向图成形精确算法。(5)高度集成化后系统的稳定性和可维护性[23-27]。

4 结束语

本文针对5G移动通信,总结了国内外大规模天线系统的研究现状和发展趋势,在产业界的催化下,5G大规模天线系统必将迎来更快的发展。

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Research Status and Development Trends of Large ScaleAntenna Systems in 5G Wireless Communications

LIU Ning,YUAN Hongwei

(Beijing Research and Development Center,54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Beijing 100070,China)

This paper introduces the research status of large scale antenna technology,which is the key technology of the 5th generation communication systems.It summarizes the research results of Bell Lab,Rice University,Datang Telecom,Huawei,ZTE,CETC54 and so on,on the basis of which the development trends of the 5G large scale antenna system are analyzed.It draws a conclusion that the active integrated antenna is necessary for the 5G large scale antenna systems.The challenges for active antennas used in 5G are also discussed.

5G;large scale antenna systems;active antenna

2015- 02- 14

国家高技术研究发展(863)计划基金资助项目(2014AA01A707)

刘宁(1983—),男,博士,工程师。研究方向:相控阵天线,移动通信天线。E-mail:liuning1512@163.com。袁宏伟(1982—),男,博士,高级工程师。研究方向:移动通信天线,通信系统。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.049

TN929.5

A

1007-7820(2015)04-182-04