三星5G毫米波移动通信系统介绍

任俊威 三星电子中国研究院高级工程师

雷鹏 三星电子网络事业部资深技术专家

沈志春 三星电子中国研究院网络技术部总监

三星5G毫米波移动通信系统介绍

任俊威 三星电子中国研究院高级工程师

雷鹏 三星电子网络事业部资深技术专家

沈志春 三星电子中国研究院网络技术部总监

高数据速率和高带宽是未来5G移动蜂窝系统的必要需求之一，从目前频谱分配看，6GHz以上的高频段更有可能提供未来5G系统所需要的带宽。同时，高频段更适合高增益天线系统，用以弥补高频段较大的传输损耗。然而，高频系统的多天线技术需要改变目前蜂窝系统的设计，比如小区搜索、随机接入、快速波束切换时的波束测量等。本文主要介绍三星5G毫米波通信系统，包括一种全新的帧结构、多天线波束赋形技术和实验室测试结果。

毫米波；5G；帧结构

1 引言

目前，越来越多的智能设备如智能手机和平板电脑增加了对蜂窝移动通信系统的数据流量的需求。为了满足无线数据流量不断增长的需求，多种先进的无线通信技术已经得到快速的发展和应用。其中最引人注目的是MIMO或多天线技术、载波聚合以及HetNet组网技术等。

最近针对如何将上述技术应用到高频段（30～300GHz）比如毫米波（mmWave），已经开展了大量的研究工作，从目前全球的无线频谱分配来看，在高频频段上，更加容分配满足未来无线通信系统所需宽系统带宽如800MHz的要求。众所周知，高频段和宽带宽系统非常适合于补充宏蜂窝覆盖的微蜂窝场景以及无线回传。与此同时，将高频段应用于未来蜂窝移动通信系统也得到了越来越多的关注。mmWave应用到未来蜂窝移动通信系统的主要挑战之一是高频段无线信号具有较高的传输损耗。但与此同时，也应注意到高频段更有利于大规模天线的使用，其波束赋形技术可以带来较高的增益用以克服所带来的传输损耗。大规模天线系统可以更好地支持MU-MIMO，扇区吞吐量性能将得到进一步的提高和改善。同时，数字预编码和模拟波束赋形的混合设计可以带来与全数字波束赋形几乎相同的性能，但其硬件的实现复杂度将大大降低。

高频段的大规模天线技术非常适用固定无线接入通信系统，目前已经在WPAN和WLAN中得到商用。然而，在移动蜂窝通信领域，mmWave技术还将面临很多问题需要去解决。目前蜂窝通信系统的空口设计都是针对于低频段（低于6GHz），并不能直接用于mmWave。因此，需要定义一种新的帧结构来适应高频无线信道特点和高频器件特性。

本文将介绍三星5G mmWave移动蜂窝通信系统，包括全新的帧结构、模拟波束赋形技术，以及工业和信息信化部和IMT-2020（5G）推进组组织的5G技术研发试验第一阶段的测试结果。

该测试设备所采用的帧结构，可以根据波束或天线阵列的数量、用户数和业务量进行灵活的调整。该测试设备可以支持3GPP定义的多种MIMO技术，如发射分集、空分复用、波束赋形等。本次测试主要验证5G蜂窝移动通信系统采用mmWave波段的可行性。该测试设备的工作频率为28GHz，系统带宽为800MHz，双工方式为TDD。基站和终端支持2×2 MIMO，获得3.66Gbit/s的单用户吞吐量，并验证了自适应波束切换算法，在波束切换过程中，性能损失不超过3dB，可以实现无缝的波束切换。

2 mmWave设备介绍

2.1 帧结构

本次测试设备的物理层仍然采用OFDM技术，

为了与LTE技术相兼容，其抽样率为1.2288GHz，是LTE系统抽样率的40倍，具有较高的时钟精确度并具有较低的硬件实现复杂度。OFDM设计参数具体如表1所示。

根据密集大城市的无线信号传播测试结果，当采用窄波束天线时，工作频率为28GHz时，视距环境下无线电波的功率延时分布的延时扩展最大均方根为153.6ns，功率延时分布的最大的附加时延从最大值下降20dB时为405.7ns。因此，当循环前缀长度为833ns时，足够满足视距环境下的时延扩展的要求。测试设备OFDM所采用的FFT点数为4096，子载波间隔为300KHz，远远大于LTE系统的15KHz。该子载波间隔远远小于视距环境的相干带宽，有利于克服频率选择性衰落；在另一方面，大的载波间隔还有利于克服频偏、相位噪声以及多普勒频移的影响。根据移动通信系统对时钟精确度的要求，最大的时钟偏移为10ppm，当工作频率为28GHz时，对应到频域的偏移为280KHz，小于子载波间隔，通过相位补偿算法，可以克服时钟偏移对性能造成的影响。

测试设备采用不同于LTE的帧结构，该新定义的帧结构包括无线帧、子帧和时隙，其中，无线帧长度为5ms，包含5个子帧，每个子帧长度为1ms。每个子帧中包含40个时隙，每个时隙的长度为25μs。时隙为最小的调度单位，每个时隙用于传输不同类型的数据，如控制信令、数据、随机接入等，每个时隙包含6个OFDM符号。测试设备所采用的帧结构具体如图1所示。

2.2 物理信道和传输时隙

为了适用mmWave和多天线波束赋形技术，测试设备定义了一些新的物理信道。测试设备的物理信道以及对应的传输时隙如表2所示。

为了更好地满足未来5G移动通信系统的需求，该通信系统的子帧长度可以改变；在一个子帧内的同步/广播时隙，随机接入时隙或者波束测量时隙可以根据实际情况进行最优的配置，如考虑基站和终端支持的波束数量、基站的天线阵列数量、小区覆盖范围以及终端移动速度等。一个子帧内的控制和数据时隙可以根据业务量进行自适应调整，为了简化芯片Modem的实现复杂度，每种时隙类型的信号结构不能进行调整。本次测试设备采用如图2所示的时隙结构。

表1 测试设备OFDM参数

图1 测试设备的帧结构组成

表2 物理信道以及传输时隙

2.2.1 同步/广播信道信道

同步/广播信道用于小区搜索和捕获，在同步/广播时隙传输。同步信道和广播信道的结构组成如图3所示。

如图3可见，每两个连续的OFDM符号包含一个

同步信道和一个广播信道，并采用同一组波束进行发射，因此共支持6个发射波束，这6个发射波束将在整个小区内进行连续覆盖，保证小区内的所有终端都可以测量和接收。在小区搜索过程中，终端的每个接收波束和基站的发射波束进行配对，并根据功率最大化的准则，找到一组最佳的基站发射波束和终端接收波束组合，根据最佳发射波束中的同步信息和广播信息，确定最佳服务基站的小区ID。

图2 测试设备的时隙结构

图3 广播同步信道结构

考虑传输时延，位于小区边缘的终端存在无法有效收到最后一个波束即波束5的问题。为了解决该问题，本测试设备定义两种发射波束顺序，并在奇数和偶数无线帧内交替使用，保证所有的基站发射波束都能被终端所接收（见图4）。

同时，本测试设备还支持对相邻小区同步/广播信道的搜索。由于终端和相邻基站之间的相对位置并不确定，因此终端需要遍历所有的基站发射波束和终端接收波束的组合，才能正确搜索到相邻小区。当对相邻小区进行小区搜索时，终端所采用的接收波束和与正在服务小区内进行通信的接收波束可能并不是同一个，因此在搜索相邻小区的过程中，会导致终端和服务基站的通信受到影响。为了解决此问题，可在不同的子帧分别进行相邻小区搜索和服务小区同步。在偶数帧时，终端搜索服务小区，奇数帧时，终端搜索相邻小区。终端搜索服务小区和相邻小区同步/广播信道的时刻以及波束发射序号如图5所示。当终端支持8个接收波束时，终端完成相邻小区搜索的时间最大为80ms，完全满足移动通信系统的要求。

2.2.2 波束测量信道

图4 广播同步信道发射波束序号

图5 服务小区和相邻小区同步/广播信道搜索顺序

波束测量信道在波束测量时隙发送和接收，用于确定上/下行数据信道和业务信道采用的发射和接收波束，即找到一组功率最大的发射波束和接收波束的组合，用于与服务基站的通信。在波束测量时隙，发射机在时隙的起始点处进行发射波束切换，并在整个时隙内采用同一个发射波束，终端需要遍历全部的接收波束。测量时隙的OFDM符号长度为833ns，包含1024FFT点数，没有循环前缀。不同小区具有相同的波束测量时隙，但占用不同的子载波以避免相邻小区之间的干扰。当小区间并不是理想同步时，或者在波束测量时隙的开始位置或者在结束位置会受到相邻小区的干扰。因此，测量时隙中位于前面和后面的部分OFDM符号不用于波束测量操作，保证波束测量过程没有干扰，提供波束测量的可靠性。当基站发射波束为8个时，终端需要20ms完成波束测量，当基站支持16个发射波束时，终端需要40ms完成波束测量。当基站支持更多的发射波束时，可以增加波束测量时隙，以缩短波束测量时间。

2.2.3 随机接入信道

随机接入信道在随机接入时隙发送，用于上行随机接入过程以及上行同步。在随机接入时隙，终端采用一个固定的波束发射随机接入信号，该波束在小区搜索过程中已经确定。基站在随机接入时隙采遍历所有接收波束进行接收，保证正确接收位于不同方向的终端发射的随机接入信号。随机接入信号长度为8192采样点，即6.66μs，可以支持的小区半径为1km。当移动速度为120km/h，工作频率为28GHz时，对应的多普勒频移为3.1KHz，相干时间约为320μs。随机接入信号长度远远小于上述相干时间，即在一个时隙内，可以认为是静态信道，有利于随机接入信号的解调。

2.2.4 控制和数据信道

控制信道和数据信道分别在控制时隙和数据时隙发送和接收，用于下行物理层控制信道和数据信道的发送和接收。控制时隙内发送的控制信道分为广播控制信道和专用控制信道。其中，专用控制信道采用终端测量的波束，与该波束指向的终端进行通信。广播控制信息需要在不同的OFDM符号上采用不同的发射波束进行重复发射，保证所有小区内的终端都能接收到该广播控制信息。控制时隙中每个OFDM符号内都具有参考符号，接收端在每个OFDM符号内都要做信道估计。因此，波束切换发生在OFDM符号的起始点。

在数据时隙，由于信道可以是静态的，因此波束切换只发生在时隙的起始点，并在该时隙内采用一个固定的发射波束，该发射波束通过波束测量过程确定。

数据时隙的资源块和参考信号采用与LTE系统相似的设计。在一个子帧内，数据业务的资源调度方式可以采用TDMA和FDMA两种方式，当终端的在小区内的位置比较接近，可以采用相同的发射波束时，可以采用频分的方式进行调度；当终端在小区内的位置相互离得较远，不能采用相同的发射波束时，则只能采用时分调度的方式。当系统带宽为800MHz时，共有2640个子载波，一个资源块有60个子载波组成，共有44个资源块。也就意味着在一个数据时隙内，最多可以支持44个终端，在一个子帧内，可以支持几百个用户同时接入。

2.3 射频以及天线配置

三星5GmmWave通信设备采用数字预编码和模拟波束赋形设计，其发射机和接收机的射频通道如图6所示。

由图6可见，测试设备的基带部分采用数字预编码技术，经过IFFT之后，将数字信号转为模拟信号，并传输至射频单元，在射频单元，模拟信号乘上波束赋形权值之后发送到多天线阵列。因此，模拟波束赋形与数字波束赋形的好处就是节省了大量的基带模块和射频模块之间的CPRI接口。当采用模拟波束赋形时，基带模块和射频模块之间采用SMA电缆即可。

测试设备的基站和终端都包含两组天线阵列，可以形成2×2MIMO的双流传输。其中，基站的天线阵列为8×6的平面天线阵，水平方向为8列天线单元，垂直方向为6行天线单元。其中垂直方向的6个天线单元分成2组，每组由3个天线单元组成；基站水平覆盖范围为-40°～40°，垂直覆盖范围-10°～10°；在水平方向，可生成8个半功率角为10°的波束，在垂直方向，可生成2个半功率角为10°的波束。

终端的天线阵列为4×1线性天线组成。在水平方向，可生成8个半功率角为30°的波束，在垂直方向，可生成1个半功率角为60°的波束；终端水平覆盖范围为360°，垂直覆盖范围为60°，在水平方向，可生成8个半功率角为30°的波束，在垂直方向，可生成1个半功率角为60°的波束。基站和终端的天线配置如表3所示。

2.4 自适应波束切换

图6 测试设备多天线波束赋形系统发射机和接收机结构

对于蜂窝移动通信系统，需要支持终端的移动

性。因此，对于多天线的波束赋形系统来讲，根据终端的位置进行自适应波束切换，以及切换过程中的性能损失是一个基本的指标要求。

表3 测试设备的天线阵配置

根据上节描述，本次测试设备在水平方向上支持8个窄波束，每个窄波束的半功率角度约为10°，当天线间隔为0.65λ时，波束的方向图如图7所示。

图7 波束方向图及波束切换性能损失

从图7可以看出，位置①为最佳波束切换位置，当波束切换滞后1.1°时，即波束切换发生在位置②，对应3dB的性能损失；当波束切换之后2.2°时，即波束切换位置发生在位置③，对应6dB的性能损失。

表4为不同移动速度情况下，位于不同位置的终端在小区内移动1°所需要的时间。

根据帧结构中波束测量时隙的配置以及终端接收波束的数量，终端测量完全部8个发射波束和8个接收波束的组合共需20ms，当终端测量到最佳的发射波束和接收波束的组合之后，终端在上行物理控制信道上将发射波束的序号反馈给基站，基站的基带收到终端的反馈之后，将波束序号传输到射频部分，射频部分根据波束序号，生成相应的权值，因此反馈时间最大为1ms。同时，当位于射频部分用于生成模拟波束的移相器需要一定的预处理时间，用于根据波束序号生成具体的权值，该时间大约为3ms。然后，波束切换的指令被触发之后，需要一定的时间来稳定射频器件，大约需要几百ns。因此，在波束切换过程中，从波束测量到下一个波束的生成，整个过程的时间不会超过25ms，在该时间内，移动速度为120km/h的终端在小区内的移动位置不会超过1°，也就是在波束切换过程中，所造成的性能损失不超过3dB。

3 实验室测试结果

3.1 测试配置

由于本次测试没有28GHz频段的室外使用许可，因此测试均为室内实验室测试。测试环境测试平台包括1台mmWave5G基站，2台测试终端。测试设备组成如图8所示。

三星5G mmWave测试设备的空口配置如表5所示。

3.2 测试项目和测试结果

本次测试主要验证5G mmWave系统在视距和非视距环境下的吞吐量性能、多用户调度能力，以及波束切换性能。

单用户吞吐量测试结果如表6所示。通过测试表明，三星5GmmWave设备最高支持3.66Gbit/s的单用

户峰值速率，差点可以获得0.59Gbit/s的数据速率。在非视距环境下，mmWave设备也可以获得1.83Gbit/s的吞吐量。

表4 不同移动速度的终端移动1°所需要的时间

两用户吞吐量测试结果如表7所示。由于本次测试设备不支持MU-MIMO功能，因此当两终端时，采用时分或频分的调度方式，而扇区吞吐量相比于单用户吞吐量没有提高。

自适应波束切换测试，测试终端沿着与基站法向方向垂直的路径移动，移动的角度大约为45°。在整个测试路线上，可以测到6个波束（见图9）。

具体测试结果如图10所示，在切换过程中，吞吐量性能没有变化，RSRP性能下降不超过3dB。

表5 空口规格

4 结束语

图8 三星5G mmWave系统测试网络拓扑

表6 单用户吞吐量测试结果

表7 两用户吞吐量测试结果

图9 波束切换测试示意图

本论文主要介绍三星5G mmWave通信系统，包括其全新的帧结构、多天线技术，以及实验室的测试结果。测试设备所采用的帧结构，时隙为最小的调度单位，长度仅为25μs，相比于LTE系统，可以大大降低系统时延。并根据需要可以灵活地配置时隙传输的数据类型。该帧结构可以采用模拟波束赋形技术，既可以实现全数字波束赋形的性能，也可以大大降低系统实现的复杂度。在数据时隙，可以支持TDM和FDM多种方式，实现几百个用户的同时接入。通过实验室测试，对三星5GmmWave通信系统的性能和可行性进行了验证，证明其支持自适应波束切换和多用户支持能力。

图10 自适应波束切换测试结果

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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）