互联网与移动通信网的深度融合,催生了广大移动用户对数据业务近乎无止境的需求,同时令原本为通信而生的移动网络逐步向传媒的方向演进。虽然4G网络的逐步建成,网络规模趋于稳定,但频率资源紧缺、能源的巨大消耗以及网络的优化问题却不容忽视。世界各国在推动4G产业化的同时,已开始着眼于新一代无线移动通信技术的研究,力求使移动通信系统性能和产业规模产生新的飞跃,5G概念呼之欲出。根据我国IMT-2020(5G)推进组的定义,5G需要具备比4G 更高的性能,支持0.1~1 Gbit/s 的用户体验速率,每平方千米一百万的连接数密度,毫秒级的端到端时延,每平方千米数十Tbit/s的流量密度,500 km/h以上的移动性和数十Gbit/s的峰值速率。在关键技术方面,超密集组网、大规模MIMO、非正交传输、高频段通信、C-RAN、SDN/NFV、内容分发网络(CDN)等均被认为是5G的潜在关键技术。就空中接口而言,大规模MIMO系统通过使用空间复用和减轻干扰,是解决无线数据服务指数增长问题的最重要的技术之一。而阵列天线是大规模MIMO的必要条件,天线的设计方案及对于大规模MIMO系统的实现十分重要,甚至直接影响到5G系统的性能指标。
1 大规模MIMO 研究进展
作为5G移动通信系统的核心技术之一,大规模MIMO的研究与标准化进程与5G同步进行,吸引着全球范围内政府机构、研究组织、运营商和设备厂商的持续关注和投入。
国际方面,2012年,ITU、3GPP开始组织全球业界开展5G标准化前期研究。同年,欧洲推动METIS计划发展5G,并于2014年成立5GPPP,联合ICT行业、中小企业和欧盟委员会合作推动欧洲的5G技术研究和产业发展。美国在5G发展上主要由芯片商高通和运营商Verizon 主导,与思科、诺基亚、三星等设备厂商合作,计划2016年进行5G外场测试,2017年开展5G试商用。
国内方面,2013年,中国成立IMT-2020(5G)推进组,2014 年发布5G 愿景与需求白皮书,宣布2016—2018年分3个阶段进行:5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证。其中计划从2017年开始开展5G外场试验,基于3.5 GHz频谱,设备内置128/256单元大规模密集阵列。同时,在5G高频段方面,推进组开始了关于毫米波和大规模MIMO的标准化进程,包括高频段通信技术专题组和大规模天线技术专题组。
标准化进展方面,在3GPP中大规模MIMO的标准化进程分阶段展开。
阶段1:三维信道模型标准化,于2013年9月启动研究,为后续的3D-MIMO 和大规模MIMO 研究做准备,已于2014年9月完成。
阶段2:3D-MIMO的标准化,已立项研究,包括更多的天线端口数(16~32个)、3D-MIMO的设计方案及性能评估等,已在R13版本中引入。
阶段3:大规模MIMO标准化,在阶段2的基础上进一步增加天线数量(如128、256个),实现10个或更多用户的多用户传输。大规模MIMO标准化的具体间点与5G系统标准化的整体计划息息相关,预计在R14/15版本开展研究,并在2019年前完成。样机试验方面,爱立信于2014年推出5G原型机,同年7月,在15 GHz频谱上实现了5 Gbit/s的吞吐率。
2015年2月,实现了5G、LTE双连接和5G多点连接,随后在6月又实现了一台5G移动设备同时连接到多个5G蜂窝基站,实现多点连接。2016年,爱立信使用波束赋形技术以及MU-MIMO和大规模MIMO等技术测试5G性能,峰值下行速度超过了25 Gbit/s。华为携手中国移动在2014年9月完成全球首次Massive MIMO多天线解决方案应用于TD-LTE网络的演示。2015年10月,华为在成都开展了5G空口新技术的外场验证,基于MU-MIMO技术,在6 GHz以下频段宏蜂窝组网场景支持同时接入24 个UE 终端,在100MHz带宽下,单小区平均下行吞吐量达到1.34Gbit/s,峰值下行吞吐量达到3.6 Gbit/s。2016年5月,中国联通与华为开展了5G实验室以及外场联合测试,聚焦在6 GHz以下C频段3.5 GHz MassiveMIMO技术,实现了5 Gbit/s以上的单用户峰值速率,多用户峰值速率达到10 Gbit/s 以上。
从目前的进展来看,5G的商用时间预计在2019—2020 年,LTE FDD 及TD-LTE 两大4G 制式最终将统一,宏站覆盖场景的基站天线形态将采用规模密集阵列,其内部的辐射部分、幅相耦合网络、TR组件部分将通过分层设计实现。
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2 MIMO 系统技术原理
3 大规模MIMO 天线设计
4 大规模MIMO 天线对5G 系统的影响
5 总结及展望
浅析大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响.pdf
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