中国联通5G毫米波技术白皮书.pdf

中国联通5G毫米波技术白皮书 中国联通 2019年11月 目录 1 概述 . 1 1.1 毫米波发展需求 . 1 1.2 白皮书状态 . 2 2 毫米波关键技术 . 3 2.1 大规模天线和波束赋形 . 3 2.2 波束管理 . 4 2.3 传播特性和穿透损耗 . 5 2.4 超高速率通信能力 . 6 3 毫米波产业链进展和面临挑战 . 7 3.1 毫米波产业链进展 . 7 3.2 毫米波发展面临挑战 . 9 4 毫米波发展规划 . 12 4.1 毫米波愿景与目标 . 12 4.2 毫米波应用场景 . 12 4.3 毫米波设备与终端要求 . 19 5 目前开展工作与推进计划 . 23 6 总 结与展望 . 25 中国联通 5G 毫米波技术白皮书 1/25 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 1 概述 1.1 毫米波发展需求 随着无线网络的快速演进升级，移动互联网飞速发展，移动新业务数据量和用户数呈现指数型增长的井喷态势，对移动数据流量的需求也呈现爆炸式增长，移动通信业务对通信带宽和通信速率的需求也急速提升， 未来通信系统需要满足10Gbps 以上的用户峰值速率要求。 充足的频带资源是保障更高速率的必然条件，然而目前 6GHz 以下的频谱资源已经分配殆尽，很难再找到连续的大带宽频谱来支撑移动通信的超高数据传输速率，而毫米波频段有丰富的带宽资源，可以极大地提高通信速率，为超高速通信业务提供了可能。 毫米波一般指波长 1 毫米至 10 毫米、频率 30GHz 至 300GHz 的电磁波。相较于低频段， 毫米波频段拥有丰富的频谱资源，在载波带宽上具有巨大优势，可以实现 400MHz 和 800MHz 的大带宽传输，通过不同运营商之间的共建共享，还可以支持超过 800M 的超大 带宽，实现超高速率的数据传输。同时毫米波波长短，元器件尺寸较小，便于设备的集成和小型化。随着高容量、高速率、低时延业务发展，通信频段必然向毫米波方向延伸，目前已经确定 5G 移动通信的基本架构将采用中低频段+毫米波频段相结合的通信方式。 毫米波可进行灵活空口配置，适用于弹性网络构建。随着业务类型不断丰富，垂直行业不断涌现，通信 业务类型和能力需求将会更加多样化，现阶段固定化的组网方式和资源配置难以满足差异化的业务需求， 未来通信系统需要具备更灵活的资源配置和协同融合的弹性网络。 目前在 3GPP 标准框架下，毫米波每 SLOT周期为 5G 低频的 1/4，可极大降低空口时延，也可以依据用户业务需求进行灵活帧结构配置，满足多样化、差异化的弹性业务应用。 毫米波技术相对于 5G 低频具有带宽、时延和灵活弹性空口配置等独特的优势，可以有效满足未来无线通信系统容量、传输速率和差异化应用等需求。采用低 频段和毫米波频段相结合的高低频混合组网方式和灵活弹性的毫米波通信网络部署将成为未来移动通信系统的基本架构， 毫米波通信技术也将成为现阶段和中国联通 5G 毫米波技术白皮书 2/25 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 未来移动通信的重要研究和发展方向。与 5G 低频段相比，毫米波技术的落地应用仍面临频谱规划、国产高频器件产业能力、系统测试方案等众多亟待推进解决的问题和技术挑战，但随着相关技术的不断突破和高频器件产业的持续发展，毫米波必将成为现阶段 5G 乃至未来 B5G/6G 通信技术的重要组成部分。 目前美、日、韩等国已经完成 5G 毫米波频谱划分并开始商用部署，产业链较为成熟。我国通信行业也开始从系统应用角度考虑 5G 毫米波部署和应用问题，但是目前相关研究还比较分散，尚未形成明确的 5G 毫米波移动通信系统应用方向和部署方案。移动通信行业亟需运营商发布明确信号，提出 5G 毫米波新空口系统未来的整体需求，明确设备、终端的开发计划，推动毫米波产业链成熟化进程，为未来部署做好准备。 本白皮书从推进毫米波通信产业应用出发，介绍毫米波通信关键技术，并从产业发展现状着手， 从频谱、标准化、产业链、部署情况等方面对毫米波产业成熟度进行了分析。 另外，本白皮书还提出了中国联通在毫米波通信方向的发展目标、应用场景、技术要求和推进计划， 给出了毫米波设备与终端的形态要求、演进方向和发展建议。 与此同时，中国联通诚邀产业界共同进行毫米波技术研究和应用合作，推动毫米波应用落地，共同促进毫米波产品的标准化及产业化进程。 1.2 白皮书状态 本白皮书 1.0 版本初步规划了毫米波部署场景和相关产品的技术要求，提出了中国联通毫米波发展规划，部分内容尚需进一步探讨。希望此版本白皮书的发布能够引起产业界的关注，吸引更多的合作伙伴与中国联通一起开展研究，推动产业链发展。随着研究的不断深入，技术方案会更加明晰，新的研究内容和成果会不断体现到后续版本中，欢迎提出修改意见和建议。 中国联通 5G 毫米波技术白皮书 3/25 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 2 毫米波关键技术 2.1 大规模天线和波束赋形 大规模天线技术（Massive MIMO）和波束赋形技术是毫米波系统的关键技术之一， Massive MIMO 可以形成更窄波束，波束赋形则可以降低干扰提升信噪比。在实际场景部署中，可借助多通道和多天线的收发增强对基站上下行覆盖进行增强，针对高低层建筑以及线状路面提供差异化的覆盖方案，如图 2.1 所示： 图 2.1 大规模天线技术提供差异化覆盖方案 在使用波束赋形技术时，全数字波束赋形的方案优势在于可以通过提高信噪比来实现系统性能的提升，但同时会大大增加射频链路的个数，造成功耗和成本的增加。模拟波束赋形方案则采用了成本低廉、经济实惠的移相器，但只能进行固定波束切换，在性能上达不到数字波束赋形性能的效果，也无法实现较优的空间分集性能。因此， 目前 毫米波系统一般采用结合数字波束赋形和模拟赋形的混合波束赋形架构，如图 2.2 所示。 混合波束赋形架构可以在波束赋形性能、硬件电路/芯片成本和系统功耗等方面达到综合性能最优，是目前毫米波设备的主流实现方案。 中国联通 5G 毫米波技术白皮书 4/25 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 图 2.2 混合波束赋形结构 2.2 波束管理 毫米波通信系统中，需要选择最优的窄波束对用于上下行的数据传输，由于用户端存在移动、旋转、阻塞，还需要对选择的波束对进行实时更新，因而需要进行波束管理。波束管理功能需要 包括以下几方面内容：波束扫描、波束测量、波束上报、波束指示和波束失败恢复。 波束扫描一般分为粗扫描和精准扫描，分别对控制信道和数据信道进行扫描，波束测量过程在空闲接入状态时和连接态中都起到关键作用，主要测量 SSB、CSI-RS、 SRS 等信号。波束失败与恢复的过程如图 2.3 所示， UE 检测到波束失败时触发波束失败恢复流程，重新发起接入请求，与基站重新建立新波束对，恢复数据传输。 毫米波系统必须能够有效支持波束接入和管理功能，才能有效体现毫米波系统在超大带宽、通信速率等方面的应用优势。 图 2.3 波束失败和恢复流程 TRPUENR-PDCCH发生阻塞Tx 波束扫描 Rx 波束扫描波束失败 ， 检测新波束PRACHNR-PDCCH，携带波束重配置信息 RSRP， 重配置完成新的可用波束原有波束中国联通 5G 毫米波技术白皮书 5/25 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 2.3 传播特性和穿透损耗 根据 3GPP TR38.901 中规定的 0 GHz-100 GHz 无线电波在城市区域内直射路径的损耗模型可知，自由空间损耗与载波频率成正相关。目前 3GPP 中规定的毫米波段（FR2 频段），频率范围是 24.25GHz-52.6GHz，与 5G sub6G 低频段相比，传播路损一般大于十几 dB，相同发送功率，毫米波理论通信覆盖距离也远小于5G 低频设备。以 26GHz 和 3.5GHz 为例比较和评估高频毫米波段与 5G sub6G 低频频段的传播路损差异，结果如图 2.4 所示， 可以看到毫米波传播路损高 17.42 dB，理论传播距离也会明显降低。 图 2.4 不同频点与 3.5 GHz 频点的路损差 在毫米波传播过程中，容易受到降雨、树丛遮挡、以及其他遮挡物对电波的遮挡和吸收等影响，不同遮挡物、不同情况的毫米波穿透损耗相关测试结果如表2.1 所示： 表 2.1 5G 毫米波穿透性能损耗 树冠（直径4 m） 人体（单侧 /周围） 混凝土承重墙 木门（ 5 cm） 普通玻璃门 房车车体 20 dB 11 dB-28 dB 无法穿透 6 dB 5 dB 17 dB-23 dB 从测试结果可以看到，毫米波穿透损耗远高于 6 GHz 以下频段。毫米波基本不具备穿透 混凝土承重墙的能力。此外，根据 对毫米波雨衰的 理论分析和测试，中国联通 5G 毫米波技术白皮书 6/25 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 不同降雨量环境会导致毫米波通信速率有不同程度的下降。 考虑到毫米波相对于 6GHz 以下频段在直射路径下损耗较大，因此部署初期应考虑毫米波短距离热点覆盖为主，搭配其他通信系统保证接收终端的通信质量，并需要充分考虑恶劣天气如雨、雪、雾对毫米波的影响。在 LOS 场景或近似 LOS场景下推荐的大型露天体育场、机场、大型广场等地点，此类场景阻挡物少或无遮挡，用户密度高、具有整体流动性，流量需求大等特点， 适于毫米波应用。 另外商业街、工厂等反射路径丰富的 NLOS 场景 也可以适用于毫米波通信，可以提供大容量的终端接入以及高速率的内容上传和下载。 在毫米波通信技术产业应用推进过程中，应充分考虑实际应用场景特点，对毫米波传播特性进行有效建模和系统链路评估，制定符合实际场景需求的毫米波应用部署方案。 2.4 超高速率通信能力 目前 5G低频的下行峰值速率为 1Gbps左右，上行峰值速率为 100Mbps左右，无法满足未来通信系统 10Gb/s 以上的用户峰值速率需求。而毫米波凭借其超大带宽方面的天然优势，具备超高速率的通信能力。 除了工作带宽，无线通信的峰值速率还受到帧结构、传输流数、调制方式和阶数等多方因素的影响。毫米波具有丰富的频率资源，根据目前 3GPP 标准规定，5G毫米波可以支持 400MHz/800MHz的大带宽， 通过不同运营商之间的共建共享，还可以支持超过 800M 的超大带宽，具备超大带宽通信的能力。毫米波系统支持多流传输，以及 64QAM 和 256QAM 等高阶调制方式。毫米波帧结构支持上下行灵活配置，可根据需求弹性切换，针对不同场景实现高速率的通信业务需求。 目前业界毫米波下行峰值速率可以达到近 10Gbps，上行峰值速率可以达到1Gbps 左右，随着毫米波相关技术的不断发展，毫米波及更高频段的通信系统必然可以达到 10Gbps 以上的峰值速率，满足未来通信的速率需求。 中国联通 5G 毫米波技术白皮书 7/25 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 3 毫米波产业链进展和面临挑战 3.1 毫米波产业链进展 毫米波标准日趋成熟 在 3GPP 中毫米波频段的射频标准讨论和制定工作由 3GPP RAN4 牵头开展，研究分为两个阶段：第一阶段研究 40 GHz 以下的频率，以满足较为紧急的商业需求，于 2018 年 12 月完成。第二阶段计划从 2018 年开始，到 2019 年 12 月完成，该阶段专注于最高 100GHz 的频率，以全面实现 IMT-2020 的愿景。 5G 频段具有多样性，一般包括 6GHz 以下和 24.25GHz-52.6GHz，第一阶段频谱分配定义了 52.6GHz 以下的毫米波频谱，见表 3.1。 表 3.1 3GPP 毫米波频段 频段号 频段 双工方式 n257 26500 MHz 29500 MHz TDD n258 24250 MHz 27500 MHz TDD n260 37000 MHz 40000 MHz TDD n261 27500 MHz 28350 MHz TDD 在 3GPP 中，上述毫米波频段和 3.5GHz 的 NR 系统是同步标准化，目前已经形成 2018.12.30 的 R15 版本，R16 版本正在讨论中。 国内 IMT-2020（5G)推进组成立高频讨论组，制定毫米波关键技术要求、毫米波外场性能测试方法等行业标准，目前已经形成 2019.06.21 版本。 毫米波频谱正在规划部署中 频谱是移动通信产业最为宝贵的资源，任何一代移动通信技术的正式商用，前提都必须获取一定的频谱资源。国际电联（ ITU） TG 5/1 工作组致力于寻求 5G全球或区域协调一致的毫米波频段，目前已经完成了 2019 年世界无线电通信大会准备会会议文件（CPM 报告）中关于 1.13 议题的相关内容，此次 WRC-19 会议中国联通 5G 毫米波技术白皮书 8/25 版权所有 中国联通网络技术研究院 2019 会对毫米波频段提出明确的频段建议，各国家或地区将根据议题进展及结果开展规划。 当前，美国，韩国，日本等国家已陆续完成 5G 毫米波频谱的划分与拍卖，5G 商业部署前景明朗，拍卖情况如表 3.2 所示。 表 3.2 美日韩 5G 高频频谱拍卖情况 国家 运营商 频段 日本 乐天 27-27.4Ghz NTT Docomo 27.4-27.8Ghz KDDI 27.8-28.2Ghz Softbank 29.1-29.5Ghz 韩国 KT 26.5-27.3GHz LG U+ 27.3-28.1GHz SK 电讯 28.1-28.9GHz 美国 Verizon 28/39GHz 的毫米波频段获得 1GHz AT&T 39G 毫米波频段获得 400MHz T-Moblie 在 28GHz 和 39GHz 频段获得 200MHz 欧盟在 2018 年 7 月已经明确 24.25-27.5GHz 频段用于 5G，建议欧盟各成员国在 2020 年底前在 26GHz 频段至少保障 1GHz 频谱用于移动/固定通信网络。此外，欧盟将继续研究 32G（31.8-33.4GHz）和 40G（40.5-43.5GHz）等其他高频段。英国、德国等国家已经确认了 5G 中高频待分配或待招标的频段，如表 3.3所示。 表 3.3 英德待拍卖 5G 高频频谱 国家 运营商 频段 英国 沃达丰 /英国电信 /O2 等 24.25-27.5GHz 德国 德国电信 /沃达丰 /西班牙电信等 27.8-28.4GH 和 28.9-29.4GHz 从上述 5G 毫米波频段的规划和拍卖中可以看出，毫米波部署初期，大多数