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5G增强移动宽带关键技术性能研究

2020-02-15 20:575G通信 人已围观

简介近年来,第五代移动通信网络(the 5th gen-eration network,5G)作为新一代的移动网络技术, 逐渐成为了行业内研究的热点,eMBB 场景是 5G 的 3 个主要应用场景之一,被第三代合作伙伴计划...

  近年来,第五代移动通信网络(the 5th gen-eration network,5G)作为新一代的移动网络技术, 逐渐成为了行业内研究的热点,eMBB 场景是 5G 的 3 个主要应用场景之一,被第三代合作伙伴计划(3rd generation partnership project,3GPP) 列为其新服务和市场技术推动者研究项目的关键部分进行研究。
  
  eMBB 主要面向超清视频、虚拟现实和增强现实、高速移动上网等大流量移动宽带应用业务, 具有带宽大、时延不敏感、动态突发性等特点, 与 LTE 系统相比,接入速率要求提高了数十倍, 系统容量要求提高近百倍,这对无线网络的性能提出了极大挑战。为了解决已有技术无法满足eMBB 场景性能指标的问题,需要引入毫米波、大规模天线等技术,结合异构网络,来实现这一性能提升。
  
  大规模天线是指在基站端采用大规模天线阵列同时服务大量的终端,与传统的多天线系统相比,可以提供更高的谱效和能效,并在高可靠性方面提供一定的支持。配置了大规模天线阵列的基站,可以通过混合波束成形,使多个天线元素朝着同一方向共同收发。混合波束成形过程首先进行数字波束成形,形成一定数量的射频链, 然后进行模拟波束成形,形成成形波束。采用了混合波束成形的基站不仅可以为服务用户提供更高的天线增益,还可以通过预编码技术在多用户 MIMO(multiple-input multiple-output,多入多出)中支持为更多的用户同时服务,相较于传统系统,具有高能效、高谱效的优点。但由于混合波束成形需要对大量的天线元素与射频链进行预编码操作,运算复杂度较高,给其实现和仿真带来了极大的挑战。
  
  毫米波技术可以有效地增加带宽,从而成倍地提高用户体验速率。毫米波频段为 30~300 GHz,相应波长为 1~10 mm,与微波相比,带宽更大、方向性更强,能够为用户带来更高的体验速率, 极大地缓解频谱资源紧张的现状。同时,毫米波波长较短,在大规模天线中结合毫米波技术, 可以有效地减小天线元素的体积。然而,在毫米波频段进行通信时,会带来极高的路径损耗,因此毫米波很难支持基站与距离较远的用户进行高速率的信息传输,且由于毫米波的穿透能力差, 在非视距传播以及恶劣天气条件下,其性能会受到很大影响。
  
  3GPP、ITU 等组织对 eMBB 场景的标准化工作做出了极大的贡献。3GPP 对大规模天线的天线面板进行了建模,2016 年 11 月 17 日,中国公司主推的极化码方案成为 eMBB 场景控制信道编码的最终方案。同时,ITU 开展了自评估工作,针对 eMBB 场景下的系统频谱效率、边缘用户频谱效率、峰值速率等提出了相应的要求。其中,在室内热点、密集城区、乡村场景中, 基站端配备 128 根天线,可以支持系统频谱效率分别超过 9 bit/(s·Hz)、7.8 bit/(s·Hz)、3.3 bit/(s·Hz), 边缘用户频谱效率分别超过 0.3 bit/(s·Hz)、0.225 bit/(s·Hz)、0.12 bit/(s·Hz)。而根据实物仿真的结果,单用户MIMO 小区平均速率可达18.9 Gbit/s。针对毫米波技术,3GPP 在 TR38.900 V14.3.1 中, 给出了毫米波频段的信道模型,并给出了链路级仿真和系统级仿真的校准方案与结果。除此之外, 各标准化组织对 5G eMBB 场景的用户接入策略、移动性管理、调度与反馈设计、上行功率分配等方面,均进行了研究。
  
  本文针对 5G eMBB 场景中大规模 MIMO 技术和毫米波技术对小区频谱效率与覆盖性能的影响进行研究,主要贡献包括:通过搭建 5G eMBB 场景的系统级仿真平台,从系统级的角度对网络覆盖以及频谱效率进行了分析;综合评估了大规模天线技术对系统性能的增益以及微基站的部署密度和接入偏移对网络覆盖与频谱效率的影响;给出了eMBB 场景下,微基站密度、接入偏移的优化配置方案,为 5G eMBB 场景的实际部署提供了建议。
  

  1.系统模型

  
  1.1拓扑结构
  
  增强移动宽带场景单层蜂窝网络拓扑结构如图 1 所示。利用 OPNET 仿真工具搭建 5G 增强移动宽带系统级仿真平台,其中宏基站布置在小区中心,用户在小区内均匀分布,各节点高度按照相关标准进行分布。基站天线为指向天线,天线指向同样由参考文献相关标准确定。用户选择参考信号接收功率最高的基站接入作为其服务基站。
  图 1  单层蜂窝网络拓扑结构
  图 1  单层蜂窝网络拓扑结构
  
  为了进一步满足增强移动宽带场景的性能要求,需要考虑引入异构网络,通过工作在低频段的宏基站与多个工作在毫米波频段的微基站来增强网络覆盖性能与用户的体验速率。由于微基站发射功率较小,为了防止宏基站负载过大,同时使更多的用户接入微基站,可以在用户接入时为微基站设置接入偏移量。同时为了避免与宏基站之间的同频干扰,设置宏基站与微基站工作在不同频段。
  
  低频段(3.5 GHz)与高频段(30 GHz)下5%边缘用户频谱效率的对比见表 1,小区半径为288 m,可以看到,当载波频率由 3.5 GHz 变为30 GHz 时,边缘用户频谱效率下降非常明显,接近 0。这意味着,在 30 GHz 载频下,基站已经无法有效覆盖到半径 288 m 的蜂窝小区。因此,可以设置宏基站工作在低频段来提供有效的覆盖, 而微基站工作在毫米波频段,来满足区域热点高速率的通信要求。
 
  表 1 不同频段下缘用户频谱效率对比
表 1 不同频段下缘用户频谱效率对比  
  本文采用两层蜂窝异构网络,单个蜂窝小区的拓扑结构如图 2 所示,微小区热点中心在小区内均匀分布,微小区用户在热点范围内均匀分布, 微基站布置在热点边缘,配置指向天线,方向指向热点中心。在仿真中,对不同的微基站部署密度和接入偏移下的系统性能进行评估,结合仿真结果, 总结工作在毫米波频段的微基站的密度与接入偏移对系统性能的影响,并给出组网优化建议。
图 2 两层蜂窝异构小区拓扑示意图
  图 2 两层蜂窝异构小区拓扑示意图
 
  1.2传播模型
  
  本文中,假设信道模型为 3D 空间信道模型, 路径损耗模型、穿透损耗以及阴影衰落,均为影响无线信号传播的重要因素。在毫米波频段下, 载波频率为 30~300 GHz,由于载频的提高,大尺度衰落与低频段通信相比也会更高。
  
  路径损耗是无线信号在空间传播所产生的损耗,是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成的,城市街区场景和密集城区场景、视距传播和非视距传播时的路径损耗模型均有所区别,在城市街区场景视距传播时,路径损耗模型如式(1) 所示:
  
  公式(1)
  
  其中, dB′ P  由参考文献给出。
  
  穿透损耗是无线信号穿过建筑物时信号的衰减,其数值与建筑物的结构有关,具体由 4 部分组成,如式(2)所示:
  
  公式(2)
  
  其中,各部分的具体计算由参考文献给出。 地理条件、建筑类型、车辆或其他基础设施障碍等地理、结构和环境特征的变化会影响基站与用户之间的信号传播,从而导致路径损耗偏离平均值,这种效应被称为阴影衰落。阴影衰落的大小与距离有关,相邻的衰落值之间具有一定的相关性。在仿真平台中,阴影衰落被建模为对数正态分布,其均值μ和标准差σ。
  
  1.3大规模天线建模
  
  本文中的大规模天线阵列采用如图 3 所示的2D 有源天线阵列,每个天线阵列包含 Mg×Ng个天线面板,天线面板的水平和竖直间距由 dg,H、dg,V 表示;每个天线面板包含 M×N 个天线元素,天线元素的水平和竖直间距由 dH、dV 表示;P 表示每个天线的极化方式,P=1 表示单极化,P=2 表示双极化。
  
  基于图 4 所示的天线模型进行波束成形,各个天线原件均位于 yOz 平面,具有固定的间隔距离和相同的辐射方向图。 xOy 平面表示水平面,
  
  信号方向的俯仰角表示为θbeam(限定在 0°~180° 之间),方位角表示为φbeam(限定在−180°~180°之间)。
  
  在实际系统中,基站动态调整波束成形配置,以达到最优的系统性能。为了简化过程,系统级仿真平台中采用静态波束成形,根据天线面板的配置确定波束成形的具体指向,并分别进行数字波束成形和模拟波束成形过程。在数字波束成形过程中,基站端采用 SVD 预编码, 用户端采用 MMSE 接收机,根据参考文献确定数字预编码增益。之后,根据参考文献, 计算各个用户的模拟波束成形增益。最终大规模天线增益为数字波束成形增益与模拟波束成形增益之和。
  图 3    2D 有源天线阵列示意图
  图 3    2D 有源天线阵列示意图
  图 4  大规模天线波束成形示意图
  图 4  大规模天线波束成形示意图
  
  用户 k 的接收 SINR 如式(3)所示:
  
  公式(3)
  
  其中, PT 为基站的发射功率, Li ,k  为用户 k 的服务基站 i 与用户 k 之间信道的路径损耗,Lj ,k 为用户 k 的干扰基站 j 与用户 k 之间信道的路径损耗, Gk ,i, A (θ ,φ,θbeam ,φbeam )为基站 i 对用户 k 的模拟波束成形增益,θ、φ分别为基站与用户的垂直、水平夹角, θbeam、φbeam分别为波束的俯仰角和指向角, Gk ,i, D 为基站 i 对用户 k 的数字波束成形增益, N0 为高斯白噪声。
  

  2.仿真与分析

  
  在增强移动宽带场景中,大规模天线的天线配置、基站的工作频段以及微基站的密度和接入偏移,都会对系统的整体性能产生影响。基于对基站体积、成本的考量,天线数不能无限制地增加;在毫米波频段进行通信,可以占据更大的带宽,为用户提供更高的体验速率,但同时信道的大尺度衰落也更加严重;微基站密度过小,只有较小区域的用户可以接入微基站, 无法明显提高系统容量,微基站密度过大,将使各微基站间产生非常大的同频干扰,严重影响通信;而过小的接入偏移将使宏基站负载较大,过大的接入偏移将使微基站负载较大, 都会降低系统性能。
  
  不合理的参数配置,无法充分发挥各项关键技术的优势,因此通过仿真来评估各项技术对频谱效率以及边缘用户频谱效率的影响,是非常有必要的。在仿真中统计各基站(共 19 个)的频谱效率,然后计算各个基站频谱效率的平均值,作为统计量,边缘用户频谱效率取小区 5%边缘处用户的频谱效率。
  
  2.1大规模天线性能评估
  
  在 eMBB 同构场景中,通过改变宏基站的天线个数,研究大规模天线技术对基站频谱效率的影响,仿真假设见表 2。
  
  表 2   仿真参数
  表 2   仿真参数
  城市街区和密集城区场景如图 5 所示,不同基站天线数下的基站频谱效率。配置了大规模天线的基站频谱效率获得了大幅提高,与 64×4 的收发天线配置相比,128×4 的收发天线配置使基站平均频谱效率提高了 22.1%,但随着基站天线数的增加,大规模天线对于系统性能的增益逐渐减小,256×4 的收发天线配置的基站频谱效率仅比128×4 的天线配置提高了 5.8%。
  图 5  不同天线配置下基站频谱效率
  图 5  不同天线配置下基站频谱效率
  
  城市街区和密集城区场景下不同基站天线数下的边缘用户频谱效率如图 6 所示。与 64×4 的收发天线配置相比,128×4 的收发天线配置使边缘用户频谱效率提高了 63.1%,而 256×4 的收发天线配置的边缘用户频谱效率仅比 128×4 的天线配置提高了 13.0%。
  图 6  不同天线配置下边缘用户频谱效率
  图 6  不同天线配置下边缘用户频谱效率
  
  不同基站天线数下的用户 SINR 的 CDF 分布如图 7 所示,可以看出,当基站天线数由 64 根增加到 128 根时,用户的 SINR 最大增加了约 5 dB, 而当基站天线数由 128 根增加到 256 根时,用户的 SINR 只增加了约 1 dB,这与图 5、图 6 得出的结论相吻合。
  
  随着基站天线数的增加,小区平均频谱效率和边缘用户频谱效率也随之增大,但是增长的幅度越来越小。因此,在实际网络部署中,需要结合仿真结果,考量高性能与高成本之间的折中, 选择最佳的基站天线配置方案。
  图 7  不同天线配置下用户SINR 的CDF
  图 7  不同天线配置下用户SINR 的CDF
  
  2.2异构网络性能评估
  
  为了验证在小区中加入微基站对系统性能的影响以及微基站的最优配置,首先通过系统级仿真平台仿真了不同宏基站天线配置和微基站天线配置下基站平均频谱效率和边缘用户频谱效率; 然后研究了在固定范围的仿真区域内,不同微基站密度和不同微基站接入偏移下,基站平均频谱效率和边缘用户频谱效率的变化趋势,得到了本文仿真参数下最优的微基站配置方案。具体的仿真参数配置见表 3。
  
  表 3   仿真参数
  表 3   仿真参数
  不同微基站密度和接入偏移下,微小区的总吞吐量如图 8 所示。在微基站密度固定的情况下, 增大接入偏移将使微小区总吞吐量有所下降,而增大微基站密度可以显著增加微小区总吞吐量,在接入偏移为 0 dB 的情况下,单扇区微小区数由 1 个增加为 6 个,可以使微小区总吞吐量提高约 379%。
  图 8  不同参数下微小区总吞吐量
  图 8  不同参数下微小区总吞吐量
  
  不同微基站密度和接入偏移下,微基站的频谱效率和边缘用户的频谱效率分别如图 9 和图 10 所示。可以看出,随着微基站接入偏移的增大, 微基站频谱效率下降,边缘用户频谱效率增加; 随着单扇区微基站数目的增加,微基站频谱效率下降,边缘用户频谱效率先上升后下降。
  图 9  不同参数下微基站频谱效率
  图 9  不同参数下微基站频谱效率
  图 10  不同参数下边缘用户频谱效率
  图 10  不同参数下边缘用户频谱效率
  
  为了保证边缘用户的频谱效率,以参考文献 中,密集城区场景下边缘用户频谱效率0.225 bit/(s·Hz)作为基准数据,那么在表 3 所示的仿真参数配置下,单扇区配置 4 个微基站且不设置接入偏移, 可以在保证边缘用户频谱效率达标的情况下,使系统总体性能最优。在实际网络规划中,可以根据具体的性能指标要求,参考仿真给出的不同配置下的系统性能,灵活制定 eMBB 场景中最优的异构网络组网配置方案。
  

  3.结束语

  
  本文研究了 5G 增强移动宽带场景下大规模MIMO 技术和毫米波技术对系统性能的影响。从系统级仿真结果可以看出,在基站端配置大规模天线,可以大幅提高系统的频谱效率与覆盖性能,但是随着天线数目的增加,其增益有所下降。另一方面,在蜂窝异构网络中,布置工作在毫米波频段的微基站,并为其配置大规模天线阵列,能够有效地提高小区总吞吐量,但合理配置微基站密度与微基站接入偏移,对系统性能具有显著影响。通过本文给出的仿真结果,可以直观地看出不同天线配置和网络结构下的小区频谱效率和边缘用户频谱效率, 能够给出不同的性能要求时的最优配置方案,不仅带来了很高的研究价值和经济效益,而且为 5G 网络规划与搭建提供了指导和建议。

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