5 g射频驱动系统设计为厘米

文摘

5 g系统设计是一个复杂的过程由于各种各样的应用程序及其多样化的需求。本文描述了我们的经验在发展中一个厘米波移动宽带概念满足未来容量需求。这个过程的第一步是无线电信道测量活动和统计建模。然后链接层次设计严格执行与无线电频率(RF)实现需求允许尽可能大的空中接口的可扩展性。我们开始这一概念发展10 GHz频段,在2015年这个项目世界无线电通信大会选择稍高频率作为新的候选人5克。因此,主要学习是了解不同现象的相互依赖关系,找到可行的组合技术和参数的组合可能会工作在实践中,不仅在理论。

1。介绍

代移动通信系统有一个清晰的所有关键应用司机:1 g的模拟声音,2 g数字语音和短信,为多媒体和互联网连接3 g, 4 g为真正的移动宽带‎(1]。5 g需要与这些传统网络和互联网络无缝合作,只要他们在操作和对生态系统提供增值。预见到5 g的应用领域更广泛的比前几代,因此,系统参数等品质适应、可伸缩性、重构性、虚拟化、和自组织成为5 g的必需品。

本文概述我们的方法应对的挑战更高的中心频率和地址5 g系统概念设计的含义。的起点是评估新候选人在厘米波段频率调查在美逖斯项目2- - - - - -5‎。我们选择在这一点上是10 GHz频率最低的风险,从而将更低,更可预测去那里比跳到更高的频率。然后我们计划和完成一些测量活动评价10 GHz的传播特性。同时,保持概念发展可控的资源有限,我们决定主要强调灵活的和可伸缩的增强的移动宽带通信空气界面的正交频分多路(OFDM)波形。不可或缺的一部分工作是紧密联系射频实现反复核查的可行性问题,不同的通信选项同时从射频的角度来看。这种全面的对实际系统概念开发往往被忽视,因此在本文中突出显示。

现在的世界无线电通信大会(2015年人们的决定超出最低6 GHz严肃的候选人已经高于24 GHz频率,利息向10 GHz乐队正在消退。然而,不管实际的中心频率的许多经验教训是常见的和可转换的概念开发过程当开发频谱资源利用和规划一个新ultra-scalable通信平台。

本文主要贡献如下:(我)设定绩效目标和关键指标5 g系统设计。(2)提供高级功能5 g网络的体系结构。(3)目前大规模参数来源于执行10 GHz通道测量。(iv)灵活定义物理层参数化、信号和多路存取结构。(v)精心设计的射频链路预算、波束形成和实际实现问题5 g系统设计和性能的关键在厘米。

本文的其余部分将讨论第一各5克用例和各自的系统设计目标。然后,5 g系统概念设计描述从网络体系结构的观点。接下来的两部分考虑信道测量和建模问题和链接层次设计问题。合并射频建筑设计的影响和注意事项提出了这个概念。最后,给出了一些结论。

2。用例和系统设计的目标

一个完全进化5 g系统需要支持不同的应用等领域增强的移动宽带(eMBB),大规模物联网(也),关键任务通信(MCC)‎(1]。所有这些用例都截然不同,部分矛盾需求的关键绩效指标,使系统概念设计,作为一个整体,极其复杂的。在大多数情况下,并不是所有的需求需要同时满足。因此,先进的5 g基础设施远离自然“一个体系结构”向“多个架构适应每个服务”的概念。本文主要设计用于eMBB 5 g系统概念,而同样重要的用例也和世纪挑战集团获得了相当一部分人的关注作为例证‎(2,6,7]。除了极高的吞吐量,eMBB的另一个主要方面是系统的总容量。宽带用户连接的超高密度需要支持。新的频谱分配、细胞致密化和大规模的MIMO技术被视为最关键环节来实现这些具有挑战性的目标。

5 g的关键设计目标提出概念介绍如下。这些目标的理论最大值,在理想条件下系统可以支持。(1)支持可扩展带宽0.5 1 GHz的载波频率大约10和30兆赫。(2)峰值数据速率,尺度与系统带宽,这意味着十0.5 Gbps的1 GHz的带宽。(3)支持天线和流配置:(一)马克斯。256传输16 (TX)天线和接收天线(RX)。(b)马克斯。16个独立的数据流。(4)频谱效率(一)马克斯。100位/秒/ Hz。(5)延迟:(一)控制平面:< 10 ms建立用户平面。(b)用户平面:< 1 ms从用户服务器。(6)流动性:(一)家里和办公室,优化速度< 5公里/小时(b)极端的流动性,加速到500公里/小时。(7)覆盖范围:(一)室内覆盖30米。(b)室外覆盖多达300。(c)操作使用低频cm-wave > 300。

理论计算值最大数据速率对频谱分配的部分5。最大的多输入多输出(MIMO)配置为5 g系统概念是256×16和16个数据流的最大数量。如果这可以实现分布式天线部署,最大频谱效率水平可能多达100位/秒/ Hz鉴于256 qam(正交调幅)。256 qam需要误差向量幅度(维生素)−33分贝,水平集,而严格的设计射频目标链的设计。RF 5 g系统架构方面的概念讨论了部分6。5 g系统的一个关键目标是定义信号结构,这使数据传输的延迟非常低。5 g系统应该能够提供10 ms的端到端(E2E)延迟一般,在极低延迟的用例1毫秒。严格的延迟需求解决的链接物理资源块的设计水平。

3所示。网络体系结构

的主要目标是找到关键的解决方案系统概念适用于小细胞5 g的部署场景。此外,5 g网络体系结构的设计应该是灵活的。目前的想法是,有体育场馆等公共场所和城市中心部署在现有的网络运营商应当有一个角色的访问点和操作网络。另一方面,有私有属性(住房块和购物中心)的网络接入点私下/企业拥有或租用和部署和操作可能购买的一种新型的网络运营商。使用以下假设网络中的级系统设计:(我)运营商之间的基础设施共享允许的(2)小细胞和专用频谱(3)多工位的环境(iv)私人网络,私人访问点(v)支持contention-based和预定的资源使用情况

5 g系统的通用功能体系结构模型的概念说明的基本功能实体控制和用户平面的设备和网络基础设施部分‎图所示1。基础设施的功能实体的物理位置可以改变一部分无线电节点之间和更集中的单位根据实际的网络部署。小细胞无线网络连接共同核心云网络(EPC,进化包铁心式网络)与高容量连接。共同核心云网络可以提供多个运营商。连接管理相关的功能(例如,移动性管理)实现在云网络的核心。无线接入网络相关功能可以分布在当地的广播网络和共同核心云网络。的位置不同的功能,如无线资源控制和空气界面管理,可能取决于当地跑,核心云网络连接质量。在一般情况下,我们可以假设空气界面L1 / L2控制放置接近接入点,而较高图层可以集中到核心云网络。如果高速连接(光缆)可用,然后还空中接口L1 / L2控制可以实现服务器位于核心云网络。

4所示。无线信道模型系统设计

适当的信道模型是一个起点和强制性的任何系统设计。在几何随机信道模型(绿色),传播渠道的特点是统计参数从广播频道获得测量。这给了一个可能使用相同的框架模型的模拟在不同频率和不同数目或类型的天线。由于传播渠道缺失的特征在10 GHz,为了及时利用绿色供应链在10 GHz频段,我们进行了无线信道测量运动矢量网络分析仪和虚拟阵列在校园区域大学的奥卢。测量了两种不同的传播环境下,即两层高的大厅和城市小细胞场景。从收集到的测量数据,完成参数化三维(3 d) GCSM派生。参数化是直接适用于第三代合作伙伴计划(3 gpp)模型‎(8]。

最重要的传播渠道的大型(LS)特征路径损耗和阴影衰落。基于我们的研究结果,在某种程度上类似的路径损耗模型比其他频段。然而,阴影衰落标准差小得多的是由于静态测量传播环境。除了和路径损耗模型 ,参数化由50个不同的传播参数。例如,LS参数对数正态分布分布建模的具体意思μ和标准偏差σ给予更高的水平传播通道的特征值。确定LS参数总结在表1和完整的参数提出了‎(9,10]。

虽然模型参数严重依赖于测量传播环境中,可以得出以下结论的确定LS和小规模的参数:(我)参数描述延迟和角分散,也就是说,DS和角度扩散(屁股),似乎减少相比,现有的模型中的参数在低频段6 GHz由于更高的延迟组件衰减。(2)较低的频段相比,镜面反射更占主导地位的传播机制相比漫散射,导致小集群的屁股。

另外,几个研究项目包括工业和学术界一直针对满足需求对新渠道的设计和评估模型100 GHz频段。例如,初始参数化提出了扩展quasi-deterministic广播频道发生器(战车)/ 10 - 80 GHz频段在‎11]。此外,梅蒂斯人项目‎(12)解决未来的挑战信道建模和最近开发了一种新的基于地图的通道模型86 GHz的开创性工作5 g移动通信系统的评估。

美逖斯模型的目的是考虑所有无线电信道特征,这是重要的对于任何5 g移动通信场景。模型是基于射线跟踪(RT)使用一个简化的3 d几何描述的传播环境。模型中,建筑墙壁被建模为矩形表面与特定的电磁材料属性,和确定性建模的传播路径。然而,模型不是完全确定的自随机对象代表例如收音机链接随机建模人员和车辆。因此,模型可以理解为semideterministic模型有显著缩短处理时间相比传统rt,尽管几个属性的模型已经成功地验证,该模型仍然需要验证了额外的测量。

5。链接水平设计

5.1。物理层的设计

5 g系统的物理层设计概念是基于“OFDM信号与新的数字命理学”的方法。信号结构最初被设计为运行在10 GHz带带宽1 GHz。关键OFDM信号参数而言,协同作用仍然是与现有的长期演进(LTE)广播的实现。另外,我们还将使用相同的信道编码方案与LTE,在适当的地方。然而,在一般的向后兼容性LTE不是维护,因为5 g的需求导致不同的物理层设计旨在优化系统性能。

副载波间距被选为120千赫。副载波间距为120 kHz,有用的符号持续时间变成了8.3μ年代。循环前缀应该短而符号持续时间,但足够长的时间来消除障碍的OFDM信号检测由于传播渠道。

小细胞(细胞半径75米)的顺序,循环前缀(CP)的持续时间0.5μs是足以防止重叠的OFDM符号传播延迟,即使不使用UL传输时间对齐。测量延迟值表明,一个典型的传播延迟传播10 GHz频率传输距离较短的室内和室外环境中低于50 ns。由于这些原因,我们认为CP时间0.5μs是足够的为5克小细胞操作场景。表2显示替代5 g物理层参数的值,覆盖一些(但不是所有可能的)通道带宽31.25兆赫到1000兆赫。

鉴于上面的物理层设计,我们也可以实现的数据率计算几个参数设置如表所示2。给定带宽的最大数据速率达到了256 qam, 16 MIMO数据流,和编码率 ,而最小的数据率实现BPSK, 1数据流,编码率 。我们假设90%的带宽效率和相当乐观的协议效率为100%。

作为双工方法,我们选择了不对称动态时分双工‎(13]。在这个方法中,上行和下行能力可能会选择基于交通需要在每一个细胞,干扰减轻和/或管理需求和用户密度。

5.2。多路访问设计

5 g的子帧结构‎图所示2。一副框架包含11在时域OFDM符号。在控制平面( 符号),我们引入一个保安的时期= 0.94μ年代,循环前缀= 0.5μ年代,OFDM符号持续时间= 8.33μ年代。因此,对于子帧持续时间,我们得到的= 3·+ 11·(+)= 100μ年代。

如果系统不要求非常小的E2E延迟(1)女士,可以减少控制开销的多个副框架连接在一起。在这种情况下,TX和RX控制部分嵌入第一子帧与9数据符号,而其余子帧(符号)11日只包含数据平面信号(TX或RX)前三个符号串接在每个子帧长循环前缀 μ年代。

我们建议,系统应随机存取(contention-based)和调度资源。安排资源,我们将使用正交频分多址接入(OFDMA),那里的资源块(RB)尺寸是高粒度之间的妥协(支持传输的数据量很低)和信令开销。最小RB大小选择这里作为72资源元素,包括8个副载波和9数据平面符号(注:资源元素被定义为1副载波和1数据平面符号)。这是与LTE资源块大小(84资源元素)和可以工作与机械化的服务和移动宽带数据。

随机存取简单的物联网设备,应使用的资源约束的小形状系数和/或电池操作。预定的资源可以使用更复杂的物联网设备,特别是移动手机用户以及移动宽带用户。之间的共享资源应当由前面描述的频谱管理器处理。

contention-based介质访问的情况下,资源协调的功能分层集群资源管理提供了模板框架内的节点允许contention-based访问集群。控制信号传输的时频资源分开的数据资源。

6。对5 g射频实现

大型天线阵列的一个关键性促进因素5 g射频范围实现能力和链接。在本节中,我们简要讨论多波束链路预算和射频限制实现cm-wave multiantenna收发器(硫氧还蛋白)。进一步深入讨论的主题有‎(15]。

6.1。链路预算

实现目标的数据率在实践中,链路预算至少必须解决如下:(我)能力评估与不同的调节和波形(2)硬件的假设包括物理维度、权力、噪声和非线性(3)分区的信噪比(信噪比)的不同部分预算TX和RX(iv)多流道传输和自适应波束形成(v)空间信道模型

实际射频链路预算包括优化的不同参数设置TRX设计的设计目标。此外,需求非常依赖于目标场景包括波形假设,传播环境中,需要物理维度,和用户的位置。表3提供了一个示例系统级射频规范的两个不同的频率乐队在洛杉矶的室内场景。这些非常抽象的需求必须被硫氧还蛋白的进一步划分为不同的部分。

在实践中,自适应调制和编码方案在RX输入定义了所需的最小信噪比。TX的nonidealities限制实现信噪比对绝对权力的水平。图3(一个)显示了一个示例的信噪比和失真率(SNDR)模拟OFDM / 256 qam波形和商业线性功率放大器(PA) 10 GHz。这些结果然后结合维生素与TX的其他部分的价值观。很明显观察到,可实现线性功率,因此数据率很容易高估了,如果只是一些TX nonidealities考虑在内。RX在类似的方式治疗。此外,整体SNR-budget必须分布在TX和RX。在处方中,信噪比通常是有限的噪声信号水平较低,而其他nonidealities包括合成器相位噪声,模拟-数字转换器(ADC)量化噪声,I / Q不匹配,cochannel干扰限制功率信噪比更高。

在MIMO系统中,空间通道模型链接需要预算评估。多流道链路预算确定基于MIMO beam-specific路径收益,其中每个流处理作为一个独立的链接‎(16]。所需的发射功率等级1 - 4数据传输在10.1 GHz室内场景呈现在图3 (b)。使用TX配置表3包括符号:基站(BS),均匀矩形数组(URA所言),移动终端(MT)、半功率波束宽度(HPBW),均匀线性阵列(ULA)”,输出功率(撅嘴)。

6.2。波束形成阵列5 g

cm-wave通讯的基本问题之一是天线的数量。越来越频繁的直接结果是降低了天线孔径。因此,我们可以增加天线的数量,同时保持相同的物理区域,最终提供更多的波束形成。多个天线不仅需要增加数据速率,但从根本上提供任何合理的链接。数组的高方向性结果容易在非常高的有效各向同性辐射功率(附近),这可能是有害人体组织的情况下,接近人体,限制使用的最大附近。减少移动终端天线孔径还使数组。然而,喂养网络领域的大型阵列天线阵列的大小限制在小形式因素。此外,由于较高的电路级损失,必须嵌入接近天线射频前端保持功率效率。

为了实现多个天线的好处,必须控制的自适应波束形成系统。传统上,每个天线有个人射频链和控制可以在数字域完成。然而,由于极宽的带宽,TRX功耗不是只有通过模拟组件如PA主导。此外,数字并行性和宽带ADC的/数模转换器(dac)当最小化能耗起着至关重要的作用。因为这些方面,混合动力/射频波束形成被认为是事实上的cm-wave蜂窝系统。自适应射频单个天线的相位和振幅控制元素是至关重要的维持连接在自适应用户场景和最小化数据传输之间的干扰。然而,阵列扫描影响单个元素的阻抗匹配。此外,单元素模式影响阵列扫描区域。因此,实际的假设阵列扫描角的范围+ /−30°。

6.3。实用的设计挑战

的关键挑战cm-wave射频设计如下:(我)宽带ADC和DAC动态范围和功耗(2)合成器相位噪声(3)与cm-wave不是线性(足够的)输出功率(iv)实现高效的PA数组(v)物质形态因素的天线射频集成(vi)射频和hybrid-beamforming阵列设计。

所需的功率总和将产生多个PA元素,导致功率下降/ PA。此外,PA多个带有不同功率的信号输入给实际约束波束合成和功率分配/ PA。这些方面给新权衡PA技术虽然发电在任何选项的CMOS GaN将是一个重大的挑战在高频率。实际PA解决方案必须便宜,电源效率、线性的,和小。然而,这些需求不能独立优化。能效PA架构,比如Doherty‎(17),身体更大、成本更高,需要线性化,这是传统上由数字预失真(DPD)。射频/ hybrid-beamforming数组,传统DPD是不可能的,因为在每个PA输入波形是无法控制的。

不同的使用场景设置射频的截然不同的需求实现,尤其是在需要功率方面,线性和波束形成。从数组中扫描角度来看,室内b的一个方便的位置在房间的角落里/办公区域。典型的房间布局表明它可能是有益的宽梁高程的方位域梁/用户分离。户外BSs,高阵列增益为胞棱用户是必要的,结果在狭窄的光束。这使光束扫描和跟踪移动用户服务。另一方面,空间滤波网络层次管理的好处越来越明显了。

BS阵列设计可以因地制宜,太必须适应各种传播场景。10 GHz,实际2和8之间不同的元素数量λ/ 2天线间距在小型设备。因此,线性阵列被认为是惟一可行的解决方案,因为力学的影响迫使底部的阵列设计或高端的设备。然而,平板电脑和笔记本电脑等其他设备类型可能包含更多的天线。

7所示。结论和前进的道路

各种5 g系统概念设计方面在厘米波进行了讨论。作为主要的用例中,我们选择eMBB建立在OFDM和设置关键绩效目标。的第一个目标是测量和描述在选择新的cm-frequency广播频道。基于信道特性、链路级别进行了设计。它提供了很好的自适应性在空中接口参数设置,访问计划,和双工。可行性设计目标的检查与射频实现方面,例如,multiantenna波束形成,链路预算,和功率效率作为整体系统的设计元素。得出结论,高数据率通过高阶调制和MIMO非线性极限挑战,噪音,和物质形态因素的射频设备。基于这项研究,很明显,应该总是射频设计关键驱动因素在设计5厘米,高于g解决方案。

毫米波通信‎(18- - - - - -225 g)是获得越来越多的兴趣作为最大的光谱可用的块乐队超过30兆赫。由于广泛的连续带链接层次设计还有些放松,非常高的数据率是可以实现的。传播和渗透损失往往随着频率增加,限制了可行的联系范围。然而,同时天线尺寸和间距下更加易于部署大型MIMO系统的阵列增益高、波束指向性。因此,hybrid-beamforming架构和能力,有成本效益的射频收发器设计保持在焦点角色从厘米毫米波段电波。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文的研究工作主要是基于“5 g无线接入解决方案10 GHz频段之外(5 gto10g)”项目多年来2014 - 2017。项目合作伙伴Bittium, Keysight、诺基亚、华为和泰克特此欣然承认他们的支持。

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