5G高頻關鍵技術及測試性能分析

王巍 愛立信（中國）通信有限公司研發中心系統技術部高級技術經理

劉愔 愛立信（中國）通信有限公司研發中心系統技術部高級技術經理

5G高頻關鍵技術及測試性能分析

王巍 愛立信（中國）通信有限公司研發中心系統技術部高級技術經理

劉愔 愛立信（中國）通信有限公司研發中心系統技術部高級技術經理

5G技術方興未艾，各種候選技術獲得業界的廣泛關注。本文結合高頻技術在5G中的應用場景和關鍵技術，介紹了愛立信開發的5G高頻無線空口測試床，分享了在中國5G技術研發試驗第一階段的測試結果，分析并總結了5G高頻技術的出色表現。

5G；高頻段；大帶寬；Massive MIMO；波束跟蹤；MU-MIMO

1 引言

隨著社會對5G技術越來越關注，5G已經不再僅僅是人們通話的手段，它更承載了人們突破傳統的移動無線寬帶（MBB）業務實現萬物互聯的決心和愿景。ITU定義了5G三大應用場景，包括增強移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（URLLC）和大規模機器類通信（mMTC）。對于提供極致體驗的高傳輸速率的5G應用，如eMBB，大帶寬的使用是必須的。從全球范圍來看，較低頻段（如6GHz以下）獲取大段帶寬的可能性微乎其微，只有高頻還蘊藏著相對豐富的頻譜資源，在更高頻率上可以獲得更大帶寬，從而可以大幅提升用戶吞吐量和系統容量。因此，高頻技術成為5G系統中一個重要的候選技術，重點面向超大帶寬的極致eMBB業務。WRC-19AI1.13議題也將對未來5G在6GHz以上的候選頻段進行研究。此外，高頻信號衰落快，鄰小區的干擾會大大降低，適合超密集組網。大規模天線（MassiveMIMO）是5G中的一個關鍵技術，非常適合在高頻上工作。高頻的波長小，可以設計尺寸更緊湊的天線，更適于MassiveMIMO的部署。

另外，針對6GHz以上頻率的無線傳播特性得到了相當的關注。在5G聯合研究項目METIS中，就展開了針對高頻的信道研究，為5G應用場景更新了相關信道模型。盡管困難重重，關于5G高頻的研究還是取得了相當的進展。本文將重點介紹愛立信無線空口高頻測試床和應用的關鍵技術以及室內外測試的結果及結論。

2 高頻測試樣機簡介

愛立信公司最早于2014年開發了工作在高頻（如15GHz）的5G無線空口測試床，用于展示5G系統能力和研究5G高頻傳播特性和關鍵技術。2016年夏天，愛立信公司攜最新一代無線高頻測試床參加了工信部組織的中國5G技術研發試驗第一階段測試，出色完成了高頻及相關關鍵技術的技術驗證，如Massive MIMO，波賦形（Beam Forming），波束追蹤（Beam Tracking）以及多用戶MIMO（Multi-user MIMO）等。

測試床基站側設備參見圖1。其中左側為基站柜體，中間為5G NR（新空口）無線單元，右側為5G NR（新空口）測試終端。試驗網絡拓撲參考圖2，基本參數配置參見表1。

圖1 愛立信5G NR測試床

圖2 測試網絡拓撲

表1 基本參數配置表

MassiveMIMO，顧名思義，就是利用很多天線陣子采用波束賦形和空域復用的方式，來獲取多流傳輸，從而大幅提升速率和容量，通過多用戶共享時頻資源最終帶來頻譜效率的增加。更窄的波束可以更有效地將能量和信息傳遞到特定的用戶；采用特殊設計的參考信號，只需有限的反饋，系統可以追蹤運動中的用戶來保障移動中的用戶體驗。

3 5G高頻外場測試性能分析

在5G技術研發試驗第一階段的測試中，先后對室內、室外的LOS和NLOS場景進行了測試，涵蓋了定點測試、覆蓋測試、波速跟蹤和MU-MIMO等測試用例。

3.1 室內測試場景和用例

3.1.1 室內測試場景選擇在辦公樓躍層場景，測試選點跨越了A座和B座，上下兩層（見圖3）

在室內測試視距場景下，15GHz覆蓋性能良好，測試平均吞吐量7.7Gbit/s，單用戶峰值吞吐量可達15.1Gbit/s。同時，利用3D-MIMO功能可以對多層樓進行有效覆蓋。

NLOS場景選點分布在被茶水間、洗手間、會議室及電梯間遮擋的走廊和過道，選取包括玻璃墻，非承重墻以及承重墻為遮擋物的多個測試點，如圖4所示。

在室內測試非視距場景下，高頻有豐富的反射通道，結合波束賦形和波束跟蹤技術，在該場景下高頻測試仍能取得良好的覆蓋，非視距場景最高速率9.1Gbit/s，平均速率4.3Gbit/s。

3.1.2 MU-MIMO測試

室內LOS場景下的MU-MIMO測試，如圖5所示。

圖5 室內LOS場景MU-MIMO測試

借助于優化的Beamforming算法，在狹窄有限的室內環境下，仍能成功進行MU的配對，峰值速率可達23.1～25Gbit/s。

3.1.3 覆蓋測試

覆蓋測試中包括了視距和非視距場景，遍歷路線經過了茶水間、會議室、辦公區域以及電梯間，室內覆蓋測試平均吞吐量達到6.5Gbit/s，測試路線及吞吐率性能如圖6所示。

3.1.4 波束跟蹤測試

基于現場環境選取了垂直方向角0°，水平方向從右到左一共跨越6個波束進行波束跟蹤功能的測試，波束切換正常，能夠很好地跟蹤用戶移動，波束切換過程對速率沒有影響。

3.2 室外測試場景和用例

室外在視距和非視距場景下進行了定點、覆蓋和波束跟蹤測試。非視距包括街邊配電箱、濃密樹木，以及貨車等場景（見圖7）。

3.2.1 定點測試

在視距場景定點測試中，平均吞吐量達到7.2Gbit/，MU-MIMO峰值速率超過21Gbit/s。非視距場景定點測試平均吞吐量達到5.1Gbit/s。室外MU-MIMO測試如圖8所示。

3.2.2 覆蓋測試

覆蓋測試中遍歷了視距和非視距場景，其中路線1主要是視距場景，部分區域為非視距場景，遮擋物為樹木；路線2主要是非視距場景，主要遮擋物為樹木和施工建筑材料。室外覆蓋測試平均吞吐量達到5.0Gbit/s，吞吐率性能如圖9所示。

3.2.3 波束跟蹤測試

基于現場環境選取了水平方向共7個波束進行波束跟蹤功能的測試，波束切換正常，能夠很好地跟蹤用

戶移動，波束切換過程對終端下行速率沒有影響。

圖6 室內覆蓋測試

圖7 室外測試場景

圖8 室外MU-MIMO測試

圖9 吞吐率性能

4 結束語

通過5G高頻測試床的外場（室內，室外）測試，驗證了高頻大帶寬、MU-MIMO、波束跟蹤等功能，有效克服了高頻衰落大、易被遮擋等困難。同時，通過良好的系統設計，解決了高頻關鍵器件相噪差等問題，實際測試中性能表現優異：

●室內定點單UE峰值速率15.1Gbit/s，兩UE峰值速率大于23.1Gbit/s。

●室內視距場景定點測試平均吞吐量7.7Gbit/s，非視距場景平均吞吐量4.3Gbit/s，室內覆蓋測試平均吞吐量6.5Gbit/s。

●室外測試單UE峰值速率11.4Gbit/s，室外兩UE峰值速率大于21Gbit/s。

●室外視距場景定點測試平均吞吐量7.2Gbit/s，非視距場景平均吞吐量5.1Gbit/s，室外覆蓋測試平均吞吐量5.0Gbit/s。

同時采用波束賦形和波束跟蹤有效地提升了高頻通信的覆蓋性能，室外覆蓋超過350m，在距離基站320m處速率仍可達4.9Gbit/s。

[1]White Paper on“5G Channel Model for Bands up to 100 GHz”2nd Workshop on Mobile Communications in Higher Frequency Bands(MCHFB)

Globecom.2015.

[2]D 1.4.METIS Channel Models.METIS 2020.2015.

[3]S.Parkvall,et al.A Trial System for 5G Wireless Access. VTC Fall 2015,pp.1-5.9,2015.

[4]K.Tateishi,et al.Field Experiments on 5G Radio Access Using 15-GHz Band in Outdoor Small Cell Environment. PIMRC 2015,pp.1-5.8,2015.

Key 5G high frequency technologies and performance in trial

WANG Wei,LIU Yin

The challenge,key techonologies and scenarios of 5G high frequency were introduced in this paper.The field test results of 5G high frequency Test Bed and analyzation are elabrated.

5G;high frequency;wide channel bandwidth;massive MIMO;beam tracking;MU-MIMO

2016-10-25）