华为通过一系列创新技术来实现5G每比特能耗大幅降低,一、3D MIMO技术为提升LTE传输性能提供更广阔的空间

7月12日消息,华为今天发布了《2018年可持续发展报告》。华为公司董事长梁华在演讲中表示,“未来通信网络的重要关注点之一就是能量效率,核心是用更少的能量传递更多的信息,以及在能量系统中通过信息技术来降低能耗。”

C114讯
LTE系统物理层的基本构架建立在OFDM+MIMO的基础之上。MIMO即多天线技术,对于提高数据传输的峰值速率与可靠性、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量有着重要作用。面对速率与频谱效率需求的不断提升,对MIMO技术的增强与优化始终是LTE系统演进的一个重要方向。

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宽带网络对于拉动经济发展和促进信息消费的增益作用毋庸置疑,根据联合国宽带数字发展委员会前不久发布的报告显示,宽带接入将成为发展中国家脱贫的通用催化剂,为普通大众带来更便捷的医疗保障、教育和基础社会服务。

5G时代伊始,网络的大容量、高速率,不免让人们对5G的能耗感到担忧。海量联接的5G,能耗会不会像业界担心的那样,是4G的2倍以上?

多年来,大唐移动在TD-LTE多天线技术领域进行了全面布局,通过对3D
MIMO技术的产学研用一体化探索,力争引导产业界共同推进3D
MIMO系统的研究、验证、设计和标准化进程,扩大我国在多天线技术学术研究及相关产业发展领域中的影响力。

今年,国际电信联盟将世界电信与信息社会日的主题定位“宽带促进可持续发展”,旨在通过充分发展宽带网络,为公众提供更为广泛的服务和应用,促进信息通信领域的投资、降低电信业务的资费,从而为百姓创造更多的便利。此举进一步肯定了宽带网络在未来社会可持续发展中的重要地位。

在梁华看来,随着5G商用网络不断的规模部署,5G的典型场景能耗并不像很多人担心的那样高。在同样的覆盖能力下面,5G和4G的典型能耗在同一个层级上面。5G的大容量能力,使其每比特能耗只有4G的十分之一。

一、3D MIMO技术为提升LTE传输性能提供更广阔的空间

我国作为世界宽带无线通信领域研究的重要参与国,已于去年8月正式将宽带资源列入了国家战略性公共基础设施,发布了“宽带中国”战略。为响应国家信息通信产业的发展布局,大唐移动与国内产业界同仁携手,共同推动我国宽带基础设施的快速健康发展。

华为5G产品线总裁杨超斌表示:“华为通过一系列创新技术来实现5G每比特能耗大幅降低。首先在芯片技术上,华为通过更高性能的芯片算法提高设备集成度,减少在板器件数量,提升设备整体效率,降低设备的整体功耗;在5G设备的工程工艺上,华为通过引入新型的材料和创新的算法,提升能源的转换效率,通过更科学的仿生散热技术提升散热效率,实现小型化和轻量化;在5G站点架构方面,华为5G极简站点解决方案-Super
Blade
Site全室外解决方案,可以省去基站站点空调,极大降低能耗;在整网级能效管理方面,华为通过AI技术实现网络协同节能,在确保KPI稳定的基础上,有效降低整网能耗。”

天线作为将承载信息的电磁波,是向无线信道馈送或是从无线信道中接收电磁信号的关键部件。天线子系统的设计方案对移动通信系统的构架、设备的尺寸以及网络部署都会带来影响。对于MIMO技术而言,更是要依赖于天线阵列所带来的空间自由度,才能展现其性能优势。

提升标准原创能力 掌握国际移动通信产业竞争主动权

梁华说,“采取软硬结合的解决方案,华为整体上实现单站能耗比业界平均水平低20%。随着技术的不断创新,5G设备能效也更高了。5G将更符合节能减排、绿色环保的理念。”

受限于传统的基站天线构架,现有的MIMO传输方案一般只能在水平面实现对信号空间分布特性的控制,还没有充分利用3D信道中垂直维度的自由度,更没有深层地挖掘出MIMO技术对于改善移动通信系统整体效率与性能及最终用户体验的潜能。

近年来,我国移动宽带网络发展迅速,无论是在网络规模还是用户基础方面都处在世界前列,一个网络大国正在悄然崛起。然而,我国移动宽带网络仍然存在许多问题,标准原创能力相对落后就是其中之一。

随着天线设计构架的演进,AAS技术的实用化发展已经对移动通信系统的底层设计及网络结构设计思路带来巨大影响,这一发展趋势必将推动MIMO技术由传统的针对2D空间的优化设计向着更高维度的空间扩展。

标准研究、产品开发、规模组网、商业运用是移动通信产业中环环相扣的价值链条。要想实现从跟随者到创新者的转变,构建完善的知识产权管理体系并推进标准的长久发展至关重要。近年来,大唐逐渐形成了正向系统创新模式,这一模式的核心正式是首先确定技术路线,依靠自主技术积累,构建核心技术链,从专利、标准等技术链高端环节出发,提升原创能力,掌握在国际信息通信产业竞争中的主导权。

通过天线和MIMO技术,基站对信号空间分布特性的调整大致可分为两个层面。第一个层面是扇区级赋形,是对公共信道与公共物理信号的扇区级进行调整,即根据网络优化目标调整扇区的覆盖参数,其赋形方式并不针对某个UE的小尺度信道进行优化,而且扇区赋形的调整是一个相对静态的过程;相对应的,用户级调整则是针对每个UE所进行的UE级的动态赋形或预编码,其目的在于使每个UE的业务信道的传输与其信道特性相匹配。

在此创新模式的引导下,大唐移动不仅主导了第三代国际移动通信技术——时分同步码分多址技术的起草工作,也为第四代移动通信技术(TD-LTE-Advanced)国际标准的制定做出了重要贡献。截至2013年7月,大唐共向3GPP提交文稿近8000篇,在TDD制式领域的全球标准提案数及通过率居世界第一。除此之外,在过去的十多年间,大唐移动专利申请的复合年增长率超过50%,即使在金融危机期间也依然增势强劲。

在现有的基站天线结构中,由于物理天线端口对应于一个水平方向上排列的线性阵列,调整各物理天线端口的幅度及物理天线端口间的相对相位等效于控制信号在水平维度的分布。因此无论对扇区赋形还是UE级动态赋形而言,都可以通过天线映射模块在基带实现相关操作。

截至2013年底,大唐已在全球累积申请专利超过1.6万件,获得专利授权超过6300件。其中,发明专利占比达90%,年度PCT专利申请公开量位居世界百强,国际专利申请已进入10余个国家和地区。为我国信息通信产业抢占新时期国际经济、科技和产业竞争的制高点提供了强有力的支撑。

但是对于每个天线端口内部所对应的一列阵子而言,由于没有相应的物理天线端口与之一一对应,因此无法在基带直接调整每个阵子的加权系数。这种情况下,信号功率在垂直维分布调整的灵活度受到了一定的限制。对于扇区赋形而言,尚可以通过对每个阵子所连接的射频电缆的时延和衰减的调节,在射频实现对下倾角的控制。或者,也可以通过机械方式调整基站天线面板的俯仰角。但是对于每个UE的业务传输而言,在垂直维就无法实现针对小尺度信道的动态优化了。

积极拓展专利布局 解决现网实际应用问题

换言之,按照目前的基站天线结构,LTE的MIMO传输方案只能在水平维实现对传输过程的优化,还不能完全匹配实际的三维信道,因此没有能够充分地利用信号在垂直维的自由度。此外,小区分裂或进一步的扇区分裂也是扩展系统容量的重要手段,但是受限于传统的基站天线结构,在不增加天线与射频设备的前提下无法实现垂直维度扇区化(通过下倾角划分扇区)。对于具有不同垂直角度的区域,如高层建筑的不同高度范围,往往需要多面天线来分别覆盖。

然而,从大唐移动对自身在移动通信标准和系统中的创新定位来讲,标准数量仅仅是体现其价值的一方面。专利被写入国际标准并在现网中得以运用才是其真正的目标所在。

针对现有基站天线结构在垂直维赋形能力的缺陷,一种自然的想法便是增加垂直维度的物理天线端口,以实现在基带对每个阵子的独立控制。有源天线系统的兴起,解决了基于现有的被动天线结构实现垂直赋形的难题,其将天线阵列中的每个辐射单元与相应的射频/数字电路模块集成在一起所构成的,是能够通过数字接口独立控制每个阵子的主动式天线阵列。

为此,大唐移动十分重视知识产权战略的制定,以及企业文化环境和管理体系的搭建。通过贯穿企业内部的‘以专利保护创新’的意识,来助推专利方面的拓展工作,增强企业的核心竞争力,提升专利水平。也正是在这样的企业环境影响下,大唐移动的专利及标准才能够脱颖而出,被3GPP采纳并写入国际标准,应用于现网中,产生巨大的规模经济效益和社会效益。

在有源天线系统中,基站至天线系统之间不再需要射频电缆、塔放或RRU这样的中间环节,基站设备与天线系统之间可以直接通过光纤连接。这种情况下,射频电缆这一横亘在垂直维物理天线端口开放之路上的障碍随之迎刃而解。

大唐移动按照专利战略方针的指引,不断拓展专利布局,针对在建网和大规模商用中产生的诸多技术问题,如系统组网性能、网络安全、低成本设计以及节能降耗等方面都进行了攻关,并申请了大量专利。在支撑应用服务方面,如家庭基站、高速环境下的应用等,大唐移动也提出了很多优秀的专利技术方案。此外,包括帧结构融合、双流波束赋形以及MIMO多天线技术等都是大唐已经得到业界认可并被广泛采用的创新成果。

空间自由度是MIMO技术的安身立命之本。有了AAS技术的支撑,垂直维自由度的大门已悄然向MIMO技术开启,MIMO技术中已积蓄多年的向着3D化发展的势头从此将一发而不可收,在UE级实现对信号垂直维分布的控制,充分利用信道的垂直维自由度,这对于MIMO技术而言,将是一片广阔的研究领域。

高素质信息化服务团队 助力运营商移动宽带提速工程

简单来说,3D
MIMO技术在不改变现有天线尺寸的条件下,可以将每个垂直的天线阵子分割成多个阵子,从而开发出MIMO的另一个垂直方向的空间维度,进而将MIMO技术推向一个更高的发展阶段,为LTE传输技术的性能提升开拓出更广阔的空间,使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能。但是在实现3D
MIMO技术的过程中还有很多研究工作。

然而拥有自己的标准、过硬的技术仅仅是我们迈向宽带强国的第一步。随着宽带资源被正式列入国家战略性公共基础设施,国内三大运营商纷纷展开了浩荡的移动宽带提速工程,时间紧、站点多、地域广是史无前例的,这就需要高素质的网络建设和服务团队来支撑。

一直以来,3GPP/3GPP2均采用2D信道模型作为参考信道模型,电磁波仅通过水平方向传播。现有对3D
空间特性的建模过于理想化。需要进行3D MIMO信道建模的深入研究,通过对3D
MIMO信道进行测量,建立起科学可靠的3D
MIMO信道模型,一方面确定出合理正确的模型,另一方面基于中国的地形地貌实际给出更事宜中国场景的应用模型。

面对快速建网,大唐移动在器材备货、生产能力、团队储备、人员培训等各个方面提前做足了准备。专门成立了LTE项目服务与管理办公室,统筹生产、供货、工程进度及区域客户个性化需求信息,对供货区域和数量、各省市项目人员数量与进度匹配等等进行全面的调控,确保每一个项目都能按计划顺利开展。目前,大唐移动与全国多家具备通信建设资质的工程公司有着紧密合作关系,可提供高效率的工程督导和工程施工队伍。工程施工能力可满足300个城市同时建网的需求。

现有MIMO技术的研究仍主要针对2D信道,基于3D应用场景的反馈机制、传输方案以及相关的多用户调度算法、预编码算法、码本设计、链路自适应方案及控制信令都需要重新考虑,以充分地利用3D信道中垂直维度的自由度,更深层地挖掘出MIMO技术对于改善移动通信系统整体效率与性能及最终用户体验的巨大潜能。

在保证建网速度的同时若不能兼顾网络质量、不能提供良好的用户体验,那么网络建设的再快也是劳而无功。从运营商角度讲,“快速建网”也不是其唯一需求,用户业务量快速提升、小区深度覆盖也是其发展的目标之一。

二、新天线新技术突破场景覆盖限制及网络覆盖质量

为此,大唐移动在技术手段上配备了一套完善的网络快速建设解决方案和快速优化方案,确保TD-LTE网络建设又快又好。在网络规划方面,大唐移动尽量利用现网2/3G的站址资源,在此基础上建设LTE站点;同时在选址时注意网络结构的合理性,避免出现过高、过近等破坏网络结构的站点,以提升同频组网的性能。

虽然3D
MIMO技术的天线产品和MIMO技术本身都还不是那么成熟,但是并不妨碍产业界对其的殷切关注目光。因为,新天线和新技术的引入对于现有网络天线技术应用场景着实是一个突破。

针对TD-LTE网络覆盖问题,大唐移动始终坚持认为覆盖的连续性对用户体验极为重要。2014年,大唐移动基于“匹配当期快速建网需求、满足后续网络扩容需求、兼顾未来精细化覆盖和多网融合需求”的产品设计理念,推出了多频段、多形态的系列化无线基站产品。目前大唐移动能够同时提供F/A/E/D全系列单通道、2通道、8通道RRU产品,满足LTE室内、室外场景的覆盖要求。此外丰富的设备形态、以及宏微结合等精准的覆盖方案还可帮助运营商解决深度覆盖的挑战。

1、3D MIMO从室外覆盖高层楼宇更经济

此外,影响用户体验的还会有其他一些因素,如处于通信小区的中心或者边缘,用户体验会存在差异;不同终端的性能体验也会存在差异。对此,大唐移动积极进行了动态ICIC、CoMP等技术的研究和验证,以进一步降低和抑制小区间干扰,保证小区边缘用户的业务体验。经过网络验证,其效果完全可以满足网络应用的指标要求。

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目前在全球已有近130个国家出台或执行了宽带战略,而ICT技术和快速的网络也为开拓人们的视野、丰富人们的生活提供了无限可能。大唐移动,作为“宽带中国”战略的坚定跟随者,将积极服务国民经济和社会信息化发展,继续专注的服务好运营商客户,以夯实的技术基础、专业的服务团队打造更快、更好的信息高速公路。同时,大唐移动还将联合产业界各同仁,加大TD-LTE及其后续演进技术的应用创新与推广投入,为人们打造更美好的互联生活。
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