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NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书-5G的理念演进及相关研究活动

供稿人:李远东  供稿时间:2014-10-27   关键字:5G  
1、5G的理念演进
 
1.1  演进的方向
 
为支持更多移动通信应用场景及业务服务,与4G网络相比,5G网络须具有更大的规模、更灵活的可扩展性、更大的系统容量、更高的用户数据率。很值得一提的是,5G网络很有必要解决每平方千米内的网络容量增大1000倍(相比于现已商用部署的LTE网络)、用户在任何地方的无线接入速率都能达到1Gbps级别这两个相当具有挑战性的课题。从而,就需要全方位地探索无线接入技术的所有可能的演进方向。
 
NTT DOCOMO经过大量研究后总结出面向5G移动通信网络的3大无线接入技术演进方向,并总称之为如图1所示的“立方体”,其中包括:频谱效率、频谱扩展、网络致密。这三方面演进对5G移动通信网络的发展都至关重要。
 
图1   NTT DOCOMO5G移动通信网络3大演进方向的研究成果
来源:NTT DOCOMO20149月发布的ドコモ5Gホワイトペーパー
 
需要特别指出的是,只有在上述所有3个演进方向上分别取得巨大突破,才能达到巨幅增加5G移动通信网络的系统容量及用户数据率的目的。此外,将移动通信网络内的数据卸载分流到诸如Wi-Fi等其他网络仍是未来的一种可行方式。该白皮书的第4大部分会对上述无线接入技术进行详细阐述。
 
1.2  演进的路线
 
为了达到所设定的5G网络容量的目标,有两个基本的演进路径可供选择/考虑:
 
1)较为保守的演进路径:聚焦于现有LTE未来的一步步演进;
 
2)较为激进的演进路径:采用一些全新的RAT(Radio Access Technology,无线接入技术),其中可能包括与现有LTE不能后向兼容的新技术。
 
白皮书紧接着指出,NTT DOCOMO认为:
 
1)已针对现有低频段频谱作了很好优化的LTE(3.9G)/LTE-A(4G)在未来仍将会有“用武之地”——再经过一定的演进后,LTE(3.9G)/LTE-A(4G)可用于5G网络中的大规模连接及降低无线接入延迟等;
 
2)另一方面,每平方千米内的网络容量增大1000倍(相比于现已商用部署的LTE网络)、用户在任何地方的无线接入速率都能达到1Gbps级别这两个相当具有挑战性的课题的解决,需要未来的移动通信网络在频谱效率、频谱扩展、网络致密这3大方面取得“飞跃式”突破,而这些是现有LTE(3.9G)/LTE-A(4G)及其未来的演进版网络所无法实现的,从而需要发展全新的无线接入技术。
 
关于无线频谱的利用问题,NTT DOCOMO认为,目前,3GHz频点以下的绝大多数无线频谱已被现有的各类通信系统占用,因此,为了确保面向未来的移动通信网络有着可持续的演进,就需要把可用频段扩展至3GHz频点以上。在更高的频段上(且具备一定的频宽)进行移动通信,可获得更高的数据接入速率、更低的接入延迟。而要实现在更高频段、更大频宽上进行移动数据传输,就需要进行新的数字技术与波形(比如子载波间距、成帧结构等)的设计。
 
对于在更高频段(如10GHz频点以上的频段)上运行移动通信系统,现有LTE(3.9G)/LTE-A(4G)系统将并非最佳方案——因为它们是专门面向现有移动通信频段(2GHz频点附近)而优化设计的。所以,为了在更高频段上获得比LTE(3.9G)/LTE-A(4G)未来演进型系统尽可能高的移动通信性能,就需要发展新的无线接入技术。
 
白皮书指出,正是基于上述考虑,NTT DOCOMO认为,5G网络应该发展面向更高射频频段、更大频宽以及LTE(3.9G)/LTE-A(4G)未来演进型系统的一组如图4所示的新兴无线接入技术。而这些新的无线接入技术需要能与LTE(3.9G)/LTE-A(4G)紧密互通(笔者注:即“双连接”),以确保其能在5G移动通信网络内与LTE(3.9G)/LTE-A(4G)未来演进型系统同时部署。
 
图2  面向5G移动通信网络的演进路线图
CA:载波聚合;eICIC:增强型小区间干扰协调;CoMP:多点协作传输/接收;HetNet:异构型网络;WRC-152015年全球无线电大会;WRC-182018年全球无线电大会)
来源:NTT DOCOMO20149月发布的ドコモ5Gホワイトペーパー
 
1.3  5G无线接入的理念
 
为了实现上文图2所示的5G移动通信网络演进路径,NTT DOCOMO所持的5G发展理念的核心点之一就是实现低频段移动通信与高频段移动通信的有效整合。高频段上拥有更大可用频宽的频谱资源,但是相对于低频段的传播特性较差,路径损耗更大。而且,很难在现有已商用移动通信网络中使用高频段,因为现有蜂窝网络中的宏基站间距等是专门按照低频段设计的,况且现有移动终端设备也不支持,而如果非要使用,则需要付出巨大甚至超大的成本代价。
 
基于上述考虑,NTT DOCOMO认为,如图3所示,5G无线接入网络应该具有以下特征:
 
1)具有由覆盖层和容量层所组成的两层架构;
 
2)覆盖层通过现有的低频段,以LTE无线接入技术的未来演进版来提供基本的移动通信覆盖;
 
3)容量层通过未来的高频段,以新兴的高频段无线接入技术来实现高的数据速率传输;
 
4)覆盖层与容量层需要被进行有效的整合——这可以通过LTE无线接入技术的未来演进版及新兴的高频段无线接入技术的紧密互通(双连接)来实现。
 
图3  NTT DOCOMO5G移动通信网络无线接入的研究成果
来源:NTT DOCOMO20149月发布的ドコモ5Gホワイトペーパー
 
白皮书接着简要地总结了NTT DOCOMO对5G无线接入关键技术的研究成果:
 
1)低频段与高频段的整合
 
(1)“虚拟化基站”理念(C/U平面(即:控制平面与用户数据平面)分离);
 
(2)灵活的双工。
 
2)对于更高频段移动通信的探索
 
(1)数字技术与波形设计;
 
(2)大规模MIMO(Multiple Input and Multiple Output,多入多出);
 
3)低频段移动通信的未来演进
 

此方面主要指的是NOMA(Non-orthogonal Multiple Access,非正交多址接入)。

25G的相关研究活动
 
2.1  5G的实时仿真(在实验室进行)与现网试验
 
白皮书指出,NTT DOCOMO早在2010年就开始着手研究5G的需求、理念、关键技术。2012年,NTT DOCOMO开发出了一款如图3所示的5G实时仿真设备,用以评估及验证其5G理念与5G无线接入关键技术。
 
4  NTT DOCOMO5G移动通信网络实时仿真
(对该仿真中所搭建的5G移动通信网络的详细说明:模拟的是日本东京新宿区的无线传播环境,部署了7个宏基站(采用2GHz频段的LTE组网,频宽为20MHz),每个宏基站部署两幅发射天线且分成3个大区(所以一共有3×7=21个大区)。为验证网络致密与高频段移动通信的性能,在每个大区部署了12个小基站,每个小基站均使用20GHz频段、频宽均为1GHz,每个小基站均采用大规模MIMO(部署了64副天线)以增强基站覆盖并提高频谱效率。每个小基站处均采用厄米预编码技术,以补偿路径损耗并提高小基站的频谱效率。对应地,在用户终端,使用的是工作于2GHz频段与20GHz频段的内置天线(一共4副))
来源:NTT DOCOMO20149月发布的ドコモ5Gホワイトペーパー
 
图4中所示的相关仿真结果表明:
 
1)相比于仅部署宏基站的LTE网络(使用2GHz频段,频宽为20MHz),NTT DOCOMO发展的5G移动通信网络在系统容量上所提高的倍数高于1000倍;
 
2)在5G移动通信仿真网络中(采用上文相关部分所述的宏基站+小基站的“网络致密”架构:每个区域部署12个小基站,而且各小基站使用的是20GHz频段的频谱,信道物理带宽为1GHz;各小基站处还采用了大规模MIMO技术,每个小基站部署有64副天线),超过90%的用户可以获得高于1Gbps的数据接入速率。
 
3)总的定性结论:在室外环境密集/超密集地部署小基站、扩展移动通信频谱、采用大规模MIMO/天线阵列技术等,的确是增大移动通信网络系统容量及用户所体验到的吞吐量的有效方式。
 
另一方面,NTT DOCOMO也正在进行5G移动通信的现网试验。2012年11月,NTT DOCOMO联合东京工业大学成功进行了一项相关试验,在全球首次实现室外移动环境中上行10Gbps的无线接入数据传输速率,并在全球首次于现网中测试通信频段高于10GHz的无线接入系统。2014年5月,NTT DOCOMO对外公布了其将会与6个全球顶级的移动通信技术/设备/终端提供商(阿尔卡特·朗讯、爱立信、日本富士通、日本电气公司、诺基亚、三星)合作进行更大规模的5G移动通信网络试验的计划,以验证5G无线接入技术在高于6GHz的频段中实现单基站超高系统容量的潜力。此外,NTT DOCOMO还会测试可支持包括M2M业务在内的不同类型应用的新兴无线技术。
 
2.2  NTT DOCOMO参与5G预标准化的相关活动
 
白皮书指出,ITU-R第五研究组的WP5D(Working Party 5D,5D工作组)正在做与5G移动通信的相关研究(比如:关于推荐书《IMT愿景——面向2020年及其以后的IMT未来发展:框架与总体目标》的讨论与撰写)。目前,对于5G移动通信的研发引起了全球包括各国政府及一些学术研究及行业研究机构在内的组织的广泛兴趣。一些国际大会也特别安排了很多关于5G的研讨会。NTT DOCOMO正在积极地参与欧洲的METIS(Mobile and wireless communications Enablers for the 2020 Information Society,助力面向2020年的移动及无线通信)项目(笔者注:METIS面向5G研发,由欧盟于2013年年初在第7框架计划下启动,由包括我国华为公司等29个参与方共同承担研发)、20B AH(ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc,日本广播工业与商业协会面向2020年及未来的特别工作组)、NGMN(Next-Gen Mobile Network,下一代移动通信网)联盟及其他5G研究组织的相关活动,以为全球的5G预标准化作出自己的贡献。
 
3、总结

白皮书最后作了这样的总结:未来的5G移动通信网络将需要满足一些很具有挑战性的需求、将能适应大范围的应用场景、将能提供更多的服务业态。明确5G移动通信网络的演进路线与系统概念,对于LTE-A网络向5G网络的成功演进、高效整合无线接入关键技术而言是至关重要的。在关于面向5G演进的提案方面,NTT DOCOMO着力强调了通过高效地整合低频段与高频段来满足将系统容量提高1000倍、将用户的移动数据接入速率提高100倍的两大需求的重要性。此外,NTT DOCOMO还在本白皮书中介绍了可以提高低频段移动通信网络及高频段移动通信网络系统容量的一系列很有发展前景的5G无线接入技术。接下来,NTT DOCOMO还将进行进一步的5G技术研究、现网试验,还会与其他5G研究组织达成5G预标准化共识。此外,还要研究整个移动通信网络架构面向5G无线接入的演进方式与路线。再者,为了高质量地提供大量移动业务、接入近乎“海量”的移动节点与终端设备,还需要研究5G核心网的可扩展性与灵活性。预计5G移动通信的标准化将有望始于LTE Release 14 and LTE Release 15。NTT DOCOMO在该白皮书的最后指出,展望未来,其将继续积极研究5G,以为5G的技术进步与全球普及作出自己的贡献。

参考文献:
 
[1] NTT DOCOMO: ドコモ5Gホワイトペーパー, September, 2014.
 
[2] Takehiro Nakamura. NTT DOCOMO's Views on 5G Toward 2020 and Beyond [PPT]. 2014.
 
[3] Takehiro Nakamura. LTE-Advanced Enhancements and Future Radio Access Toward 2020 and Beyond [PPT]. Broadband World Forum 2013, 2013-10-23.
 
[4] Global mobile Suppliers Association. LTE market report [R].Sept. 17, 2014.
 
[5]  DOCOMO to Establish New Business Units for Strengthened R&D and Innovation [EB/OL]. [2014-09-26].
https://www.nttdocomo.co.jp/english/info/media_center/pr/2014/0926_00.html.

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