超级m-MIMO技术对5G-A和6G容量提升的几个方向

文摘   2024-03-25 00:43   瑞典  
本文根据各方的研究观点从宏观角度汇总了超级m-MIMO技术对5G-A和6G宏小区的容量方面的增强信息。超级m-MIMO翻译自Extreme m-MIMO,暂且这么翻译吧,大家意会就行了。如果有合适的用词可斟酌替用。
5G-A和6G网络的目标在于提供从新服务、极端连接性和安全性到射频传感方面的先进功能。未来的无线网络还应该以大幅降低每比特成本和更低的能耗来提供更大的容量。本文从宏观角度汇总了各方在通过使用更先进的大规模MIMO天线和更多频谱来为现有站点网格提供更多容量的解决方案和技术要求相关信息。
未来蜂窝网络新频谱预计将位于如下几个典型频段:
  1. 用于城市室外蜂窝的中高频段6-20 GHz,
  2. 用于极端覆盖的低频段460-694MHz,
  3. 以及用于峰值数据速率超过100 Gbps的次太赫兹。
通过使用中高频频谱与基站上更强天线阵列的超级m-MIMO天线阵列(比如使用1024及以上的TX)以及终端侧更大的天线阵列,预计容量将显著增加。当每个小区使用四倍多的频谱并实现五倍高的频谱效率时,与比如3.5GHz频段的基本5G相比,这可能会提供大约20倍的容量。而站点容量的如此大幅提升将满足10年内每年35%的移动流量增长而无需大幅增加站点密度(显著节省投资)。近期首次可用的频段可与5G-A一起使用,稍后(七到八年)可用的频段可与6G 技术一起使用。这些新频段将推动6G部署,随后将现有5G频谱重新划分为6G,以增强与新6G频段的互通。与信道匹配的数字波束赋型天线增益可超过30dBi,有助于维持覆盖范围并重用现有基站站点。
但是,实现极限容量目标需要大量创新,比如:

Part1:频谱资源方面的考虑
频谱是提供无线连接所需的关键资产,也是运营商部署网络的占比很大的成本。 每一代新的移动设备都需要一些新的频谱来充分利用新技术创新的优势。将现有频谱从传统技术重新分配refarm到新一代技术将增强不同频谱块之间的互通,并通过淘汰传统网络来最大限度地减少运营支出。6G 预计也会出现同样的趋势。预计6G主要新增频段如下:
  • 7–20GHz的新中高频谱用于城区容量
  • 470–694MHz的新低频谱可实现极致覆盖
  • 超过90GHz的新太赫兹频谱可实现最高峰值数据速率和传感。

主要的新6G频段在下图中的频谱蛋糕模型所示。7-20GHz频谱是提供广域容量的关键。它可以在极高的容量和良好的覆盖范围之间实现出色的平衡,该频谱将为城市宏小区容量提供强劲的发展。 传统的低于1GHz的频谱可以提供极端的覆盖范围,而90GHz以上的频谱可以提供极端的数据速率。根据频谱可用的时间,5G-Advanced可能首先在其中一些频段部署。 

Part2:容量方面的考虑

通过使用更多频谱和更高频谱效率的系统以及更大的天线阵列可以增加小区容量。同样的移动网络演进方法从2G,0.2MHz带宽和3G,5MHz带宽一直延续到4G,20MHz带宽和5G,100MHz甚至更大载波带宽。与此同时,频谱效率的大幅提高主要是通过使用更多天线元件实现的:4G 使用 2x2 MIMO和4x4MIMO及更高阶MIMO,而5G受益于大规模mMIMO。预计同样的发展将在6G中继续,带宽可扩展至400MHz以上,天线元件数可达1024个甚至更多。目标是通过在增强mMIMO天线系统中使用非常窄的波束,将平均频谱效率从10bps/Hz提高到50bps/Hz,这将允许使用相同的时频资源在同一小区中复用大量设备。与5G相比,假定频谱效率提高5倍还需要在终端配备更大的天线阵列。6G下行小区容量目标举例如下图所示:

Part3:Scalable RF architecture
各种新的中高频段频谱在频段的不同部分具有不同级别的连续频谱可用性,再加上最终将针对6G进行重新划分的6GHz以下5G频谱,导致了多种部署带宽和阵列尺寸。因此,无线设计应该针对不同的带宽和天线阵列尺寸进行经济有效的扩展,因为涉及许多不同的无线模块,每个无线模块都基于一组针对特定带宽和天线阵列尺寸优化的独特组件是不切实际的。相反,无线单元应使用相同的基本组件芯片集、灵活的系统级封装 (SiP) SoC 和前端模块以模块化方式构建,以适应各种带宽和阵列尺寸。模块化方法可能对于大型天线阵列和带宽变得重要,其中无线基本上可以通过组合为基本配置设计的模块化无线来构建。
Part4:RF front-end

目前的技术水平使我们能够制造高效的32-64TRX大规模MIMO天线。6G宏小区的目标是大幅增加TRX数量,这需要在尺寸、成本和功耗方面非常先进的射频前端解决方案。提高功率放大器的功率效率是降低成本和尺寸的一种方法。上下行转换以及模数和数模转换的功耗也随着TRX的数量而变化。这些转换器电路的mMIMO中单个TRX的当前估计约为2W至3W,这意味着当使用大量TRX时,这些电路的功耗非常高。因此,应考虑替代方法,例如由于混合波束成形将1024元件天线面板分成多个具有大型模拟波束的子面板,这将导致在相同频谱效率下使用更少的TRX数量。另一种节能技术是降低模数转换的分辨率。另一个重要的前端要求是带宽。为了最大限度地减少前端模块变体的数量,在保持效率的同时拥有较宽的带宽至关重要。最后,应仔细设计带有转换器的集成处理SoC和前端模块之间的接口,以便可以轻松地将处理SoC与各种前端模块耦合。

Part5:Artificial intelligence air interface
更高的频谱效率需要更先进的算法来进行接收器处理和波束形成计算。5G mMIMO通常设计为多达16层,而6G需要多达64个并行MIMO层才能实现最高频谱效率。使用更复杂的接收器可以实现更高的频谱效率,这些接收器使用深度神经网络等联合优化多个接收器块。通过将信道估计与MIMO检测相结合可以实现更高的性能,因为除了导频符号之外,还自动使用数据符号来改进信道估计。这种接收器对于基于端到端学习的系统也至关重要,其中发射器星座和导频设计也使用神经网络进行优化。也有可能其他非线性接收器结构(例如球体检测器)在某些情况下表现更好,因此可以设想数据驱动的最佳检测方案的动态选择。AI已经在逐渐深入到无线空口的方方面面。MWC24中AI-RAN联盟的成立也起到了推波助澜的作用(参考AI-RAN联盟启动)。


Part6:Beamforming algorithms

随着在7-20GHz频段内所使用的频谱越来越高,可能需要逐渐转向模拟波束成形。因此,有必要仔细考虑混合波束赋形架构,其中可控模拟波束赋形与数字波束赋形无缝耦合,以便在给定部署环境下以最低成本实现最高性能。在混合波束形成中,波束是通过在同一阵列上结合数字和模拟来共同创建的。需要实施考虑到这一点的新算法。为了纳入这些约束,使用深度神经网络进行计算来生成最佳波束成形权重。由于UE中可以在7-20GHz 的较高频率范围内使用更大的阵列,因此网络和UE中的组合波束成形对于实现高频谱效率至关重要。

Part7:High capacity baseband and fronthaul

下图展示了三扇区站点的基带和前传需求的一个例子。由于更高的带宽和更高的频谱效率,预计6G要求将比5G高20倍。对于400MHz 64 层mMIMO天线,所需的前传容量约为500Gbps,这定义了光传输要求。第1层峰值单元吞吐量将为100Gbps,这定义了基带处理要求。如果每比特的算法复杂度因为AI接收器而从5G增加到6G,则对基带硬件的处理能力要求更高。

Part8:Energy efficiency

节能减排的话题我们已经说了几篇:
精华文2023(2)3GPP中5G网络侧节能(上)
3GPP中5G网络节能(下)--随手记2023(8)
精华文2023(5)--R17中UE节能功能增强的总结

仅靠技术进步并不能提供足够的节能效果。到2030年,随着越来越多的实体致力于实现其积极的气候变化目标,节能网络设计将变得非常重要。所有系统都将受到严格审查,以尽量减少能源消耗。 必须在组件、节点和系统级别引入新的节能模式。 在组件级别,数字SoC的设计应确保SoC的不同部分能够快速关闭和打开,并且在关闭状态期间消耗的电流最小。 空中接口的设计应该有助于进入这种省电模式。 由于处理分布在多个SoC上,因此应该可以在负载较少的情况下灵活地将处理分配给较少的单元,以节省功耗。 天线阵列还应该是灵活的,以便通过关闭一些TRX来在较小负载下降低整体功耗

总之,未来的广域移动网络可以提供比当前5G网络更多的容量。当部署很大程度上仅限于使用现有宏站点时,主要解决方案是7-20GHz的新中高频频谱、超大规模MIMO天线和波束成形优化的空中接口。网络容量的这种提升需要全球合作来提供频谱块。 同时还需要底层技术的创新,使超大规模MIMO可行,包括射频架构和前端技术、人工智能优化的波束成形、基带处理能力和提高的功率效率。



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