3.5 GHz 5G新空口基站設計與外場實驗研究

劉光毅，王啟星，劉建軍，王飛，鄭毅

（中國移動研究院無線與終端技術研究所，北京 100053）

1 引言

第四代移動通信系統（4G）的快速部署和滲透不僅帶來了移動互聯網業務的空前繁榮，也催生著新的業務和應用。隨著4G的成功商用，研究人員開始將目光投向新一代移動通信系統——5G。5G旨在提供更高數據速率、更低延遲、極高的可靠性、極高流量密度以滿足增強的移動寬帶、超低時延超高可靠、大連接等場景下的未來業務需求[1]。為了實現這些能力，5G系統需要支持更大的帶寬、更多的天線、更高的處理能力、更靈活的協議和硬件結構，這些都構成了對基站和系統的設計和實現提出了代際更替要求，對基站的產品研發提出了非常高的挑戰。

考慮到5G從技術研究到標準和產品的整個周期大為縮短，這就要求5G的發展要以超常規的方式來推進，實現技術成熟、標準制定和產品化的齊頭并進。隨著5G的第一個完整的標準版本Release 15在2018年6月的功能凍結，5G的產業化推進進入最后沖刺階段，基于5G標準的技術實驗和外場測試對加速 5G的商用進程尤為關鍵。為此，在IMT-2020推進組的統籌規劃下，國內三大運營商紛紛開始了面向5G的規模實驗。

本文結合產業的最新進展，介紹5G預商用基站系統設計和優化，特別是面向3.5 GHz的上行覆蓋增強技術（SUL，supplementary uplink）及其仿真性能評估，并開展5G基站樣機的外場實驗，對5G系統的單用戶峰值吞吐量、多用戶吞吐量、室內外覆蓋的能力和時延進行了詳細的測試和驗證。

2 5G實驗樣機設計

對于5G基站樣機的設計，需要考慮的主要包括空口的基本參數和大規模天線的設計和優化。

2.1 5G基站的基本參數

工作頻段：3 400～3 600 MHz，系統帶寬≥100 MHz[2-3]。

波形：下行鏈路采用循環前綴-正交頻分復用（CP-OFDM，cyclic prefix-orthogonal frequency division multiplexing）；上行鏈路采用CP-OFDM和離散傅里葉變換擴頻 OFDM（DFT-S-OFDM，digital Fourier transform spread orthogonal frequency division multiplexing）[4]；支持為免調度物理上行共享信道（PUSCH，physical uplink share channel）配置波形；支持通過重新配置或物理下行控制信道（PDCCH，physical downlink control channel）指示調整上行波形。

鏈路的多址：支持上行鏈路和下行鏈路的正交多址（OFDMA，orthogonal frequency division multiple access）。

信道編碼：上行鏈路和下行鏈路數據信道采用低密度檢驗碼（LDPC，low density parity check code），上行鏈路和下行鏈路控制通道采用Polar碼[5]。

調制方案：下行鏈路支持 QPSK（quadrature phase shift keying）、16QAM（QAM，quadrature amplitude modulation）、64QAM和256QAM；上行鏈路支持keying），BPSK，QPSK，16QAM 和 64QAM，建議使用256QAM[6]。

MIMO（multiple input and multiple output）：下行單用戶MIMO支持4個下行鏈路MIMO層，建議使用8個下行鏈路MIMO層；上行鏈路單用戶MIMO支持2個上行鏈路MIMO層，建議使用4個上行鏈路MIMO層；下行鏈路多用戶MIMO支持的層數≥16，上行鏈路多用戶MIMO支持的層數≥8；支持基于覆蓋要求的公共PDCCH覆蓋增強，如系統信息塊（SSB, system synchronization/public broadcast channel block），信道狀態信息參考符號（CSI-RS, channel status information reference signal），剩余最小系統消息（RMSI, remaining minimum system information）等；根據上行鏈路探測導頻（SRS, sounding reference signal）或測量報告[7]，區分UE選擇下行鏈路波束以增加覆蓋范圍。

假設100 MHz帶寬中，下行鏈路的資源配置占70%，上行鏈路的資源配置占 20%，保護間隔占10%。單用戶峰值速率要求為：下行鏈路1.3 Gbit/s（256 QAM，不少于4個數據流）或者2 Gbit/s（64 QAM，不少于8數據流）；上行鏈路175 Mbit/s（64 QAM，2個數據流）或者370 Mbit/s（64 QAM，4個數據流）。多用戶的小區峰值吞吐量要求為：下行大于4 Gbit/s（大于16個數據流），上行大于700 Mbit/s（大于8個數據流）。多用戶MIMO技術的使用是5G系統提供更高速率的關鍵[8]。5G樣機幀結構如圖1所示。

圖1 5G樣機幀結構

幀結構采用 2.5 ms傳輸周期；支持 2～4符號GP配置（例如4個符號GP）；#0、#1、#2時隙每2.5 ms固定為下行時隙。#3時隙是下行-GP-上行格式中的下行為主的時隙。SSB信號可以在#0、#1、#2及#3時隙中傳輸。#4時隙固定為上行時隙，隨機接入信道可以在＃4時隙中傳輸。

2.2 大規模天線的設計和優化

對于基站樣機的設計和開發，除200 W總發射功率和100 MHz帶寬要求外[2-3]，最大的挑戰來自于大規模天線的設計和優化。

對于3.5 GHz頻率，考慮鐵塔對天面尺寸的要求，迎風面小于0.5 m2的要求、半波長的水平方向陣元間距，以及0.75波長的垂直方向間距，陣子的雙極化等因素，一副天面總共可以布設192個陣子，每個陣子的極化方向96個，如圖2所示，圖中“×”表示交叉極化的2個天線陣元。

圖2 3.5 GHz所能采用的最大天線尺寸和天線數布局

考慮系統性能的提升與硬件復雜度之間的折中，需要優化有源天線單元（AAU，active antenna unit）所支持的射頻（RF，radio frequency）通道數，也就是獨立的天線端口數。為便于基帶的數字信號處理的優化，天線端口數通常選擇2的冪次，如2個、4個、8個、16個、32個、64個、128個。

綜合考慮不同天線端口數的物理能力對比，64通道天線在垂直維度上具有最好的波束掃描能力，適用于覆蓋更加立體的環境，所以在后續的實驗中將采用64通道的3D-MIMO天線。

2.3 CPRI/eCPRI的選擇

對于支持100MHz帶寬，64通道天線端口的3.5 GHz 3D-MIMO天線，由于考慮RF和天線的一體化集成 AAU，需要定義 AAU和基帶處理之間的接口。考慮傳統的（CPRI, common public radio interface）接口，對于100 MHz和64通道天線端口的3.5 GHz樣機來說，如果考慮傳統的CPRI接口、16 bit量化方式，CPRI的接口容量要求是259.5 Gbit/s，需要3根100 Gbit/s的光纖，特別是對于C-RAN（centralized radio access network）的集中化部署場景，對光纖的需求量將是非常巨大的，實際難以滿足容量的要求。同時，由于目前前傳接口的光模塊成本比較高，導致基站成本大幅上升，所以需要考慮優化的解決方案，以及加快推動100 Gbit/s光模塊的成熟和成本下降。

1）CPRI壓縮

CPRI壓縮方案。通過降低采樣率和量化比特數以降低接口帶寬，比如 2.6:1的壓縮率，這樣可以用一個100 Gbit/s的光模塊滿足容量的需求，大幅降低成本，同時光模塊數量少，接口的復雜度低，對重量的增加最少。目前，100 Gbit/s的光模塊預計2020年前可以成熟，并且成本可以大幅度下降，滿足2020年5G商用部署的需求。

2）增強的公共無線接口標準（eCPRI, enhanced common public radio interface）

eCPRI接口方案。將一部分物理層（PHY層）功能上移到AAU中，如在下行僅傳輸編碼后的數據，在上行僅傳輸空間處理（MIMO處理）之后的數據，如圖3所示，從而降低前傳接口帶寬。

eCPRI的基帶上移可以有不同的定義，如圖3所示，虛線以下或者實線以下的功能都可以上移到AAU，移動越多，對AAU的挑戰越大。

圖3 CPRI和eCPRI的接口劃分方案

eCPRI方案1 25 Gbit/s接口容量，AAU完成Digital BF、信道估計/均衡等功能。由于基帶上移到AAU，為了降低對功耗、體積的影響，可能簡化算法以降低處理復雜度，進而損失3D-MIMO的性能。

eCPRI方案2 2×25 Gbit/s接口容量，AAU主要完成digital BF的功能，如使用空間濾波相當于做了矩陣降維的處理，性能取決于算法實現，如濾波使用的導頻（SRS或DMRS），性能需要驗證。

對于eCPRI解決方案，雖然解決了接口容量的問題，但是帶來了許多新的問題和風險，需要在后續產業化中充分重視和考慮，具體如下。

① 增加AAU的重量、體積和功耗，增加工程部署和施工難度。

② 物理層功能上移，為了優化重量、功耗和體積，可能簡化算法性能，進而影響基站的整體性能。

③ 物理層功能上移，增加AAU的故障率，增加未來天面操作的概率，潛在增加網絡維護成本。

④ 基帶上移，現有的能力可能難以滿足未來更先進、更復雜的物理層功能的要求，影響基站的前向兼容性。

整個大規模天線基站的幾何特征，包括整機的重量、尺寸、體積等，基本滿足鐵塔對AAU的要求。5G樣機的的幾何特征如表1所示。

表1 5G樣機的幾何特征

3 上行輔助傳輸（SUL）

對于 5G的網絡部署，考慮到目前全球分配的大多數5G頻率都在3 GHz以上，預期其覆蓋能力將比4G的頻率要差，為了提升5GNR的單基站覆蓋能力，特別是上行鏈路的覆蓋能力，3GPP在5G標準中引入了一種輔助上行載波來增強上行覆蓋能力，即在中高頻段的上行覆蓋不足時，將 5G的上行鏈路切換到一個更低頻段，而下行鏈路仍然保留在原有的頻段。這樣，利用更低頻段的較好傳播特性，可以提升 5G系統上行鏈路的覆蓋性能。

在較高頻段（3.5 GHz頻段）部署宏網無縫覆蓋的5G系統時，可能存在上行傳輸覆蓋受限和數據速率受限問題，采用更低頻段的 SUL可較好地緩解該問題。將一個低頻的全上行載波（如1.8 GHz的10 MHz）與一個上行覆蓋受限的TDD載波進行配對傳輸，從而有效地提升弱覆蓋用戶的上行傳輸覆蓋。

為了對SUL引入后的性能有一個合理的預期，本文對引入1.8 GHz（10 MHz）SUL進行了理論仿真分析，具體的仿真假設如表2所示，仿真的主要結果如圖4所示。

表2 仿真評估假設

圖4 上行邊緣吞吐量的仿真對比

從圖4的仿真結果可以看出，在低穿透損室內環境下，1.8 GHz在基站4天線收和終端23 dBm發射功率（簡稱4R，12 dBm）的情況下，小區邊緣吞吐量可達2.78 Mbit/s；而3.5 GHz在64天線收和23 dBm發射功率下（簡稱64R，23 dBm），上行邊緣吞吐量為0.67 Mbit/s；如果上行發射功率增加為26 dBm（簡稱64R，26 dBm），則吞吐量可增加到0.84 Mbit/s。所以1.8 GHz的SUL相對于3.5 GHz，可增加邊緣速率2.3～3.2倍。對于高穿透損室內環境，1.8 GHz的SUL的增益則為2～3.6倍。

圖5 5G實驗網的結構

4 5G外場實驗

為了盡早對5G系統組網、覆蓋等性能進行摸底驗證，面向規模實驗，華為在上海研發基地建設了5G的實驗外場，結合當地的地形地貌，該區域可看作是密集城區環境，建筑物比較密集，樓層較高。整個實驗網的邏輯結構如圖5所示，包括測試的終端、基站、傳輸網和核心網。

對于5G初期部署的增強移動寬帶應用場景，峰值數據速率、小區吞吐量、室內覆蓋能力和時延是具有標志意義的關鍵性能指標。因此，在外場實驗中，著重對上述四大關鍵性能指標進行了測試和摸底。在測試中，配置70%的時間資源用于下行傳輸，剩余的資源為保護時隙間隔和上行傳輸資源。對于現場實驗，樣機支持QPSK、64QAM、256QAM等高階調制以及多種碼率。

4.1 單用戶峰值速率測試

單用戶峰值速率是基站的一種能力測試，對于實際網絡并無多大的參考意義，所以，為了完成峰值速率的測試，本文選擇了一個下行接收信號強度（RSRP，reference signal received power）足夠大的測試點進行測試。具體的測試結果如圖6所示，對比了100 MHz帶寬的5G和10 MHz帶寬的4G FDD（LTE FDD，long term evolution, fullduplex division）的下行和上行峰值吞吐量。

圖6 單用戶峰值速率測試環境

4.2 小區峰值和平均吞吐量

在與單用戶峰值速率測試相同的環境下，完成了多用戶的小區吞吐量的測試，測試結果如圖7所示。

從測試結果可以看出，下行通信16個用戶32個數據流可實現高于10 Gbit/s的峰值速率，下行8個用戶可實現2.5 Gbit/s的小區吞吐量。而上行4用戶時，由于上行分配的傳輸時間資源有限，僅可實現800 Mbit/s的上行小區吞吐量，但預期上行空間復用的用戶數越多，上行的峰值吞吐量越高。

圖7 實測5G小區峰值吞吐量

與4G系統的40 Mbit/s、20 MHz的典型小區吞吐量相比，當帶寬被歸一化后，5G可以實現數10倍以上的下行小區吞吐量增益。因此，與4G相比，3D-MIMO可以實現5G的頻譜效率提升至 4G的3～5倍的目標，滿足3GPP的最小性能要求。

表3 室內覆蓋對比測試結果

4.3 室內覆蓋能力

對于5G系統，室外基站覆蓋室內環境（O2I，outdoor to indoor）的性能非常關鍵，因為80%的業務發生在室內，而現網中大部分的室內業務是通過室外宏站覆蓋室內解決的。所以，在測試中專門引入了室外覆蓋室內的測試，特別是對比了1.8 GHz SUL和僅3.5 GHz NR時的邊緣吞吐量性能,具體的測試結果如表3所示。

在測試中，本文選擇了一些弱覆蓋的點進行對比測試，將同一個點的1.8 GHz/3.5 GHz的下行接收信號強度RSRP和相應的上行吞吐量記錄在表格中。從結果可以看出，在弱覆蓋的環境下，1.8 GHz SUL可以帶來2倍以上的上行吞吐量的提升。

4.4 9小區連續覆蓋性能測試

為了進一步測試5G網絡的綜合業務體驗，本節對5G網絡連續覆蓋環境下的用戶體驗速率進行一個連續測試。具體的測試結果如圖8～圖11所示。其中圖8和圖9分別是下行空載和下行50%加載條件下的單用戶拉網吞吐量的分布。從結果可以看出，在一般城區（400 m站間距），空載室外路測下行速率50%可達600 Mbit/s；加擾的影響非常大，將導致低于600 Mbit/s的比例大幅上升，即由22%上升到54%。

圖8 下行空載的單用戶吞吐量分布/（Mbit.s-1）

圖9 下行50%加載的單用戶吞吐量分布/（Mbit.s-1）

圖10和圖11分別是上行空載和5dB底噪抬升后的單用戶拉網吞吐量的分布圖。從測試結果可以看出，在一般城區（400 m站間距），空載室外路測上行速率大部分可以達到100 Mbit/s以上；加擾對吞吐量的影響比較大，導致低于100 Mbit/s的比例大幅上升，由24%上升到37%。

圖10 上行空載的單用戶吞吐量分布/（Mbit.s-1）

圖11 上行5dB底噪抬升后的單用戶吞吐量分布/（Mbit.s-1）

4.5 用戶面時延

用戶面時延，也即數據正確傳輸的時延，是5G標準的重要考核指標之一。在外場實驗中，本文現場測試了單向的數據傳輸等待時間（定義為在無線空口上行或者下行方向，從空口協議棧層2或者層3 SDU入口點到對端協議棧層2或者層3 SDU出口點，成功傳輸一個應用層分組所用的時延）。測試中，傳輸具有隨機大小的FTP數據分組，并且測試每個數據分組的傳輸等待時間，然后在1 s的時間窗內進行平均。

外場實驗結果顯示，eMBB業務的用戶面延時在3.5～4 ms，5G標準可以滿足增強的移動寬帶應用場景下的空口低時延小于4 ms的要求。

5 結束語

基于3GPP最新標準化進展，本文介紹5G新空口技術的基站樣機設計、SUL覆蓋增強及性能仿真，以及為了綜合驗證5G通信系統組網、覆蓋等性能的外場測試，對5G通信系統的單用戶峰值吞吐量、多用戶吞吐量、室內外覆蓋能力和時延進行了詳細的測試和驗證。測試結果顯示，5G通信系統可以滿足 3GPP定義的增強移動寬帶業務場景的5G性能指標需求，可帶來5倍以上的頻譜效率的提升。另外，SUL利用低端FDD頻譜的更好覆蓋特性和連續傳輸，可較好地提升3.5 GHz頻率在弱覆蓋場景下的上行吞吐量。面對未來 5G

網絡連續部署以及更加綜合業務的需求，后續的外場實驗還需要進行更大規模的組網實驗，體現更加真實的干擾環境。同時考慮更加綜合的業務，比如 URLLC（ultra reliable and low latency communication）以及物聯網等業務需求，需要更加全面的資源分配策略，保證在同一網絡下能滿足多種業務的需求。