技术与标准丨5G毫米波关键特性分析与应用建议

作者简介

 徐霞艳

中国信息通信研究院移动通信创新中心高级工程师，主要从事5G技术研究工作，参与 IMT-2020（5G）推进组5G技术研发试验等重大科研项目，牵头起草4G和5G 等30多项通信行业标准。

论文引用格式

徐霞艳. 5G毫米波关键特性分析与应用建议[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(7):87-92.

∗基金项目：工业和信息化部2019年产业技术基础公共服务平台项目（No.2019-00891-1-1）资助

5G毫米波关键特性分析与应用建议*

徐霞艳

（中国信息通信研究院移动通信创新中心，北京 100191）

摘要：基于与5G中频段网络基本能力的对比，分析了对5G毫米波技术和网络的需求；结合技术标准与测试验证对5G毫米波的带宽与帧结构等基本系统参数、波束管理与波束图样设计、组网方式等关键特性进行了分析；讨论了毫米波基站和终端的技术规格，并提出了毫米波技术与产品面向商用的若干建议。

关键词：5G；毫米波；关键特性；应用建议

中图分类号：TN929.5     文献标识码：A

引用格式：徐霞艳. 5G毫米波关键特性分析与应用建议[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(7):87-92.

doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.07.013

0  引言

我国5G发展以中低频段为主，自2019年6月5G牌照发放以来，我国运营商利用2.6 GHz、3.5 GHz等频段积极开展5G网络建设，建成开通的5G基站数和5G终端连接数不断创出新高，5G行业融合应用不断发展。

5G毫米波技术具有大带宽、大容量、低时延等特性，将是5G下一步发展的重要方向。在5G中低频网络提供连续覆盖的基础上，5G毫米波可在室外或室内热点等场景作为中低频的容量补充。5G毫米波以其大带宽、低时延等优势也有望在5G行业应用等领域得到采用。国内高度重视5G毫米波技术与产业的发展。2019年以来，IMT-2020（5G）推进组组织运营企业和设备企业开展5G毫米波技术研发试验，对毫米波关键技术和基站、终端设备开展了深入测试。

1  对5G毫米波技术与网络的基本需求

1.1  5G中频段网络的基本能力

我国2.6 GHz、3.5 GHz频段5G商用网络，采用100 MHz载波带宽与大规模天线等关键技术，在峰值速率、用户体验速率、用户面时延等关键性能指标上相比4G网络均有明显提升。

1.1.1  峰值速率与用户体验速率

考虑增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）下行业务为主的需求，2.6 GHz、3.5 GHz频段5G网络采用了下行时隙为主的帧结构。表1给出了5G独立组网模式下，支持 2T4R（2发4收）能力的终端在100 MHz带宽时的理论峰值速率^[1]。可以看出，对2.6 GHz、3.5 GHz 频段，下行峰值速率达到1.745 Gbit/s或1.485 Gbit/s，上行理论峰值速率达到253 Mbit/s或380 Mbit/s。对于4.9 GHz频段，如采用2.5 ms单周期（DSUUU）这种上行时隙为主的帧结构，则上行理论峰值速率可达到760 Mbit/s。实测表明5G商用终端可达到或接近其理论峰值速率。

表1  5G中频段100 MHz带宽终端理论峰值速率

5G商用网络中的用户体验速率，与无线信号覆盖水平、网络负荷等直接相关。参考2020年10月中国信息通信研究院发布的《2020年十大城市重点场所移动网络质量评测排名》，在所选取的合肥、福州、广州等十大城市重点路段上，实测5G综合下载速率介于630.34 Mbit/s~994.34 Mbit/s，5G综合上传速率介于89.75 Mbit/s~142.99 Mbit/s^[2]。移动网络质量评测存在一定的偶然性，但该评测仍提供了5G中频段商用网络用户体验速率的一个直观参考。
1.1.2  用户面时延按照ITU（国际电信联盟）对5G eMBB场景的指标要求，空口用户面单向时延应在4 ms以内^[3]。2.6 GHz、3.5 GHz频段5G商用网络以eMBB业务需求为主确定了30 kHz子载波间隔和上述表1中所示帧结构等系统配置。实际测试表明，基于2.6 GHz、3.5GHz频段5G商用网络的系统配置，空口用户面单向时延最低可达到2.5 ms ~ 3. 5 ms。
1.2  对5G毫米波技术与网络的需求从上面的分析来看，我国5G中频段商用网络质量良好，预计在5G商用前期能够支撑eMBB为主的个人消费者应用和大部分5G行业融合应用的发展。而对部分上行带宽需求特别大的行业应用（如多路8K视频上传，每路需要120 Mbit/s左右上行速率），目前5G中频段网络的上行能力仍显不足。
基于上述情况，下一阶段在我国发展5G毫米波，特别是将5G毫米波应用在对带宽、时延等指标有更高要求的行业场景，毫米波应在部分性能指标上相对5G中频段具有比较优势，能提供有竞争力的网络质量。5G毫米波的峰值速率与用户体验速率至少应与5G中频段基本相当，并着重弥补5G中频段的上行能力短板。基于与5G中频段网络能力的对比，建议5G毫米波的下行理论峰值速率高于1.745 Gbit/s，如达到2 Gbit/s或以上；上行理论峰值速率高于380 Mbit/s，如达到500 Mbit/s或以上。
2  5G毫米波关键特性分析
与5G中低频相同，5G标准对毫米波也采用了灵活的系统设计，支持灵活配置毫米波的子载波间隔、载波带宽与帧结构等关键系统参数；在组网方式上标准也支持毫米波与5G中低频协同组网或毫米波独立组网等多种方式。然而，从灵活的标准设计到毫米波的实际商用，需要根据应用场景需求等因素进行合理选择。
2.1  载波带宽与系统带宽5G标准可支持毫米波采用100 MHz、200 MHz或400 MHz的载波带宽，再通过载波聚合或双连接技术将多个载波聚合为更大的系统带宽。如图1所示，4个200 MHz带宽的载波可以聚合成800 MHz的系统带宽。不同载波带宽在网络覆盖、容量、用户体验方面各有优劣，总体上看，载波带宽越大，网络性能和网络可维护性方面越占优，但同时需要考虑实现复杂度等因素。基于这些考虑，在2020年的5G毫米波技术研发试验中，经研究讨论，在毫米波载波带宽上达成一致：毫米波基站、终端必选支持200 MHz载波带宽。至于系统带宽，在下行时隙为主的帧结构（如DDDSU）配置下，要满足上述2 Gbit/s或以上的下行峰值、500Mbit/s或以上的上行峰值需求，则系统带宽至少需要400 MHz。基于200 MHz载波带宽叠加多载波聚合技术，要充分发挥毫米波大带宽的优势，建议毫米波的系统带宽能达到800 MHz或以上。

图1  毫米波载波带宽与系统带宽

2.2  子载波间隔与帧结构子载波间隔是基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的5G系统的关键参数之一。子载波间隔越大，OFDM符号长度、时隙长度相应缩小，有利于在数据传输时减小时隙边界对齐时延、数据包传输时间等^[6]，整体上降低空口用户面时延；但子载波间隔越大，对抗多径能力变差^[4]。在5G毫米波技术研发试验中，综合考虑多方面因素影响，明确5G毫米波业务信道物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）/物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）的子载波间隔取120 kHz，相应一个时隙的长度为0.125 ms。
在帧结构上，5G标准支持以时隙为基础进行半静态配置和动态配置^[4-5]。基于120 kHz子载波间隔、0.125 ms时隙长度，5G毫米波技术研发试验中研究了下列3种帧结构。Option 1: DDDSU；Option 2: DDSUU；Option 3:DSUUU。
其中，D为下行时隙，U为上行时隙，S为特殊时隙（一个时隙包括14个OFDM符号，S时隙典型配置为10个下行符号、2个符号作上下行的保护间隔、2个上行符号）。这3种帧结构的周期都是0.625 ms，均通过半静态方式配置；区别在于下行时隙、上行时隙的比例不同，由此导致上下行峰值速率与容量上存在明显差异。
按照毫米波终端上下行2流MIMO传输、64QAM调制等典型配置，不同系统带宽、不同帧结构时终端的下行、上行峰值速率经计算如表2所示。表2  5G毫米波终端理论峰值速率

而对于覆盖、用户面时延等性能，经分析或仿真可以看出，上述3种帧结构的差异较小，不是影响帧结构选择的主要因素。
上述3种毫米波帧结构的周期均为0.625 ms，仅相当于2.6 GHz、3.5 GHz频段5G系统帧周期的1/4或1/8，有利于降低空口传输时延。实际测试表明，5G毫米波系统空口用户面单向时延可低至1 ms ~ 1.5 ms，明显低于5G中频段系统。
毫米波将面向室内外热点、大型场馆等应用场景，既有下行业务为主的场景，也要考虑上行业务为主的应用场景（如高清/超高清视频上传）。因此，从需求角度看，希望毫米波的帧结构能灵活配置，适应不同场景的需求。从技术可行性上看，毫米波具有传播与穿透损耗大、覆盖距离小的特点，具备根据局部区域业务上下行比例灵活设置帧结构的可行性。
在前期的5G毫米波技术研发试验中，毫米波基站、终端普遍支持上述Option 1（DDDSU）帧结构，这种帧结构以下行时隙为主，适合于下行业务为主的应用场景。针对上行带宽需求特别高的应用场景，当前业界也在逐步实现上述Option 3（DSUUU）等上行增强的帧结构，通过在时域上给上行链路分配更多资源，这样相同系统带宽上可大幅提升上行速率与容量。建议在5G毫米波的商用中根据具体应用场景对上、下行容量的不同需求，灵活配置帧结构。
2.3  波束管理与波束图样设计为了弥补信号传播损耗大的影响，5G毫米波采用了大规模天线技术，并基于实现复杂度、成本和功耗等因素综合考虑，采用数字与模拟混合波束赋形方式，在基站与终端间通过宽度较窄、增益较高的波束进行通信。考虑到基站需要覆盖一定的范围（如水平方向120°、垂直方向30°），因此系统需要设计一组窄波束，通过波束的扫描来实现无缝覆盖，这组波束的设计方案可称之为“波束图样”。由于终端移动或无线环境变化，需要对基站与终端间的收发波束进行管理，以维持基站与终端的收发波束对齐，保证良好的通信性能。为此，3GPP R15标准设计了包括波束选择、波束测量与上报、波束切换、波束指示等一系列机制来支持毫米波的波束管理过程^[7]。5G毫米波系统的波束图样设计，可采用如下两种方案。

方案 1：基于同步广播信息块（Synchronization Signal/Physical Broadcast Channel，SS/PBCH）的波束方案。方案2：基于SS/PBCH的较宽波束+基于信道状态信息参考信号（Channel-State Information-Reference Signal，CSI-RS）的窄波束相结合方案，即两级波束。
波束图样多采用水平与垂直结合的三维立体形式，即在垂直方向分为若干层，每一层在水平方向又分为若干个波束。图2是3种波束图样的示意图。其中，（a）是按照方案1设计的基于SS/PBCH的波束图样，垂直方向分为4层、每一层又分为6个波束，一共有24个波束。按照方案1设计的波束图样，业务信道与控制信道的发送、接收均基于SS/PBCH波束进行，波束管理过程相对简单。但由于SS/PBCH需要周期性发送，如果配置数目较多的SS/PBCH波束，则SS/PBCH将占用较多的时频资源开销。

图2  毫米波波束图样示例

图2中(b) (c) 均为按照上述方案2设计的两级波束图样，区别在于图( c) 中波束数目更多，波束更窄。以图(b) 为例，在一个较宽的 SS/PBCH波束（如“0”号波束）内又进一步基于CSI-RS设计细分为2个窄波束（即“0-0”“0-1”波束）。在这种两级波束图样下，较少数目的SS/PBCH波束有利于降低开销，有利于UE初始波束搜索；较多的CSI-RS窄波束可进一步优化波束，提升覆盖性能。
毫米波的波束图样设计需要综合考虑覆盖场景、系统资源开销、用户行为模式变化和实现复杂度等因素，根据实际应用场景合理选择。建议在今后的商用中，通过多种场景下的测试验证形成波束图样库，根据覆盖场景选择最优的波束图样。
2.4  5G毫米波的组网方式在组网方式上，存在5G毫米波与5G中低频协同组网或毫米波完全独立组网等多种方式。考虑5G毫米波覆盖距离小、易受遮挡等特点，5G毫米波可与5G中低频协同组网，利用连续覆盖的5G中低频网络为用户提供控制面连接，5G毫米波则主要提供大带宽的用户面数据传送。具体而言，5G毫米波与5G中低频的协同组网又有载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、双连接（Dual Connectivity，DC）这两种方式。所谓载波聚合，即 5G中低频作为主载波、毫米波作为辅载波，在无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层实现数据分流，分别在5G中低频、毫米波链路上传送。而双连接指5G中低频作为主节点，毫米波作为辅节点，在分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）层实现数据的分流。
面向工厂等行业应用场景，毫米波也可以完全独立工作，无需部署5G中低频基站，由毫米波基站承担控制面连接与用户面数据传送等所有功能。
在5G毫米波的后续商用中，建议根据应用场景的要求、5G中低频网络的可用性等因素，选择合适的组网方式，从组网层面为5G毫米波发挥优势创造条件。
3  对毫米波基站与终端产品技术规格的思考
根据应用场景的不同，当前5G毫米波基站主要有两类产品形态。一类是由基带单元（BaseBand Unit，BBU）与毫米波有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）组成的宏基站，发射功率较大、等效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）可达65~70 dBm，通道较多，以4T4R数字通道为主；宏基站可以覆盖较远距离和较复杂场景，主要用于室外热点作容量补充。另一类是微基站，其功率较小、EIRP一般在55 dBm左右，通道少，以2T2R数字通道为主；微基站体积小、重量轻，覆盖距离较小，主要应用于街边杆站或室内热点容量补充等场景。
为扩展5G毫米波使用场景，建议根据应用需求灵活定义基站产品规格，包括针对室外大容量场景进一步研发容量更大、规格更高（如8T8R数字通道）、支持MU-MIMO特性的宏基站产品；针对室内热点和工业厂区厂房等行业应用场景研发毫米波数字室内分布系统或毫米波一体化小站。
对毫米波终端，3GPP定义了多种终端功率等级（见表3）^[8]。毫米波手机需符合功率等级3。采用专门面向高功率用户驻地设备（Customer-Premises Equipment，CPE）的毫米波天线模块，CPE的功率可更高，达到功率等级1。通过5G毫米波技术研发试验的实测验证，高功率CPE可提升覆盖能力，特别是上行覆盖改善明显，用户的速率（特别是上行速率）也有明显提升。表3  毫米波终端功率等级及26 GHz频段主要指标要求

面向部分行业应用，毫米波需要提供更高的上行峰值速率与体验速率，从系统参数与产品层面可多方面进行针对性设计：上行采用更大频率带宽、采用上行增强的帧结构（如DSUUU）、采用高功率终端等。由于终端发射功率受限，单纯增大上行频率带宽会导致终端发射信号的功率谱密度降低，在实际工作时当终端与基站间传播损耗稍大就会导致性能下降，难以有效提升上行峰值与体验速率。因此，建议采用上行增强的帧结构必要时根据应用场景可采用高功率终端产品（如高功率CPE），在满足覆盖要求下可向用户提供更高的上行峰值与体验速率。在终端产品形态上，针对行业应用场景,可根据需求选择采用CPE或模组等不同形态。在终端产品实现上，为了有效应用上行增强的帧结构和高功率等特性，毫米波终端产品需要解决功耗、散热和工作稳定性等挑战。
4  结束语
为促进毫米波在我国5G下一阶段发展中的应用，需要业界共同努力，根据毫米波的应用场景规划产品特性与规格，提升毫米波产品性能，提高毫米波技术与产品的竞争力，支持商用部署。可以预见，5G毫米波将充分发挥超大带宽等优势，在5G中后期释放更高的技术红利，促进5G应用的发展。
参考文献
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Key characteristics analysis and application suggestions of 5G millimeter wave
XU Xiayan
(Mobile Communications Innovation Center, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)
Abstract: Compared with the capabilities of Sub 6 GHz 5G network, this paper analyzes the requirements for 5G millimeter wave technology and network. Based on the technical standards and test verification, this paper analyzes the basic system designs in detail, such as channel bandwidth, frame structure, beam management and beam pattern planning, then discusses the technical specifications of 5G millimeter wave base station and UE. Finally, it puts forward suggestions on 5G millimeter wave technology and products for commercial use.Keywords: 5G; millimeter wave; key characteristics; application suggestions

本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第7期

主办：中国信息通信研究院

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