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IMT-2020（ 5G） 推进组 高频 段 专题组技术报告 技术报告 Technical Report 版权声明 Copyright Notification 本文档由 IMT-2020（ 5G）推进组 高 频段 专题组成员单位起草 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2015 IMT-2020推进组版权所有 IMT2020(5G)技术组技术组 高频通信 技术报告 2 目录 第一章 高频通信概述 . 3 第二章 高频频段及信道传播特性 . 6 2.1 概述 . 6 2.2 大尺度信道模型 . 8 2.3 小尺度信道模型 . 26 2.4 高频信道参数分析 . 31 2.5 新特性建模 . 36 2.6 混合信道建模方案 . 42 第三章 高频空口系统技术 . 48 3.1 统一空口设计 . 48 3.2 高频波形 . 54 3.3 波束成型与跟踪技术 . 58 3.4 一体化接入与回传技术 . 64 3.5 干扰管理 . 65 第四章 高频部署场景及高频组网 . 67 4.1 高频部署场景 . 67 4.2 高频组网 . 71 第五章 高频器件 . 89 5.1 高频段通信系统架构 . 89 5.2 高频器件需求及挑战 . 89 5.3 高频器件发展趋势及国 内研究现状 . 91 5.4 小结 . 93 附录：成员单位列表（按字母顺序排列） . 95 参考文献 . 94 IMT2020(5G)技术组技术组 高频通信 技术报告 3 第一 章 高频通信 概述 未来的 5G 移动通信系统面临着超 大 的流量密度，超高的传输速率 , 更低的传输时延 以及更可靠的网络性能和覆盖能力 等需求 。 高频通信 技术是考虑在蜂窝接入网络中使用 6GHz 以上的高频频段进行通信的技术。目前业界统一的认识是研究 6-100GHz 的频段 2，该频段拥有高达 45GHz 的丰富空闲频谱资源，可有效满足未来 5G 对更高容量和速率的需求，用于传输高达 10Gbps 甚至更高的用户数据速率业务。 IMT-2020 高频通信 技术组重点 在高频信道测量与建模、高频新空口、组网技术、以及高频器件等方面展开深入研究。 对于高频段信号传播特性及信道建模问题，需要精确的测量和研究，这将 影响 到系统性能和技术方案的设计。针对传播特性研究和信道模型缺乏问题， IMT-2020 高频段技术组开展高频段典型频谱传播特性进行研究，对各种典型场景以及天线配置下的传播特性，搭建信道测量平台开展大量的信道测试，并基于测试结果开展信道建模，解决高频段移动通信研究信道基础模型的问题。 2016 年到 2017 年 的 3GPP/ITU 信道 模型标准化中， 中国企业成功主导了 3GPP信道模型 的 多个关键技术 ， 包括 Multi-zone Model， 空间一致性模型、室内模型参数化、 基于统计模型 和数字地图的混合 建模方法 及 模型 等 ， 并成功地被 3GPP/ITU 标准所 采纳。 其成果将用于指导高频段移动通信系统设计和 关键技术方案性能评估。 高频段移动通信系统具有频段高、带宽大的特点。高频段频谱的使用，使得信号传播过程中的路损和阴影衰落要远大于低频段频谱，如何解决好系统覆盖和高速数据传输问题；同时，大带宽可实现超高速数据传输，如何解决大数据高速可靠传输问题，这 些 问题是高频段系统需要面对 的 核心问题。通过在收发端采用多天线技术，实现大规模多天线自适应波束赋形技术、单用户 MIMO 技术可以有效解决高频段系统的传输信号质量问题以及高速传输数据问题，通过 多用户 MIMO 提升系统容量，通过波束赋形及协作传输解决覆盖问题，采用先进多天线信号检测、新波形调制研究，提升传输效率和覆盖范围。 高频段射频前端通过高集成、模块化、机电一体式的设计，满足高频段移动通信系统超宽带、超高速传输、尺寸、功耗等需求。通过完整、高功效、高性能、低成本的高频段射频前端的 研究和设计，实现高频段移动通信系统传输方案。 高频段频率高，波长短、损耗快，而且穿透能力差，受建筑物、树叶以及人体的遮挡效应明显，相比传统低频段蜂窝系统，存在大量的覆盖阴影。如何设计好高频段移动通信系统网络架构和组网，确保 高频通信 应用 于蜂窝系统中，将是高频段系统能够实用的重点和难点问题。为了保证 高频通信 系统 中用户宽带体验的一致性，需要通过高低频段融合组网技术，在传统蜂窝低频段为用户提供良好的高速移动性能保证基本业务连接，通过高频段为用户提供超高速宽带接入 连接 。为了解决移动 、 拐角等类似的效应，需要设计合理的高频段小小区快速发现机制，并通过宏蜂窝辅助控制高频段宽带链路快速删建，实现无缝的宽带业务体验，解决移动通信中业务质量一致性问题。 高频 段 用于无线通信 早在 IEEE802.11ad 的标准化 就 开始 了 大力 的研究 和 发展， 2013 年前后开始考虑用于移动接入的研究。目前业界在高频通信上已经展开了广泛研究 3： 三星在 2013-2014 年间发布高频原型机， 在 28GHz 的频点上使用 500MHz 带宽，平均速率达到 1.056Gbps 的数据速率， 2014 年进一步把峰值速率提升到 7.5Gbps。 诺基亚在 2014 年发布了基于 E-band 的高频原型机， 在 73GHz 的频点上使用了1GHz/2GHz 的带宽，峰值速率达到 2Gbps。 2015 年 11 月发布了基于 15GHz 的高频原型机，峰值速率达到 20Gbps。 IMT2020(5G)技术组技术组 高频通信 技术报告 4 爱立信在 2014 年发布了基于 15GHz 的高频原型机，在带宽 500MHz 下峰值速率达到5Gbps。 华为在 2014 年的巴展上发布了基于 E-band 的高频原型机，带宽 10GHz 的条件下把峰值速率推到 115Gbps，是目前首个超过 100Gbps 的高频样机。 2017 年 9 月 ，中国 IMT2020 推进 组完成了第二阶段的 5G 外场系统测试， 包括 华为、中兴、爱立信等公司成功展示了高频通信 的 外 场 测试，并通过测试。 高频通信的标准化工作也在如火如荼的讨论制定中， 有力的 促进了高频段在 5G 移动通信的应用和研究。近年来高频通信的标准化 主要事件包括： 2015 年 11 月 的 WRC-15 会议同意在下次 WRC 会议上研究分配 6GHz 以上的频谱以用于 IMT2020 系统使用，初步确定了数个频段优先研究 。 WRC-19 的高频议题设立成功，候选频段包括 24.25-27.5 GHz 、 31.8-33.4 GHz 、 37-43.5 GHz、 45.5-50.2GHz、50.4-52.6 GHz、 66-76 GHz 和 81-86 GHz 中的部分或全部频段。 2014 年 6 月， ITU-R WP 5G Vision Group 完成了有关 6GHz 以上的高频通信的研究报告，支持未来高频通信的研究和标准化工作。 2015 年 9 月， 3GPP RAN Plenary 会议上讨论了 5G 高频通信的标准化计划。传输所牵头由国内主要厂商联合签名的提案支持在 3GPP R15 及以后开始标准化 高频通信 。 2015 年 6 月， 3GPP 成立高频信道建模的 SI， 9 月份进一步讨论了信道建模的需求、场景等 。 2016 年 1 月 3GPP 启动 5G 信道建模的标准化，并于 2016 年 6 月完成 TS38.900信道模型 标准 初稿 。 2017 年 3GPP 对 5G 信道 进一步 优化和扩 展 ， 并在 TS38.901 中 完成了第二版本的信道模型标准。 同年 ， ITU 在 3GPP 信道 模型基础上 修正 ，形成了 ITU的 信道模型标准。 中国企业成功主导了 3GPP 信道模型 的 多个关键技术 ， 包括 Multi-zone Model， 空间一致性模型、室内模型参数化、混合 信道 模型 等 ， 并成功地被 3GPP/ITU 标准所 采纳。 2016 年 4 月 启动 3GPP NR R15 WI 的 标准化工作 ， 明确高低频空口统一设计。 2016 年11 月 ，中国企业主推的 Polar 码 接受成为 3GPP 标准。 2017 年 12 月， 3GPP 完成 5G NR NSA 标准 ，是 3GPP 第一个关于 5G 的标准版本。 IMT2020(5G)技术组技术组 高频通信 技术报告 5 图 0-1 3GPP NR标准化时间表 我国在 2012 年成立了 IMT-2020(5G)推进组 1，由传输所牵头，组织国内 企业 和高校开展5G 技术研究和标准化工作。 2013 年 3 月， IMT2020 推进组的技术组成立了 高频通信 技术 子 组，正式开展高频通信技术研究。 近两年来，高频通信技术 子 组得到了领导和广大成员单位的大力支持，在参会人数和提案数方面，都居于各技术 子 组前列。 2015 年 IMT2020 推进组发布的系列 5G 白皮书中，高频通信技术作为核心技术确定了所研究的技术方向。 2015 年至 2017 年 期间，中国 5G 推进组 在 北京怀柔开展了 5G 的外场测试，包括华为、中兴、大唐、爱立信 等 公司都参与了 5G 测试 ， 2017 年 底完成了第二期外场测试。 5G 高频通信的可选频段涵盖授权频谱和非授权频谱、对称与非对称频谱等资源来提升系统容量和用户体验。高频研究要从信道测量和建模为基础，分析不同高频频点的传播特性，同时考虑高频器件的约束 , 依此设计高频的新空口。高频新空口要求在不同的频点有统一的空口体系 . 高频信号在移动条件下，易受到如障碍物、反射物、散射体以及大气吸收等环境因素的影响，高频信道与传统蜂窝频段信道有 着明显差异，因此需要对高频信道测量与建模、高频新空口、组网技术、以及器件等内容开展深入研究。 图 0-2 高频通信关键技术 本报告总结了近两年来高频通信技术 子 组的研究成果。高频频谱及信道测量建模是高频通信的首要研究工作，第二章小结了当前在大小尺度 信道 建模上的工作；第三章小结了高频空口系统技术，从统一空口、波束成型与跟踪、波形、调制等方面展开研究；第四章高频部署场景及组网小结了高频通信的典型 应用 场景，给出高频 组 网方面的初步考虑。第五章小结了当前高频器件的研究现状，重点体现了国内高频器件的研究成果及现状。 第 六章小结了 5G 高频的 外场测试方法和进展。 本报告感谢 IMT2020 技术组的大力支持，撰写中得到了华为、中国电信、中国移动、中兴、大唐 、 高通 等企业 以及 东南大学 、 上海无线中心 等 高校 及研究机构 的大力支持，也感谢 IMT-2020 高频通信技术组各成员单位的参加和支持！ IMT2020(5G)技术组技术组 高频通信 技术报告 6 第 二章 高频频段及信道传播特性 高频频段及信道特性研究 以 6-100GHz 为当前研究范围，涵盖授权频谱和非授权频谱、对称频谱和非对称频谱、连续频谱和离散频谱等。面向未来 5G 潜在 的候选频点，结合业界信道成果，研究高频候选频 段 的信道传播特性 及 信道模型，分析和评估高频 段 的适用场景。 2.1 概述 由于高频传播特性的不确定性， 3GPP 在 2016 年 6 月的第 72 次全会上启动 5G 高频信道模型（ 0.5 100GHz）的研究工作。 6-100GHz 高频信道传播具备独特性，在 3GPP 组织 6-100G高频信道建模研究中，来自各 国家和 地区的组织 、 运营商 及 制造商共同探讨研究高频信道传播特性，其中华为公司代表中国地区牵头室内热点场景信道参数化建模，提出 multi-zone，空间一致性， LOS 概率， O2I 模型等高频重要传播新特性，取得了坚实成果。 随后 ITU-R WP5D 在第 27 次会议上也启动了关于 5G 信道模型的研究工作，为后续 5G 的评估 工 作 做准备。在 标准研究 之前，各个地区的学术和工业组织 相继 启动了 高频传播模型的研究工作， 包括中国的IMT2020 推进组、 METIS、 MiWEBA、 COST2100、 IEEE802.11/15.3c、 QuaDRiGa、 mmMAGIC、5GCMSIG 等。 高频 信 道 建模主要包含两种方式，一种是基于大量测试数据的统计信道模型（ statistic model），另一种是基于地图环境通过射线追踪并叠加部分统计特性的混合模型（ Map-based Hybrid model）。 统计模型主要是利用实际测量中得到的信道 统计参数，如时延功率分布、角度功率分布等统计特性对信道模型进行描述，并通过随机参数的生成来建立或者模拟实际中的信道情况。这种方法在 ITU 4G 评估 1以及 3GPP56的评估中被广泛使用。而射线追踪的模型主要是通过对传播环境的确定性建模，并考虑电磁波传播的几何特性以及电磁特性进行仿真建模 7。 同时，为了凸显高频段与低频传播特性的区别， 5G 高频信道模型中还引入了更多与高频相关的新特性 ，包括：阻挡模型、 空间一致性模型和角度 模型 等。 高频段 专题 组基于国内高优先级频 段 开 展 联合测量 和 信道分析工作 。 目前 涵盖的 5G 候选频 段 主要包括 6GHz、 15GHz、 28GHz、 45GHz、 60GHz 和 72GHz 等。 实际测量的场景主要包括室内走廊、小型会议室、开放式办公室、商场 等 ，室外场景主要延续 4G 时代的室外微小区（ micro cell）覆盖场景 。由于高频面临着更大的传播损耗的问题，所以实际测量优先从室内和短 距离覆盖场景展开。而考虑未来 5G 将是大带宽高速率的移动网络，室外移动场景的部署也将是一个非常重要的场景。 IMT2020(5G)技术组技术组 高频通信 技术报告 7 图 0-1 国内多家单位的联合测量 目前高频信道包含 IMT-2020 下多家厂商的测量结果，其具体分布情况如下。 表 0-1 大尺度测量 场景 LOS/NLOS 频点 FI拟合方法 /阴影衰落 CI拟合方法 /阴影衰落 华为 Office LOS/NLOS 28/73 GHz 有 有 小型会议室 LOS 28/73 GHz 有 有 UMI-SC LOS/NLOS 28/73 GHz 有 有 UMI-O2I 28/73 GHz 同济大学 教室 LOS 15GHz 上海无线中心 走廊 LOS 15GHz 有 UMI LOS 15GHz 有 大唐 /华北电力大学 Office LOS/NLOS 26GHz 有 有 UMI 26GHz 规划 北邮 Office LOS/NLOS 28GHz 有 有 Shopping mall LOS/NLOS 28GHz 有 有 中兴 /东南大学 小型会议室 LOS/NLOS 23/28/45GHz 有 有 Living room LOS/NLOS 23/28/45GHz 有 有 UMI LOS/NLOS 23/28/45GHz 进行中 进行中 CMCC UMI-SC LOS/NLOS 6/14GHz 有 有 Shopping mall LOS/NLOS 14GHz 有 有 Office LOS/NLOS 14GHz 有 有 Office LOS/NLOS 28GHz 有 有 Office LOS/NLOS 26GHz 规划 规划 MTK/ITRI UMI LOS 38GHz 有 有 Shopping mall 38GHz 北京交通大学 走廊 LOS 15GHz 有 表 0-2 小尺度测量 场景 LOS/NLOS 频点 时延扩展 K因子 AOA/AOD 角度扩展 IMT2020(5G)技术组技术组 高频通信 技术报告 8 同济大学 教室 LOS 15GHz 有 有 单边 大唐 /华北电力大学 Office LOS/NLOS 26GHz 有 有 单边 北邮 Office LOS/NLOS 28GHz 2.39ns/30ns Shopping mall LOS/NLOS 28GHz 2ns/12ns 中兴 /东南大学 小型会议室 LOS/NLOS 23 /45GHz 有 有 双边 UMI LOS/NLOS 23/28/45GHz 进行中 进行中 CMCC UMI-SC LOS/NLOS 6/14GHz 有 Shopping mall LOS/NLOS 14GHz 有 Office LOS/NLOS 14GHz 27.78ns/37.67ns Office LOS/NLOS 28GHz 有 华为 小型会议室 LOS 28/73GHz 有 有 开放式办公室 LOS/NLOS 28/73GHz 有 有 UMI-SC LOS/NLOS 28/73GHz 有 有 上海无线中心 Office LOS/NLOS 15GHz 有 有 初步测量表明，频点越高，信道传播路损越大。由于大部分场景测量必须采用高增益的定向天线来保证测量范围，高频信道表现出来的一个新特征是信道特征比较依赖所采用的天线形态，如传输损耗、时延扩展和接收功率角度谱等随着所使用的天线形态不同而发生较大的变化，因此信道测量如何与天线形态解耦是下一步研究的重点之一。信道传输损耗方面，采用了业界公认的 Close-in Reference 和 Floating Intercept 两种不同的路损模型分别提取参数。初步结果表明：测量数据不足的情况下 Close-in Reference 模型 更加稳健，当有足够的测量数据情况下，采用 Floating Intercept 模型更加合理。 2.2 大尺度 信道 模型 大尺度损耗主要是根据实际测量的结果拟合路径损耗随着距离变化的关系。同时，每个样本点相对于拟合公式的波动被认为是阴影衰落的统计。 3GPP 标准 38.901 中路径损耗模型定义如 表 0-3 所示： 表 0-3 3GPP 38.901 路径 损耗模型 场景LOS/ NLOS路损值 阴影衰 落 适用范围以及天线高 度 RMaLOS km10m10 2DBP2 BP2D1L O SR M a ddPL ddPLPL3D1072.13D1072.13D101 )(l o g002.0)77.14,044.0m i n ( )(l o g)10,03.0m i n ()3/40(l o g20 dhh dhfdPL c )/(lo g40)( BP3D10BP12 dddPLPL 4SF6SF 35mBShm5.1UThm20W m5h m50m5 hm50m5 WIMT2020(5G)技术组技术组 高频通信 技术报告 9 NLOS),m a x ( N L O SR M aL O SR M aN L O SR M a LPPLPLkm5m10 2D d )974)7511(log23()(log20 )3)()(log(log134243( )(log)/(733724( )(log57)(log17041612UT10103D10BS10BS102BS1010NLOSRMa.h.fdh.hhh.h.+W.LPc 8SF m1500m1 BS hm10m1 UT h UMaLOS km5m10 2DBP2 BP2D1L O SU M a ddPL ddPLPL )(l o g20)(l o g220.28 103D101 cfdPL )()(l o g9 )(l o g20)(l o g400.28 2UTBS2BP10 103D102 hhd fdPL c 4SFm5.22m5.1 UT h25mBSh NLOS),m a x ( N L O SU M aL O SU M aN L O SU M a LPPLPL km5m10 2D d )5.1(6.0l o g20 l o g08.3954.13UT103D10N L O SU M a hf dLPc6SF m5.22m5.1 UT h25mBS h Optional 3D1010 l o g30l o g204.32PL df c 8.7SFUMi街道LOS km5m10 2DBP2 BP2D1L O SU M i ddPL ddPLPL )(l o g20)(l o g214.32 103D101 cfdPL )()(l o g5.9 )(l o g20)(l o g404.32 2UTBS2BP10 103D102 hhd fdPL c 4SFm5.22m5.1 UT hm01BSh NLOS),m a x ( N L O SU M iL O SU M iN L O SU M i LPPLPL km5m10 2D d )5.1(3.0l o g3.21 4.22l o g3.35UT103D10N L O SU M i hfdLPc82.7SFm5.22m5.1 UT h m01BS h Optional 3D1010 l o g9.31l o g204.32PL df c 2.8SF 室内办公室场景LOS )(l o g20)(l o g3.174.32 103D10L O SI n H cfdPL 3SF m100m1 3D d NLOS),m a x ( N L O SI n HL O SI n HN L O SI n H LPPLPL cfdLP 103D10N L O SI n H l o g9.2430.17l o g3.38 03.8SFm86m1 3D dIMT2020(5G)技术组技术组 高频通信 技术报告 10 Optional 3D1010N L O S-I n H l o g9.31l o g204.32 dfLP c 29.8SF m86m1 3D d 注释 1: 断点距离 dBP = 4 hBS hUT fc/c,，这里 fc是以 Hz为单位的中心频点， c = 3.0108 m/s是自由空间里的光速， hBS 和 hUT 分别是基站天线和移动端天线的有效高度。有效高度 hBS 和 hUT 可以按照如下方式计算： hBS = hBS hE, hUT = hUT hE，这里的 hBS和 hUT是天线的实际高度， hE是环境的有效高度。 对于 UMi场景来说， hE = 1.0m. 对于 UMa 场景来说， hE = 1.0m 以概率 1/(1+C(d2D, hUT) 成立，它的选值服从在 (12,15,( hUT-1.5)内的均匀分布。其中 C(d2D, hUT) 可以被给出为： m23m13,1013m13,0,UT2D5.1UTUTUT2D hdghhhdC, 其中 2D2D32D2D2D m18,150e x p10045m18,0dddddg. 需要注意的是 hE依赖于 d2D和 hUT，因此它需要在每个基站和移动端的链路中来单独决定。基站的位置可以是单个基站的位置，也可以是基站群的位置。 注释 2: 表中 PL公式的适用范围是 0.5 7 GHz 的 RMa场景的路损模型的有效性是基于 24 GHz 的测量结果。 注释 3: UMa NLOS 场景的路损是来自于 TR36.873 中的简化公式，并且 Uma LOS室外场景的路损为 PLUMa-LOS = Pathloss。 注释 4: PLUMi-LOS = Pathloss 是 UMi街道室外 LOS场景的路损。 注释 5: 断点距离 dBP = 2 hBS hUT fc/c，其中 fc是以 Hz为单位的中心频点 , c = 3.0 108 m/s 是自由空间中光速，并且 hBS和 hUT分别是基站和移动端天线的高度。 注释 6: fc表示的是按照 1GHz做归一化之后的值，如果没有特别说明，所有距离都以 1m为单位做归一化。 考虑到实际部署的需求，高频测量场景分为走廊、室内办公室、室内商场、室外几个大类。 2.2.1 走廊场景 走廊场景由于场景比较简单，空间影响的因素较少，多数信道测量的工作都会从走廊场景做起 ， 而走廊也 是一个典型的部署场景。 以下包含了交通大学、上海无线中心的测量结果。 错误 !未找到引用源。 和 错误 !未找到引用源。 给出了走廊场景环境的示意。