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Massive MIMO:无线网络打开新篇章

2017-07-26 文/邸勇

无线网络的演进,不单是带宽的体现,更是代表了新兴的万物互联、高品质的内容,以及更好的用户体验的价值聚合。Massive MIMO大规模有源天线阵的5G技术4G化规模应用,让无线网络提前摆脱频谱资源缺乏的瓶颈,让移动互联网的价值得到增强。

据预测,到2021年,全球移动数据流量在2016年的基础上将增长7倍,移动数据中视频业务占比将超过78%,每部智能终端平均每月数据流量需求将超过15GB。基于依赖频谱资源扩展网络容量和空口带宽共享技术的无线网络,面临着空前的挑战。

让我们抛开冗长繁琐的技术细节,如今的无线4G网络,最大瓶颈是什么?除了受终端功率限制传输距离这个不可逾越的物理障碍,我们发现同一个无线网络内,设备越多,网速越慢;机场、体育馆、广场、地铁等公共场所人多时,不管用的是什么手机,想看个小视频,网速慢得简直难以忍受。原因很简单,现有无线网络技术,在有限的无线频谱资源下,带宽对小区内所有终端共享,面对新应用的流量需求,显得杯水车薪,最终的用户体验大打折扣。

创新技术Massive MIMO带来曙光

Massive MIMO(大规模多输入多输出,又名大规模有源天线阵)技术,通过多用户空间独立性,在空间对不同用户形成独立的窄波束覆盖,基于用户的空间隔离系统同时传输不同用户的数据,从而数十倍地提升系统吞吐量。理论分析表明,当Massive MIMO的天线数趋于无穷时,各用户信道之间趋于正交,系统容量只与用户数量相关;实际商用网性能表明,即使用有限的64T64R天线数的Massive MIMO,也可大幅提升近十倍的单用户链路性能和4–8倍的系统容量。

三年一剑,经受考验

Massive MIMO大规模有源多天线描绘了美好的愿景,但对于基站需要耗费大量的资源,进行大规模天线的导频信道估计及空分计算,长期以来没有得到商用。华为经过多年努力,结合TDD的信道互易性在多天线领域的研究,做出了创新和突破,联合中国移动于2014年9月推出全球首台实验室Demo测试样机,于2015年9月推出第一台Massive MIMO商用样机。在2015年底及2016年初,北京移动、东京软银分别开通了Massive MIMO商用测试站点,单载波实测速率超过650Mbps,一举打破无线通信领域频谱资源短缺的魔咒。

在过去一年里,华为与全球20多家领先运营商合作,进行Massive MIMO应用于移动通信领域的各种商用场景验证,以及严酷的测试工作,频段覆盖2.3GHz、2.6GHz、3.5GHz等TDD主流频段,为Massive MIMO商用部署奠定了坚实基础。

诠释品质,彰显价值

全球数百个商用试点表明,Massive MIMO不仅给运营商提升数倍的频谱效率,减少频谱租赁,室外覆盖也扩大近一倍;相对于传统加密站点带来的同频干扰问题,Massive MIMO站点的精准赋性及零陷技术,不仅可提升边缘的速率,还大大减少站间干扰;室内楼宇覆盖更是天生绝配,Massive MIMO的3D赋形直接解决城市70%以上的室内覆盖。

TDD Massive MIMO仅需改造网络侧设备,即可直接施惠所有新老用户,给电信业务的延续性提供保障;其次,Massive MIMO可直接演进到5G,硬件能力已经具备,进一步保护了运营商的投资。中国移动与软银对此提出了4G网络5G化的理念,加速了Massive MIMO全面商用进程。

值得一提的是,Massive MIMO陆续获得2015年度GTI“最佳创新解决方案与应用杰出贡献奖”,2016年度GTI“特别产业贡献团队奖”和“解决方案网络创新奖”,2017年世界移动大会“最佳移动网络基础设施奖”。

商用现状

中国移动:无线网络“三高一限”应对利器

从首个上海浦东的Massive MIMO站点2015年9月开通试运行,到全中国30多个城市的陆续开通,华为联合中国移动全方位验证及测试Massive MIMO在三高一限(高楼、高话务、高干扰、上行受限)的各种商用场景,为全国的大规模商用铺平了道路。

容量提升:Massive MIMO的商用部署有效释放压抑的流量;持续的话统表明在大学校园、商业街、交通枢纽、场馆等业务热点,其容量相对8T8R提升3–6倍,CBD、高层住宅楼宇平均也提升3倍以上;一个小区有效承载原有网络三个载波以上的业务量。

覆盖提升:Massive MIMO三维波束赋形,可有效提升水平覆盖及垂直覆盖能力,相对于原来只能靠室内专网覆盖,现在通过一面Massive MIMO同时覆盖高楼层和低楼层,轻松穿透两堵墙面,最大程度解决高层楼宇的覆盖问题。

体验提升:Massive MIMO突破网络感知瓶颈。在小区接入200个用户以上的大话务情况下,传统8T8R宏站方案已无法满足用户实时业务体验诉求,然而Massive MIMO在接入用户超过600时,依旧可以持续确保用户上下行感知要求。

日本软银:全球首个“5G Project”

软银移动从2015年底第一个测试外场,2016年底40多个城市100多个站点的商用开启,Massive MIMO在日本经历了严格苛刻的各种应用场景的模拟演练,促使软银在2016年9月正式发布“5G Project”,将Massive MIMO技术正式投入商用。

容量提升:Massive MIMO技术通过大规模天线,以及波束赋形,精确覆盖每个用户,即使在车站、闹市等通信需求量大、速度容易变慢的密集场所,用户也可以得到高速率的通信体验,在100多个已商用Massive MIMO站点的小区,平均速率都可稳定在400Mbps以上,小区平均吞吐量提升6.7倍,用户体验速率提升10倍以上。

竞争力提升:Massive MIMO作为2020年实现超高速、大容量的“5G”的通信领先技术之一,规模商用部署让日本软银提供持续领先的无线网络体验,结合极具竞争力的业务流量包,吸引了更多用户。

未来应用展望

无线网络的演进,不单是带宽的体现,更是代表了新兴的万物互联、高品质的内容,以及更好的用户体验的价值聚合。Massive MIMO大规模有源天线阵的5G技术4G化规模应用,让无线网络提前摆脱频谱资源缺乏的瓶颈,让移动互联网的价值得到增强。

Massive MIMO下多用户空分复用,集合了系统大容量和单用户高速体验的双重特性,既像超宽载波资源那样可以提供G量级超大小区吞吐量及超大用户容量的震撼体验,同时具有有线网络的带宽独享、QoS保障的特征,因此成为了下一代无线蜂窝网的新趋势。根据预测,到2017年底,全球Top100运营商中,超过九成将会开始部署Massive MIMO,这是一个潜力巨大的市场。

Massive MIMO给运营商开展无线宽带普遍服务开辟了历史机遇。我们可以展望,无线网络的无限潜力将会呈现在以下各类运营创新及业务创新上。

Unlimited套餐引爆无线流量:2016年以来,用户对高清视频、实时游戏的热切期待,促使越来越多的运营商发布了不限流量的大套餐包。同时,更多运营商联合在线服务商后向经营,引发了无线宽带无限流量的流行,如KDDI首推的无限流量的Smartpass业务、菲律宾Digitel的FaceBook业务上不封顶,中国运营商与互联网企业合作进行的包月不限流量套餐。不限流量的运营模式创新,直接释放了压抑已久的个人无线宽带需求。

“光纤级专线”接入升级家庭宽带:在2014年,华为率先提出WTTx(Wireless to the x)无线家庭宽带解决方案,以助力消除全球家庭数字鸿沟;并且在2016年全球移动宽带论坛(东京)期间,发布了基于Massive MIMO的WTTx 2.0,从宽带能力、网络融合、运营维护、业务承载四个维度全面提升。WTTx 2.0支持单用户光纤级的宽带接入能力,能同时承载更丰富的业务,比如IPTV、Smart Home(智慧家庭),实现数字家庭向智慧家庭的演进。

“富余”容量掘金垂直行业:无线网络带宽共享的特殊性,造就行业客户一直以来需要使用专用的频段承载业务并保障其QoS。Massive MIMO通过空间复用带来频谱资源高度复用,上行带宽增长数10倍,给运营商发展企业应用提供了商机。无线视频监控、无线流媒体信息终端、AI机器人、人工智能等,都将是无线宽带在价值行业的应用体现。

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