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新一代移动通信综合试验平台研发

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我是东南大学的王东明,我介绍的就是近几年,还有未来几年我们正在研发的,包括5G,还有后期6G试验系统的综合试验平台,介绍一下我们的一些最近进展。

首先介绍一下5G正在向6G演进过程中的一些进展,就是我们称为B5G/6G,还有我们紫金山实验室对6G的一些观点。

首先我们知道,驱动5G发展的一个原因,就是高吞吐量数据业务的需求,包括AR/VR这些高带宽业务的需求。另外,我们也可以看到,近几年,包括未来几年数据业务的需求仍然是爆炸式增长,这也是持续推动移动通信不断地向B5G/6G演进的一个推动力。

从5G演进的过程中,还有包括6G研发过程中,我们可以看到我们还需要进一步提升频谱效率,并且像这种低时延、高可靠性的业务,特别像V2V、V2X这些业务对时延的要求也非常高,这也是它的一个很重要的指标。

我首先介绍一下5G,我们知道5G的第一个标准已经被冻结,当然现在也在做一些后续研究。在后续研究里面,我主要介绍一点,就是对干扰的解决问题,因为在5G的部署过程中,特别是频段的这些部署使得基站的节点越来越密集,越来越密集节点的部署会导致小区的干扰越来越大。

另外一个,在5G的标准中引入了非常灵活的双工技术,这些灵活双工技术的应用会导致干扰会更加复杂,一会儿我们可以看到。当然还有在5G向后续6G演进的过程中,可能会用到全双工,就是在一个基站的节点上进行同时同频的收发,这个也会增加很多的干扰。

当前在学术界提出了无小区的大规模MIMO,大家可以看到最左边的是一个集中式MIMO的应用。第二个是密集分布式MIMO,或者叫大规模分布式MIMO,就是通过部署相当于把集中式MIMO的天线分散到整个小区内各个地方,使得这个小区的覆盖会比较均匀。当然,虽然这种分布式MIMO可以获得更好的覆盖,但是仍然没有打破现有的这种小区的结构,使得仍然存在小区边界的效应,在小区边界的时候性能仍然会遇到一些瓶颈。

在2015年提出的无小区的大规模MIMO,在2015年我们也提出来采用大规模分布式多天线来解决这个小区传统蜂窝的结构。就是说我们可以把整个南京市的基站作为一个超级大的基站,当然只是理论上,实际上现在5G的部署中采用分离,也使得这种情况变成可能,就是我们可以用分布单元的池化来实现基站的云处理,可以通过大规模的协作,增加这种协作的规模。但是我们在实现的过程中,使得它在物理层通过这种实现解决这种大规模的协作。

这是最近提出来的这种无小区大规模MIMO,我们认为这是在5G向6G演进的过程中可以解决这类干扰问题的一个非常核心的一项技术。

在这种核心的技术下,近期我们又提出了自由双工的解决方案,“自由双工”这个名词应该是中国中兴通信提出的这个名字,至少我调研应该是中国中兴通信提出来的。但是他们没有给出这种实现方案,我们认为在这种MIMO之下可以实现free duplex,这个有一个很大的问题就是交叉链路干扰,目前也在解决这个问题。

简单来说,看到这个虚线,最上面的两个基站,左边的这个用户处于发射状态,右边那个用户处于接收状态。基站有一个是在发射,右边橙色的基站在发射,在发射的过程中会对正在接收的基站产生干扰。而在处于发射状态的终端会对另外一个手机用户产生干扰,这就叫交叉链路干扰。这种情况在什么时候会遇到呢?会在TDD或者FDD灵活双工的时候遇到。我们举一个TDD的例子,中间会有一段交叉干扰的状态,这是现在5G中灵活双工中面临的一个干扰问题。

另外一个,未来如果部署全双工基站的时候,当然现在还在部署现有的这种双工模式的基站,这种混合部署的时候也会出现这种干扰或者是未来大家全都是全双工基站的时候,基站之间仍然会存在这种交叉链路的干扰。我们认为如果是在这种cell free架构下,我们可以在一个中心处理单元或者我们可以把它称之为DO池化处理的地方,可以把上下行的信号都收到之后,可以用干扰抵销上下行的干扰,另外通过这种灵活的调度避免上行用户对下行用户之间的干扰。

这是我们认为cell free在5G向6G演进过程中的一些应用。

6G技术展望,首先是要泛在普适无线移动通信。6G正向天地融合发展以实现全覆盖,发展卫星移动通信还事关我国战略安全,急需抢占卫星轨道资源。这是为什么你看到这么多资本界的大佬提出了非常雄心的占领地轨卫星资源的计划。

另外一个,也是得益于现在5G一些技术的发展,在卫星通信技术中的应用,使得高通量卫星这个技术也确实得到一个解决。

另外就是全频谱,因为高频谱资源非常丰富,低频谱资源已经被占用了,我们认为6G将向毫米波、太赫兹和可见光等高频发展,我国在该方向研究基础与世界先进水平有明显差距。

另外一个,6G将面向全社会、全行业和全生态实现全应用,正与大数据及人工智能深度交叉融合,有可能颠覆现有技术途径。

在信号处理角度,我们认为可能会有一些神经网络解决一些编辑码或者传输的算法,会使得成本、复杂度有所降低。

我们实验室主要是针对软件无线电,是从90年代初开始研究的,最早的观点就是说我们通信里面的AD之后和DA之前的数字信号都可以通过软件来实现,这得益于什么?为什么近期发展这么快?就是因为得益于像AMD、intel CPU、GPU的发展都非常强。

目前一些研究的开源的5G和开源的4G,当然开源的4G相对成熟一点。开源的4G,现在SRS也做了FDD,这个是完全开源的,大家可以去下载,可以购买这个软件,现在就可以搭建FDD的平台。

这个是AIR的平台,当然最高效的是amarisoft,包括FDD和TDD。

我们在紫金山实验室的支持下,建立这样开发式云架构的移动通信试验平台,包括移动通信的硬件,这是通信的一些硬件。

另外就是交换网络,我们基站的所有处理都在计算中心,通过通用服务器来进行处理。硬件和服务器之间采用实际的以太网接口,这样的好处就是前端化了以后,我们只需要把前端的一些跟网络之间的接口,可以称之为驱动,把它做好之后,就可以完全用服务器做里面试验算法的研究。

这是我们建的整个平台,这个是在我们无线谷A一楼的计算中心,左上角是大规模天线,1024天线,这个是大规模分布式天线,照片中是32根天线,我们在无线谷A1的四楼布了120根分布式天线。右上角是可见光的试验平台,右下角是毫米波的试验平台,都可以很方便地接入到我们的中心。

这个是我们做的支撑硬件,这是基带的收发机。右边是我们正在开发的想基于毫米波的收发机的解决方案。

这个是我们在前端,在紫金山实验室的支持下,也在做毫米波全集成的RF前端,我们主要解决的是这样的问题,就是我们要想把毫米波的RF前端,包括天线、射频全部都集成在一个芯片里面,我们通过ARP加上射频的芯片,把它封装在一个模块里面,形成一个相控阵的模块。通过这种模块的拼接可以拼接成更大的阵列,通过解决它里面的一些通道一致性校准,还有分布式时钟等等问题,可以把这些模块完成一个很大的阵列。

紫金山实验室这个课题,这个芯片会在2019年下半年完成。

这个是我们的支撑软件,高性能的基带处理库,我们还做了开放式软硬件接口,各种试验场景,包括毫米波,还有分布式时钟等等这些。我们做的比较出色的一个工作,就是编辑码实时性的处理。这还是去年的一些结果,我们可以在CPU的一个核上实现60兆BT每秒,这个是基于CPU128做的,我们现在如果是512的话,它的吞吐量至少是这个4倍。

这是我们收发的方案,就不再多讲。

最后介绍一下我们测试的结果,这是我们做的大规模分布式MIMO,实际上这个大规模分布式MIMO是没有小区的概念,所有的基站全是连在我们的计算中心去处理的。我们的载频是3.5GHz,100MHz带宽。

这个是测试的结果。

在这个测试中,我们可以用100兆带宽传输,吞吐量可以达到10GBPS,就是它的频谱利用率可以达到100比特每赫兹左右。我们在5G通过大规模分布式MIMO,可以达到100比特每赫兹。

介绍一下我们在后续研发的一些计划,我们在紫金山实验室的支持下,正在做能够支撑512天线无小区的MIMO的这个试验验证,我们希望能够进一步地突破这个频谱效率,我们主要是想从理论上看一下这个频谱效率的极限会有多少。在一定的空间下,我们通过部署更多的天线,我们想知道这个频谱效率的极限到底有多大,我们期望能够达到1000b/s/Hz。

我们支撑自由双工的无小区大规模MIMO,想看一下是不是可以解决更加灵活的空域双工无干扰的问题。

第三个,我们正在做高吞吐量毫米波相控阵的试验系统,主要是为了射频前端的一些验证和演示。

还有就是我们在国家重点研发计划的支持下,我们未来四年会做一个支撑毫米波大规模分布式相控阵的试验系统,因为我们射频前端的带宽大概是2G赫兹带宽,我们希望能达到0.2Tbps,这样的话可以达到准Tbps的传输。

我的介绍就到这里,谢谢大家!