Post on 08-Jul-2020
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富士通の5G超高密度分散アンテナへの取り組み
0
ワイヤレス・テクノロジー・パーク WTP20175G Tokyo Bay Summit
富士通株式会社
モバイルトラフィックの増加
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日本のトラフィック推移
Source: 「移動通信トラヒックの推移」 総務省 情報通信統計データベース
1.475 = 6.9 5年で7倍1.4710 = 47 10年で50倍1.4715 = 323 15年で300倍
Source: Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2016–2021
世界のトラフィック予測
Exabyte
=1018 byte
CAGR: Compound Annual Growth Rate
5Gの要求条件
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Source:ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group White Paper (08/2014)
高速伝送
大容量
低遅延
大量デバイス
低消費電力
高速移動
Maximum system capabilities of 5G RAN (ARIB)
M.2083-03
User experienceddata rate(Mbit/s)
100
Spectrumefficiency
IMT-2020
3´
500
1106
10
20
100´Mobility(km/h)
Latency(ms)
Connection density
(devices/km )2
Networkenergy efficiency
Area trafficcapacity
(Mbit/s/m )2
Peak data rate(Gbit/s)
10
1´
400350
10105
10´1´
10.1
1
IMT-advanced
Enhancement of key capabilities from IMT-Advanced to IMT-2020
Source: Recommendation ITU-R M.2083-0 (09/2015)
富士通の大容量化への取り組み
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低SHF帯での超高密度基地局 5Gの早期実用化を目指し、低SHF帯での基地局高密度化に着目
NTTドコモと5Gの実験協力で合意(2014年5月)
容量1,000倍以上
基地局高密度化で
50倍~
(LTE比)
小セル化周波数利用効率向上 帯域拡大× ×
新しいテクノロジーで
4倍程度高周波領域活用で
5倍~
小セル化大容量化の
ポテンシャル大
既存周波数帯 高周波数帯における広帯域幅利用
周波数
低SHF帯3-6GHz
高SHF帯6-30GHz
EHF帯> 30GHz
UHF帯Ex. 800MHz, 2GHz
>1000
高密度化の課題と解決策
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容量1,000倍以上 (LTE比)
=10005倍~
帯域拡大周波数利用効率向上
基地局の高密度化
× ×
4倍程度 50倍
基地局密度
面的容量期待性能50倍
18倍
36018倍
超高密度分散アンテナ制御
×ダイナミック仮想セル制御
3倍以上
50倍以上
>1000
干渉影響
3倍改善
ダイナミック仮想セル制御技術
ユーザーを中心に仮想セルを形成し面的容量を拡大
5G超高密度分散アンテナシステム
超高密度配置
TP間距離 100m以下
C-RAN構成
TPは光張り出し無線装置
集中制御局によるベースバンド
集中制御
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Macro
Hotspot
area
TPf1
f2
Optical fiber
Cluster
LTE-A
(C/U-plane)
LTE-A
(C-plane)
Frequency
UHF band
<=2GHz Low SHF band
3-6GHz
f1 f2
集中制御局
5G(U-plane)
(※)TP : 送信点
超高密度配置で課題となるTP間干渉抑圧のため、協調マルチユーザ
MIMOを基本アルゴリズムとして検討
Joint transmission
• 協調TPから同一信号を送信することによりTP間干渉フリー
低演算量UE選択アルゴリズム
高精度TP間キャリブレーション
ダイナミック仮想セル制御の基本アルゴリズム
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集中制御局
TP
TP
TPTP
(※)TP : 送信点
ダイナミック仮想セル制御のメリット
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システムスループットが約3倍向上
セル端のUEはスループットが低下
どこにいても高いスループットを実現
分散と集中アンテナ構成の比較シミュレーション
集中アンテナよりも高い面的周波数利用効率
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0
500
1000
1500
2000
2500
0 8 16 24 32
Are
al s
pec
tral
eff
icie
ncy
[bp
s/H
z/k
m2]
DistributedLocalized
Number of TPs
Total 32 Tx antenna
Total 16 Tx antenna
TP1-TP
4-TP
8-TP
16-TP
32-TP
TP : 送信点
マルチユーザMIMOにおける低演算量UE選択法
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W1
TP#1 TP#2 TP#N
UE1 UE2 UE3 UE4 UE5
H1
H3
H4
H1 H3H4
チャネル
演算量大複雑な行列計算により直交する送信ウェイトをを求めて、品質を計算
N次元複素ベクトル空間
N次元実ベクトル空間
演算量削減約1/200
H1p1各成分(複素数)を
電力化したベクトルに変換
従来法
提案法
N次元複素ベクトル空間
p1
N次元実ベクトル空間
p3
p4
電力ベクトル間の直交度(角度)により品質を近似
高スループット達成には、割当候補UEから適切なUE組み合わせを選択することが重要
適切なUE選択には、UE組み合わせにおける通信品質の推定が必要
a1+jb1
a2+jb2
a3+jb3
|a1+jb1|2
|a3+jb3|2
|a2+jb2|2
(※)TP : 送信点
シミュレーション評価
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従来方式とほぼ同等のスループット性能を達成しつつ、約1/200の演算量
0
20
40
60
80
0 4 8 12 16
Tota
l Thro
ughput
[bps/H
z]
最大多重数
従来方式
提案方式
高精度TP間キャリブレーション
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TP#1
TP#NHDL UE
HDL
DL無線チャネル
DLマルチユーザMIMO• 送信ウェイト算出のため、
DL無線チャネルの正確な把握が重要
Tx
Rx
TP UEHDL
HUL
CHUL HDL
TDDのDL/ULチャネル双対性の利用• UEからの参照信号によって推定した
UL無線チャネル(HUL)をDL無線チャネル(HDL)とみなす
アンテナキャリブレーション• 厳密にはHULとHDLは異なる送信回路(Tx)、受信回路(Rx)の特性差を
キャリブレーション係数(C)で補償
キャリブレーション係数の算出• TP間で相互にキャリブレーション信号を送信し、
受信信号を比較して算出
CBBU
送信ウェイト(Precoding)
キャリブレーション信号
TP#1
TP#2
CBBU
C受信信号
比較
(※)TP : 送信点
シミュレーション評価
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1
2
3
4
5
6
78
9
10
11
12
1314
15
16
17
18
19
2021
22
23
24
25
26
27
2829
30
31
32
-100
-50
0
50
100
-100 -50 0 50 100
Y [
m]
X [m]
提案方式• TPの分散配置を考慮• 高品質なTP間通信経路を自動で検出都市部の複雑な伝搬環境でも、
運用管理が容易
面的容量特性• 従来方式: 理想条件に対して大きな特性劣化• 提案方式: 分散配置でも高品質なキャリブレーション信号を利用可能理想条件と同等の特性を達成
0
500
1000
1500
2000
2500
3000Areal spectral efficiency [bps/Hz/km2]
理想条件 数珠繋ぎ型 スター型 ツリー型 提案方式
測定器を利用した5G実験
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受信装置送信装置
分散アンテナユニット
送信装置
移動局アンテナ
中心周波数: 4.65 GHz(低SHF帯)
システム帯域幅: 200 MHz
アンテナ構成: 16×16(max)
最大スループット: 16 Gbps
屋外実験の測定環境
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分散配置分散配置
基地局アンテナは建屋の7階に設置高さ:50m
集中配置
ドコモR&Dセンタ
100mStart Goal
0m
50m 150m 道路200m
基地局アンテナ(分散配置)
送信方向
基地局アンテナ(集中配置)
4送信点、1送信点あたり4素子
1送信点、16素子基地局アンテナ
移動局アンテナ:8素子(8ユーザ相当)
37m37m 37m
静止時スループット(集中アンテナ構成)
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⑤
④③②
①
建物側
向かい側
街路樹のシャドウイングの影響の少ない向かい側の特性が良い
0m
50m100m 150m
200m
4
5
建物側
向かい側
基地局
建物側
向かい側
32 1
0
1
2
3
4
5
① ② ③ ④ ⑤
UE合
計ス
ルー
プット
[Gbp
s] 建物側
向かい側
■建物側■向かい側
静止時スループット(分散アンテナ構成)
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0
1
2
3
4
5
① ② ③ ④ ⑤
UE合
計ス
ルー
プット
[Gbp
s] 建物側
向かい側
⑤
④③②
①
建物側
向かい側
0m
50m100m 150m
200m
4
5
建物側
向かい側
建物側
向かい側
32 1
■建物側■向かい側
③において、建物側のスループット劣化が小さい(シャドウイングの影響軽減)
基地局
移動時スループット
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Start
0m
50m100m 150m
200m
分散配置の方が最大、平均ともに高いチャネル容量
Goal
0
1
2
3
4
5
6
0 50 100 150 200
UE合
計ス
ルー
プット
[Gbp
s]
走行距離 [m]
分散配置
集中配置5 km/h5km/h ー分散配置
ー集中配置
分散配置
集中配置
最大スループット[Gbps]
5.1 4.5
平均スループット[Gbps]
3.7 3.0
参考文献
T. Seyama, M. Tsutsui, T. Oyama, T. Kobayashi, T. Dateki, H. Seki, M. Minowa, T. Okuyama, S. Suyama
and Y. Okumura, “Study of coordinated radio resource scheduling algorithm for 5G ultra high-density
distributed antenna systems,” IEEE VTS Asia Pacific Wireless Comunications Symposium (APWCS) 2016,
pp. 306–310, Aug. 2016.
小林, 熊谷, 実川, 瀬山, 伊達木, 関, 箕輪, “5G超高密度分散アンテナシステムにおける大容量化技術のアルゴリズム検討-
協調MU-MIMOにおける低演算量UE選択方式-,” 2017年信学総大, B-5-23, pp.359, Mar. 2017.
実川, 瀬山, 小林, 大山, 伊達木, 関, 箕輪, “5G超高密度分散アンテナシステムにおける送信点間キャリブレーション方式の検
討,”信学技報, RCS2016-142, pp.71-76, Jul. 2016.
椎崎, 秋山, 筒井, 伊達木, 関, 箕輪, 奥山, 増野, 須山, 奥村, “5G 超高密度分散アンテナシステムにおける大容量化技術の
実験的検証~ 広帯域マルチユーザMIMO 伝送実験における屋外端末移動時の性能検証~ ,” 信学技報, RCS2016-312,
pp.139-144, Mar. 2017.
Copyright 2017 FUJITSU LIMITED23
本資料には、総務省からの委託を受けて実施した「第5世代移動通信システム実現に向けた研究開発」の成果の一部が含まれています。