Highly Coordinated Ultra Dense Network
寬頻網路與系統整合技術組
資訊與通訊研究所 Information and Communication Research Lab (ICL)
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什麼是5G網路 ?
Area Traffic Capacity目標已經達到 10 Tbps/km2
目前LTE-A網路100~1000倍以上的Traffic Volume
國際電信聯盟ITU正在為第5代行動網路技術訂下挑戰性的效能目標
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如何提供1000倍的傳輸量 ?
More spectrum efficiency + More spectrum + More small cell combination
2400
2000
1600
1200
800
400
0
LTE-A 5G
Spectrum (MHz)
1200
1000
800
600
400
200
0
LTE-A 5G
BTS density(/km2)
1000x
3072
1536
768
384
192
96
0
LTE-A 5G
Spectrum efficiency(bps/Hz)
佈建更多的小型基地台→ Ultra Dense Network (UDN) 環境
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基地台佈的越多越密集之後….
Average SINR: -5.41 dB Average Throughput: 5.2Mbps
Average SINR: 3.42 dB Average Throughput: 22.6Mbps
每平方公里100個BS (20MHz, 23dBm) 每平方公里1000個BS (20MHz, 23dBm)
• 基地台數量增加10倍 • 使用者平均傳輸速率受干擾影響降了近4~5倍
Spectrum Small Cell Spectrum Efficiency
10x
佈建了10倍的基地台後... , 卻因為基地台之間的互相干擾大幅增加, 降低
了使用者的訊號品質 1000x
10x 10x 10x
5G UDN的研發主題:
在UDN環境下, 解決基地台間干擾增加的問題, 使小型基地台佈建密度增加10倍, 頻寬流
量可接近10倍增長
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基地台之間的干擾問題要怎麼解決 ?
4G網路的Inter-cell Coordination解決方案:利用基地台之間的協調溝通, 進行分時、分頻的傳輸來避免基地台間的干擾。
ICIC (Inter-cell interference coordination)
• 同質(Homogeneous)基地台間干擾處理技術
• 基地台間依靠切割頻率、調整發射功率達到避免干擾的效果
• 基站間透過X2介面交換UL/DL Resource Block Scheduling結果
eICIC (enhance Inter-cell interference coordination)
• 異質(Heterogeneous)基地台間干擾處理技術
• 基地台間依靠切割時間達到避免干擾的效果
• 基地台間透過X2介面交換ABS (Almost Blank Subframe) Pattern
ABS Pattern Size
FDD: 40ms
TDD: 20/60/70 ms
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4G的干擾處理技術 vs. UDN網路…
Problem:
避免干擾發生: ICIC、eICIC
• ICIC、eICIC機制在UDN環境效能下降 無線資源的浪費, 基地台間靠分割頻率、時間來避免干擾, 在UDN網路內鄰近基
站無法同時同頻傳輸, 造成浪費 Loose Coordination, 基地台間交換 UDN網路內之干擾資訊過慢(Centralized SON:
15 secs., Distributed SON: 20ms), 無法及時處理干擾問題
eICIC Coordination ICIC Coordination
Mean BS Throughput
Inter-site distance in meters
-26% -30% -50% -30%
現有的4G處理的機制:缺乏緊密的合作, 基地台佈的越密, 效能越差
每平方公里1000個BS 相當於 Inter-site distance 30m
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5G UDN解決方案
UDN需要一個干擾機制, 除了解決干擾問題以外
1. 要能同時間、同頻率傳輸, 才能有效的利用無線資源
2. 要能ms等級的取得無線Downlink Channel資訊, 才能及時的降低干擾發生
BS UE
T
Precoding Matrix Index (PMI)
PMI 回報週期 (ms)
MIMO: 讓原本是干擾的訊號轉為有用的『建設性合成波』以提升訊號強度
透過訊號發射前, 前置處理把干擾路徑變成可同時同頻傳輸的『建設性合成波』加強訊號品質
行動裝置每ms回報Downlink Channel資訊, 可及時的處理干擾問題
震幅 建設性合成波
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5G UDN解決方案
把MIMO技術融入『跨基地台之間緊密協調 』的概念
把破壞性干擾轉成『建設性合成波』的MIMO技術, 從單一基地台導入整個UDN網路
MIMO:讓原本是干擾的訊號轉為有用的『建設性合成波』以提升訊號強度
MIMO + 跨基地台之間緊密協調 (UDN Server) = Network MIMO
UDN Server BS UE
BS
BS
UE
UE
協調不同基地台的天線緊密合作, 消除基地台之間的干擾
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5G UDN核心關鍵技術
如何解決UDN網路內BS間的干擾問題, 提升使用者訊號品質
• 利用Network MIMO將密集佈署的多個BSs集合成一個單一多天線超級基地台, 可確保室內一
致高品質的行動通訊服務。
• 把破壞性干擾轉成『建設性合成波』的MIMO技術, 透過跨基地台之間緊密協調 (UDN Server),
使用在整個UDN網路, 消除Cell Edge Interference, 使UDN整體效能能與基地台個數接近線性成
長。
BSs UDN Server BSs
Single Cell (Network MIMO) Cell Edge Interference
Source: commscope.com
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5G UDN核心關鍵技術
利用Network MIMO將多個BSs集合成一個單一多天線超級基地台
• [關鍵一] 多BS間同步處理 − 若BSs間時間有差異, 所以即使多個基地台間使用Network MIMO, 但是會因為BSs時間/頻率沒有完全同步, 無法
成功產生建設性合成波, 反而造成干擾使得訊號品質下降
Technology Frequency Accuracy
LTE-A ±50 ppb (wide area) ±100 ppb (local area) ±250 ppb (home)
Network MIMO < ±4 ppb 頻率矯正技術
ppb代表 (10 -9)
Technology Time/Phase Accuracy
LTE-A ±1.5μs (cell with radius ≤ 3 km) ±5μs (cell with radius > 3 km)
Network MIMO < ±0.5μs 相位同步技術
μs代表(10 -6)秒
PMI Reporting
hUL= [hDL]T
BS collect UL channel info.
DL = UL Freq. UL RS
X
TDD System
H* is Hermitian of H, or transpose and complex conjugate
• [關鍵二] 正確的DL Channel狀態取得 − 基地台如何正確地取得DL(Downlink) Channel狀態形成建設
性合成波而非破壞性干擾, 是Network MIMO技術效能優劣
的關鍵
− FDD系統, 手機會回報PMI(Precoding Matrix Index)來表示DL
Channel狀態, 但Channel狀態極為複雜,PMI僅2~4 bits,無
法精準表達出手機接收到Channel的狀況(16 bits)
− 在TDD系統, 由於DL與UL使用同一頻段, 故具有通道對稱
性(Channel Reciprocity), 基地台需能藉由量測UL Channel狀
態, 轉換並校準(Calibration)成DL Channel狀態, 若沒有進行
校準處理, 轉換的誤差會產生Noise使SINR下降。
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5G UDN核心關鍵技術
利用Network MIMO將多個BSs集合成一個單一多天線超級基地台
• [關鍵四] Channel預編碼計算優化 − Network MIMO是在BS訊號發射之前, 將訊號進行
預編碼(Precode)前置處理, 透過調整訊號發射前
的相位與震幅, 形成建設性合成波, 使手機收到的
訊號強度提升
− 但預編碼(Precode)前置運算的複雜度是O(n3), n是
發射天線數, 且頻帶每15KHz就要計算一個(以TDD
20MHz來說, 每秒最多約需計算720, 000個預編碼)
− 若沒有對預編碼運算進行優化, Network MIMO能
協同合作的基地台數目將受限制, 無法形成一個
足夠龐大的超級基地台來同時服務多位使用者。
• [關鍵五] Joint Scheduling技術 − Network MIMO需要藉由基地台之間即時的排程
資訊交換, 調整無線傳輸資源, 相互配合才能對
Cell Edge的使用者共同服務。
Data Stream 1x1(t)
Data Stream 2x2(t)
Data Stream 3x3(t)
Data Stream 4x4(t)
BS 1
BS 2
BS 3
BS 4
UE 1
UE 2
UE 3
UE 4
Data Stream 1y1(t)
Data Stream 2y2(t)
Data Stream 3y3(t)
Data Stream 4y4(t)
H H-1
UDN Server
• [關鍵三] 降低多BS間緊密合作上的傳輸負擔 − 5G的頻帶遠寬於4G, 不斷地取得大量的Channel狀態,
資料量過大, 會造成BS間緊密合作上的傳輸負擔
− 如何透過少量的通道狀態以及Channel Coherence (穩
定持續)的特性, 來預測完整的通道資訊, 以減少BS間傳
輸量, 可增加Network MIMO在5G UDN的實用性
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Internet
跨年晚會 5G小型基地台UDN網路
大連結直播
煙火秀
• 5G UDN的目標: 利用跨基地台的緊密協調 解決基地台間干擾增加的問題, 使小型基地
台佈建密度增加10倍, 頻寬流量可接近10倍增長
• 國內Small Cell廠商目前並沒有UDN的Turn-key Solution, 5G來臨之時, 希望透過UDN解決
方案來協助提升國內廠商的價值
– Small Cell 產業: 協助國內廠商從單賣Small Cell設備升級到賣一整個UDN次系統
– 系統整合(SI)產業: 協助國內SI廠商搶攻UDN垂直整合市場, 提升專網效能, 降低佈建成本
結論
未來在High Urban Building場景, 企業大樓 Indoor需要佈建大量的小基地台
Source: www.spidercloud.com
UDN Server
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