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中信科移动毫米波产品及解决方案助力5G垂直行业应用

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通信世界网消息(CWW)在5G垂直行业应用的探索中,大上行、低时延、高精度定位等特性被认为是企业数字化发展过程中最迫切的需求。sub-6G的5G网络可以提供百Mbps的用户速率和十ms级的时延,大大提升了移动通信为垂直行业应用的服务能力。通过大上行帧结构、上行MIMO增强和载波聚合等技术手段,可以进一步提升sub-6G的上行速率。然而仍然存在一些问题,例如,由于需要兼顾上、下行业务的平衡以及交叉时隙干扰等问题,大上行帧结构只能在有限的区域和频段使用。而sub6频段即使采用载波聚合技术,可用的频谱仍然是有限的,提供高速率上下行业务的能力十分有限。

和sub-6G相比,毫米波频谱资源更为丰富,可分配百MHz到千MHz的可用频谱,从而提供更高的用户速率;同时,由于毫米波可用更高的子载波间隔,时延也可以进一步降低;此外由于毫米波可以提供更高的分辨率,在定位精度上也比sub-6G更具优势。所以对于满足垂直行业应用来说,毫米波技术是非常好的选择。

中信科移动自主研发的毫米波5G设备和端到端组网方案,可以采用高低频混合组网方式构建连续覆盖和区域高速传输的5G网络,也可以独立组网部署,为行业用户提供大带宽、低时延和高精度定位的端到端的产品和解决方案。

高低频混合组网,构建连续覆盖和区域高速传输的5G网络

毫米波路损大,穿透损耗大并且和材质高度相关。室外毫米波适用于LOS场景和反射径丰富的近LOS场景,室内毫米波适用于反射径丰富和空旷隔间少的场景。在组网架构上,毫米波可以灵活选择和5G中低频协同组网或者独立组网。在工业厂房内部一般较为空旷,实际使用时可以考虑独立工作模式;在大的产业园区工作时,由于建筑物较多,考虑到毫米波易阻挡,可以配合sub-6GHz基站一起高低频组网实现覆盖。

针对不同诉求,5G毫米波专网有三种模式,即独立专网、混合专网和虚拟专网。对于对网络性能、运维和独立管理要求比较高的企业或园区,可以考虑完全采用行业频谱建设5G专网,如图1所示,同时还可以融合其他工业有线、无线技术协同构建低成本全功能无线专网。此时数据出场需要经过防火墙,理论上对外界可以做到数据封闭,灵活性、安全性和性能都比较好。

对于成本、运维、管理能力不足的企业或园区,可以考虑和运营商合作建设5G专网。为保证安全,可以通过自建UPF(UPF-User Plane Function,用户面功能)确保业务数据不出场。在少量需要高低频搭配组网的场合,如果行业频谱无法保证高低搭配,可以考虑用公网低频段实现和行业毫米波频段的双连接。如图2所示。

对于希望专网彻底托管的公司,可以考虑建设5G虚拟专网,利用端到端的切片实现业务逻辑隔离,从而保证速率、时延等需求。

不同配置的帧结构和大带宽,提供更高传输速率

毫米波帧结构的上、下行链路无线帧长10ms,包含10个子帧,每个子帧1ms,每个无线帧被分为两个长度相同的半帧,每个半帧包含5个子帧。每个帧以及每个子帧中的时隙数目见下表。

毫米波通常采用5个时隙的帧结构,具体如下:

3种帧结构上下行时隙比例不同,加上特殊时隙配比,可以很好的满足工业互联网大带宽场景应用。按目前业界毫米波芯片的能力,支持下行800MHz和上行400MHz的双流MIMO,随着产业的发展,该能力还将进一步提升。下表是根据目前芯片能力测算的5G毫米波速率能力。

高子载波间隔带来更高的时间分辨度,提供低时延

相比于5G中低频段30kHz的子载波间隔,毫米波子载波间隔扩大4倍,相应的时隙长度即缩短为1/4,空口时延可显著降低。毫米波的低时延传输能力能够很好的满足工业领域对低时延通信的需求。工业领域中的远程控制、设备诊断等方面要求传输时延在毫秒量级,这些需求的数据包大小往往较小。下表是不同数据包大小的毫米波通信用户面时延,可见毫米波通信的用户面时延完全能够满足工业领域对时延的需求。对于一些规律传输的数据包,开启预调度能够进一步将用户面时延降低到5ms以内。

为进一步降低时延和增强可靠性,中信科移动毫米波设备支持DU类型帧结构和上行免调传输,能把空口时延控制在1ms内,后续引入R16特性将进一步降低时延;同时设备支持高低频双连接组网,在PDCP支持重复传输;后续将陆续引入低码率MCS表格/CQI表格、高聚合等级PDCCH、PDSCH/PUSCH时隙级重复发送、R16和R17的M-TRP等功能进一步保证毫米波的可靠性,使毫米波技术能够更好的为5G垂直行业服务。

空间域高分辨度,提供精准波束赋形和高精度覆盖

毫米波频率高,采用多panel的数模混合联合波束赋形技术,可以提供窄波束赋形,实现区域精准覆盖和扫描。对于大带宽工业应用,可以采用传统的单波束扫描方案,但是对于时间敏感性业务和工业场景的覆盖区域,单波束扫描方案需要一定的时间周期,可以通过多panel并发多波束降低由扫描周期带来的时延。毫米波的波束赋形能力如图3所示。

毫米波较宽的系统带宽有助于提升定位精度,满足工业互联网精确定位的需求。可以从表征距离感知能力的纵向距离分辨率和角度感知能力的横向距离分辨率两方面衡量定位能力。

图4给出了不同频段下,在D = 10米的感知距离下,不同横向定位精度要求下对定位信号发射天线孔径的要求。可见定位信号频段越高,发射定位信号所需天线孔径也越小。在10cm横向定位精度要求下,工作在26GHz频段的毫米波定位天线孔径约为1.4米,而在60GHz频段,天线孔径只需要0.61米。相比之下,3.5GHz频段则需要10米以上的发射天线,工程难度较大。

中信科移动自主研发的5G毫米波设备与组网解决方案,为业界提供大带宽、低时延、精准波束赋形与定位能力。支持独立组网应用的同时,也支持FR1-FR2 DC的高低频混合组网能力,能够满足广域覆盖和区域大带宽传输能力,满足垂直行业应用需求。

图5为中信科移动自主研发的系列毫米波产品,根据实际组网要求和工程条件,可以选择不同的毫米波产品进行组网。同时,可以根据行业对运维管理、区域吞吐量、用户速率等方面的要求,选择不同的组网方式、帧结构、载波带宽配置,以满足不同企业和园区的行业应用需求。

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