5G Network MIMO多基站協調技術

工研院資通所 陳家銘、林明哲、劉俊男、許仁源

 

 


通訊系統提升系統容量的主要方式包含了增加有用頻譜、增加頻譜使用效益與增加網路密度。但目前增加更多有用頻譜需要耗費大量費用,頻譜使用效率也已經提升到一定程度,所以目前都朝向增加網路密度去提高系統傳輸容量,但大量增設基站會導致基站間互相干擾,導致系統效能降低。因此要協調多個基站進行聯合傳輸,形成多基站協調系統,以增加訊號強度並降低干擾。

多基站協調系統架構

多天線系統在理論及實際上已被證明可利用預編碼或波束成形等技術,同時讓多位使用者存取無線資源,增加頻譜使用效率。近來研究指出,若基站搭載的天線數大於四倍的用戶數,則頻譜使用效率將可隨用戶數增加呈線性成長,稱為巨量天線理論。一般來說,只要基站天線數超過64根,便可稱為巨量天線。然而,因為物理上的限制,一般的基站很難搭載巨量天線。因此有人提出協調多個基站,共同對用戶進行資料傳輸,達到等效於巨量天線的效能,稱為多基站協調技術。在多基站協調系統中,所有基站由一台協調伺服器控制排程,可依用戶情況選擇最佳的傳輸模式,如圖1所示。

多基站間不匹配效應

 

由於多基站協調系統中各基站的時脈源皆獨立,因此基站間存在載波頻率偏移,這是和巨量天線系統相比最大的差異點,因時脈源獨立會造成系統間的偏差外,還有其他不完美因素,簡介如下:

 

  1.  載波頻率偏移:多間站間的獨立時脈源所造成的載波頻率偏移,載波頻率偏移要夠小,訊號品質較不會受到影響[1]。
  2.  取樣時脈偏移:載波頻率偏移產生的取樣時脈偏移,取樣時脈偏移會造成類比數位轉換器取樣的誤差,使訊號失真。
  3.  傳輸延遲:多基站所處實際位置不同,因而訊號到達的時間不同,產生傳輸延遲,並造成各基站接收訊號間的時間偏移,在時間上的偏移會造成頻域上會有相位差。
  4.  線性相位旋轉:載波頻率偏移造成下行和上行通道具有相反的線性相位,若透過通道互易的特性,利用上行估測通道,去計算下行通道預編碼的話,會使得相位旋轉變成兩倍。
  5.  時變射頻響應:會因為環境改變而造成射頻響應的時變效應,所以要在協調時間內完成預編碼,不然會因這時間點的預編碼與下個時間點通道相關性變小,使得預編碼效能變差。

這些不完美因素將造成通道估測不準確,經過預編碼之後,會產生基站間干擾及用戶間干擾,降低系統容量。

 

多基站協調系統之通道校正技術

 

針對多基站不匹配效應,會利用通道校正技術去補償這些不完美因素,以解決基站間同步、射頻響應的時變效應、及下行通道狀態資訊取得的問題。工研院資通所團隊提出新型多基站協調系統之通道校正技術,利用參考用戶去校正多個基站間的不匹配效應,並透過以下方法去讓多基站間同步並進行聯合傳輸:

 

  1.  基站間載波頻率偏移補償及追蹤
    基站間載波頻率對準:可利用參考用戶去傳送探測參考訊號(Sounding Reference Signal)給多個基站,多個基站再利用收到探測參考訊號計算載波頻率偏移,並回傳給協調伺服器統一計算多基站間的載波頻率偏移並進行補償,將各個基站的載波頻率對齊某一台基站。
  2. 通道校正參數補償及追蹤
    補償射頻不匹配效應:除了各個基站收到參考用戶的探測參考訊號外,各個基站也會傳送下行參考訊號給參考用戶,接著將估測的通道回傳給協調伺服器,去計算通道校正參數。此通道校正參數會受到估測到的通道影響準確度,增益不匹配效應可能會達到10~20dB的差異,進而影響補償效能,所以要進一步強化訊號品質。所以本系統強化了通道估測品質、探測參考訊號與預編碼的功率控制、同步補償等技術。通道估測品質強化:將探測參考訊號參數最佳化,並且將資源正交化地對齊,減少探測參考訊號相互干擾。另外加入了通道估測邊緣效應的補償,進而改善通道估測準確度;探測參考訊號與預編碼的功率控制:正規化上行探測參考訊號通道功率與下行預編碼功率,讓多基站間的參考訊號不會互相干擾;同步補償:計算通道校正參數相位時變變化,預測共同相位變化並加以補償。
  3. 下行通道資訊取得及預編碼器計算
    預編碼器計算:各個基站收到終端傳送的上行參考訊號後,去估測上行通道並回傳給協調伺服器,協調伺服器利用估測通道與通道校正參數去計算出等效的下行通道,並利用此等效通道去計算出Zero forcing或Minimum mean squared error的預編碼。預編碼會因使用前一個時間點的通道校正補償,但當下的相位已改變,將使預編碼效能變差。如參考文獻[1],若在載波頻率偏移5ppb,並使用前5ms的預編碼的情況下,訊號干擾比會被限制在20dB左右。所以本系統同時需要去校準預編碼的相位旋轉。
  4. 下行預編碼/聯合傳輸
    聯合傳輸:各個基站經由協調伺服器傳送得到預編碼後,就各個基站根據收到的預編碼去做聯合傳輸,以達到Network MIMO之效能。在收到估測通道後、計算預編碼到進行聯合傳輸的時間必須夠小,否則計算的預編碼與下行通道的相關性可能會因頻率偏移誤差造成的相位旋轉或者射頻通道響應的時變效應而降低。

 

 

多基站協調系統效能展示

本系統在2017年9月於台灣所舉辦的「世界資訊科技大會」(The World Congress on Information Technology, WCIT)國際展上,進行效能展示,如圖2所示。目前多基站協調系統使用頻帶40的TDD LTE系統,8個基站連通4支手機。在單一基站服務單一使用者,並使用64-QAM 0.75調變的情況下,最大傳輸率可達到15.7Mbps,如圖3所示。而在64-QAM 0.68調變的情況下,最大傳輸率可達到14.2Mbps。在未進行多基站協調時,8個同頻基站將會互相干擾,造成低傳輸率。若進行多基站協調的情況下,每個使用者會從原本低傳輸率變成可以使用較高的調變技術,進而提高傳輸率,平均傳輸率約52.8Mbps,如圖4所示。

目前有多WiFi協調系統,稱為MegaMIMO [2],MegaMIMO協調系統可達到單一用戶的3.6倍。而目前在LTE多基站協調系統下,若單純對LTE最高MCS 64-QAM 0.75調變的單一使用者來比較的話,多基站協調系統可達到3.36倍的系統效能。若以目前最高可達到64-QAM 0.68調變來當作基準的話,所以我們的多基站協調系統效能可達到3.72倍的增益。換句話說,若未來多基站協調系統能優化到可使用到最高MCS,整體的系統效能將會更往上提升。

圖 4 多基站協調下各個用戶的傳輸速度


總結而言,未來5G將會利用超高密度網路提升頻寬,而需要多基站協調系統去協調多基站以降低干擾,並提升系統傳輸量。本文介紹多基站協調系統的技術難處,如同步與相位旋轉,並使用通道校正參數去補償射頻不匹配效應。目前所展示之多基站協調系統效能可達3倍以上的系統增益,若未來可優化同步技術,讓可使用的MCS提高;增加頻寬與階層數,提升頻譜使用效率;或者使用者數量增加等等方式,可以再進一步地增加整體系統增益。

參考文獻

 

[1]   T. Koivisto and V. Koivunen, “Impact of time and frequency offsets on cooperative multi-user MIMO-OFDM systems,” in Proceeding of International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC’09), pp. 3119-3123, 2009.

[2] Ezzeldin Hamed, “ Real-time Distributed MIMO Systems,” [Online].
http://people.csail.mit.edu/rahul/papers/rtmegamimo-sigcomm2016.pdf

 

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊

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