ITRI 5G Tech. -- UDN (Ultra Dense Network)

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)

Copyright 2016 ITRI 工業技術研究院 2

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


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


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


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


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


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


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


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



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。



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


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

Copyright 2015 ITRI 工業技術研究院

謝謝大家!

13

ITRI 5G Tech. -- UDN (Ultra Dense Network)

Science