[论文解读] Millimeter-wave Gbps Broadband Evolution towards 5G: Fixed Access and Backhaul

Zhouyue Pi, Junil Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文提出了一种使用39 GHz频段、动态波束成形和大规模MIMO技术的毫米波Gbps宽带（MGB）系统，以实现高容量的固定无线接入和小型蜂窝回传。在500 MHz带宽和28 dBm发射功率（55 dBm EIRP）条件下，该系统在1公里半径范围内为96个小型蜂窝提供超过11 Gbps的回传容量，证明了其在5G Gbps基础设施中的可行性。

ABSTRACT

As wireless communication evolves towards 5G, both fixed broadband and mobile broadband will play a crucial part in providing the Gbps infrastructure for a connected society. This paper proposes a Millimeter-wave Gbps Broadband (MGB) system as the solution to two critical problems in this evolution: last-mile access for fixed broadband and small cell backhaul for mobile broadband. The key idea is to use spectrum that is already available in the millimeter wave bands for fixed wireless access with optimized dynamic beamforming and massive MIMO infrastructure to achieve high capacity with wide area coverage. This paper explains the MGB concept and describes potential array architectures for realizing the system. Simulations demonstrate that with 500 MHz of bandwidth (at 39 GHz band) and 28 dBm transmission power (55 dBm EIRP), it is possible to provide more than 11 Gbps backhaul capacity for 96 small cells within 1-km radius.

研究动机与目标

• 通过利用尚未充分利用的毫米波频谱，解决5G中的最后一英里宽带接入挑战。
• 通过高带宽毫米波链路，解决移动宽带网络中小型蜂窝回传容量受限的问题。
• 通过在39 GHz频段优化波束成形和大规模MIMO基础设施，实现广域高容量无线连接。
• 展示为密集小型蜂窝部署提供多Gbps回传容量的可行性。

提出的方法

• 在39 GHz毫米波频段利用500 MHz带宽，以实现高光谱效率。
• 采用动态波束成形技术，将信号聚焦至用户设备，提升链路可靠性和容量。
• 在基站部署大规模MIMO阵列，以实现多数据流的空间复用。
• 以28 dBm发射功率（55 dBm EIRP）建模系统，以确保足够的覆盖范围和链路预算。
• 使用真实的路径损耗和阴影衰落模型，模拟城市环境下的性能表现。
• 在包括干扰和波束对准在内的实际部署约束条件下，分析系统容量。

实验结果

研究问题

• RQ1 39 GHz频段的毫米波频谱能否支持密集小型蜂窝部署的多Gbps回传容量？
• RQ2 在毫米波固定无线接入系统中，动态波束成形如何提升覆盖范围和频谱效率？
• RQ3 在实际传播条件下，基于大规模MIMO的毫米波系统可实现的容量是多少？
• RQ4 单个基站能否通过波束成形和宽频带技术，为多个小型蜂窝提供高数据速率服务？
• RQ5 实现Gbps级回传容量所需的系统参数（带宽、功率、阵列尺寸）是什么？

主要发现

• 在39 GHz频段使用500 MHz带宽和28 dBm发射功率（55 dBm EIRP）时，MGB系统在1公里半径范围内为96个小型蜂窝提供超过11 Gbps的回传容量。
• 动态波束成形在视 Line-of-Sight 和非视 Line-of-Sight 场景下显著提升了信号可靠性和频谱效率。
• 大规模MIMO实现了空间复用，使多个小型蜂窝可同时接收数据而不会产生显著干扰。
• 即使存在中等路径损耗和阴影衰落，系统仍能保持高数据速率，证明其在城市环境中的鲁棒性。
• 结果证实，毫米波频谱能够支持5G固定和移动宽带所需的Gbps级基础设施。
• 所提出的MGB系统是5G网络中最后一英里固定接入和小型蜂窝回传的可行解决方案。