面向6G系统的全频谱无蜂窝无线接入网: 系统设计和试验结果

研究意义

空口无线传输技术一直是历代移动通信系统的核心能力的体现，也是实现6G关键指标的主要技术途径。在现有5G系统使用的频谱中(包括毫米波和sub-6 GHz频段)，频谱资源的紧缺问题仍然非常突出。香农信息论指出，增加并行信道数量可以线性增加信道容量。多输入多输出(MIMO)天线技术通过增加空间域的并行信道数，可以在有限的频谱资源上提高无线通信系统的容量。目前点到点的MIMO技术被广泛应用于4G、5G系统中，但引入蜂窝同频组网时，不可避免面临小区间的干扰问题。利用多点到多点的协作MIMO的思路，增大协作节点规模，当系统中部署的所有接入点协作，可以消除传统小区的边界效应，形成“无蜂窝”系统，大幅度提高系统的容量和性能。但是如何解决大规模协作MIMO实现的复杂性和规模的扩展性是其面临的关键问题。针对这些问题，需要进一步研究大规模协作MIMO的实现架构，兼顾系统的性能和实现复杂度，并进一步研究去蜂窝化的无线接入网技术。

本文工作

为了解决上述问题，本文将无蜂窝大规模MIMO集成到6G无线接入网(RAN)中并设计了无蜂窝RAN(CF-RAN)，提出了一种新的全频谱CF-RAN架构，如图1所示。基于物理层的合理划分，形成了具有射频(RF)单元、边缘分布式单元(EDU)和以用户为中心的分布式单元(UCDU)功能的可扩展无蜂窝MIMO，其中RF单元完成相应频段的RF信号接收和发送，EDU实现分布式预编码和接收机，UCDU实现数据分发和合并。新架构可以在协作传输的复杂性和性能之间实现折中。同时，本文研究了全频谱CF-RAN的关键传输技术，包括信道信息获取、收发机设计和动态资源分配，给出了64个分布式天线的无蜂窝MIMO原型系统的试验结果。

本文的创新点如下：

提出一种可扩展的无蜂窝大规模MIMO的实现架构，并基于图2所示的实现方式，进一步将其拓展形成全频谱无蜂窝无线接入网；
针对其面临的瓶颈问题，介绍了信道信息获取、收发机设计、动态的用户与接入点关联以及新型双工等潜在的关键技术;
基于商用低成本接入点，研发了64TR的无蜂窝大规模MIMO试验平台，并对分布式接收机的性能进行了评估。

实验结果

全频谱CF-RAN试验验证平台采用如图3所示的架构进行了验证，图4为低频段CF-RAN试验场景：系统中有16个4T4R的RRU，12个4T4R的模拟终端。系统工作在4.9GHz频段，采用5G NR商用的低成本RRU，带宽100 MHz，且系统帧结构服从5G NR标准。

图3 全频谱无蜂窝无线接入网试验验证平台示意图
图4 低频段无蜂窝无线接入网试验场景

对于图4所示的试验场景，每个终端使用4个数据流，系统总共48个数据流。图5给出了采用三种联合接收机的系统总频谱效率的离线分析，包括联合的迫零检测、MMSE检测和MMSE-SIC检测。考虑信道估计误差，三种接收机的平均频谱效率分别为319 bps/Hz，323.3 bps/Hz，382.2 bps/Hz。每个数据流均采用64 QAM调制时，接收机采用逐子载波的MMSE均衡，每个数据流的平均信干噪比大约在20dB~23dB之间。

图5 48个数据流时系统总频谱效率

试验进一步对采用新型架构的无蜂窝大规模MIMO系统的性能进行了离线分析，每个终端采用1根天线，系统总数据流为12个，接收侧总共64天线，对比了4种场景下的系统总频谱效率，即：AP本地MRC、AP本地MMSE检测、EDU采用P-MMSE、联合MMSE检测，分别考虑EDU配置两个AP、4个AP、8个AP，即8天线、16天线和32天线，对应于系统中配置8个EDU、4个EDU、2个EDU。图6和图7分别给出了系统频谱效率的CDF和平均频谱效率。

图6 12个数据流时系统总频谱效率的CDF
图7 12个数据流时系统平均的总频谱效率

试验结果表明，由于在试验场景中，用户之间干扰较为严重，local MRC和local MMSE的干扰抑制能力较差。即便如此，local MMSE相比local MRC仍有39%的性能增益。当系统中EDU配置的天线每增加一倍，相比local MRC的性能提升分别为82%、175%、213%。当系统采用两个EDU，每个32天线时，可以达到联合MMSE的96%。全频谱CF-RAN充分利用前端网络的能力，结合物理层信号处理的分布式计算，实现了去中心化的协作传输，并获得了性能和复杂性更好的折中。

全文下载:

http://scis.scichina.com/en/2023/130305.pdf

作者及论文信息

Wang D M, You X H, Huang Y M, et al. Full-spectrum cell-free RAN for 6G systems: system design and experimental results. Sci China Inf Sci, 2023, 66(3): 130305, https://doi.org/10.1007/s11432-022-3664-x