ワイヤレス・テクノロジー・パーク WTP2017 5G …...(ms) Connection density (devices/km ) 2 Network energy efficiency Area traffic capacity (Mbit/s/m )2 Peak data rate

Copyright 2017 FUJITSU LIMITED

富士通の5G超高密度分散アンテナへの取り組み

0

ワイヤレス・テクノロジー・パーク WTP20175G Tokyo Bay Summit

富士通株式会社


アウトライン

5Gの状況

5G超高密度分散アンテナシステム

検討アルゴリズムの紹介

フィールド実験の紹介

1


5Gの状況




2

モバイルトラフィックの増加

Copyright 2017 FUJITSU LIMITED3

日本のトラフィック推移

Source: 「移動通信トラヒックの推移」総務省情報通信統計データベース

1.475 = 6.9 5年で7倍1.4710 = 47 10年で50倍1.4715 = 323 15年で300倍

Source: Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2016–2021

世界のトラフィック予測

Exabyte

=1018 byte

CAGR: Compound Annual Growth Rate

5Gの要求条件


Source：ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group White Paper (08/2014)

高速伝送

大容量

低遅延

大量デバイス

低消費電力

高速移動

Maximum system capabilities of 5G RAN (ARIB)

M.2083-03

User experienceddata rate(Mbit/s)

100

Spectrumefficiency

IMT-2020

3´

500

1106

10

20

100´Mobility(km/h)

Latency(ms)

Connection density

(devices/km )2

Networkenergy efficiency

Area trafficcapacity

(Mbit/s/m )2

Peak data rate(Gbit/s)

10

1´

400350

10105

10´1´

10.1

1

IMT-advanced

Enhancement of key capabilities from IMT-Advanced to IMT-2020

Source: Recommendation ITU-R M.2083-0 (09/2015)

富士通の大容量化への取り組み


低SHF帯での超高密度基地局 5Gの早期実用化を目指し、低SHF帯での基地局高密度化に着目

NTTドコモと5Gの実験協力で合意（2014年5月）

容量1,000倍以上

基地局高密度化で

50倍～

（LTE比）

小セル化周波数利用効率向上帯域拡大× ×

新しいテクノロジーで

4倍程度高周波領域活用で

5倍～

小セル化大容量化の

ポテンシャル大

既存周波数帯高周波数帯における広帯域幅利用

周波数

低SHF帯3-6GHz

高SHF帯6-30GHz

EHF帯> 30GHz

UHF帯Ex. 800MHz, 2GHz

>1000

高密度化の課題と解決策


容量1,000倍以上（LTE比）

=10005倍～

帯域拡大周波数利用効率向上

基地局の高密度化

× ×

4倍程度 50倍

基地局密度

面的容量期待性能50倍

18倍

36018倍

超高密度分散アンテナ制御

×ダイナミック仮想セル制御

3倍以上

50倍以上

>1000

干渉影響

3倍改善

ダイナミック仮想セル制御技術

ユーザーを中心に仮想セルを形成し面的容量を拡大


5Gの状況




7


超高密度配置

TP間距離 100m以下

C-RAN構成

TPは光張り出し無線装置

集中制御局によるベースバンド

集中制御


Macro

Hotspot

area

TPf1

f2

Optical fiber

Cluster

LTE-A

(C/U-plane)

LTE-A

(C-plane)

Frequency

UHF band

<=2GHz Low SHF band

3-6GHz

f1 f2

集中制御局

5G(U-plane)

（※）TP : 送信点

超高密度配置で課題となるTP間干渉抑圧のため、協調マルチユーザ

MIMOを基本アルゴリズムとして検討

Joint transmission

• 協調TPから同一信号を送信することによりTP間干渉フリー

低演算量UE選択アルゴリズム

高精度TP間キャリブレーション

ダイナミック仮想セル制御の基本アルゴリズム


集中制御局

TP

TP

TPTP


ダイナミック仮想セル制御のメリット


システムスループットが約3倍向上

セル端のUEはスループットが低下

どこにいても高いスループットを実現

分散と集中アンテナ構成の比較シミュレーション

集中アンテナよりも高い面的周波数利用効率


0

500

1000

1500

2000

2500

0 8 16 24 32

Are

al s

pec

tral

eff

icie

ncy

[bp

s/H

z/k

m2]

DistributedLocalized

Number of TPs

Total 32 Tx antenna

Total 16 Tx antenna

TP1-TP

4-TP

8-TP

16-TP

32-TP

TP : 送信点


5Gの状況




12

マルチユーザMIMOにおける低演算量UE選択法


W1

TP#1 TP#2 TP#N

UE1 UE2 UE3 UE4 UE5

H1

H3

H4

H1 H3H4

チャネル

演算量大複雑な行列計算により直交する送信ウェイトをを求めて、品質を計算

N次元複素ベクトル空間

N次元実ベクトル空間

演算量削減約1/200

H1p1各成分(複素数)を

電力化したベクトルに変換

従来法

提案法

N次元複素ベクトル空間

p1

N次元実ベクトル空間

p3

p4

電力ベクトル間の直交度(角度)により品質を近似

高スループット達成には、割当候補UEから適切なUE組み合わせを選択することが重要

適切なUE選択には、UE組み合わせにおける通信品質の推定が必要

a1+jb1

a2+jb2

a3+jb3

|a1+jb1|2

|a3+jb3|2

|a2+jb2|2


シミュレーション評価


従来方式とほぼ同等のスループット性能を達成しつつ、約1/200の演算量

0

20

40

60

80

0 4 8 12 16

Tota

l Thro

ughput

[bps/H

z]

最大多重数

従来方式

提案方式

高精度TP間キャリブレーション


TP#1

TP#NHDL UE

HDL

DL無線チャネル

DLマルチユーザMIMO• 送信ウェイト算出のため、

DL無線チャネルの正確な把握が重要

Tx

Rx

TP UEHDL

HUL

CHUL HDL

TDDのDL/ULチャネル双対性の利用• UEからの参照信号によって推定した

UL無線チャネル(HUL)をDL無線チャネル(HDL)とみなす

アンテナキャリブレーション• 厳密にはHULとHDLは異なる送信回路(Tx)、受信回路(Rx)の特性差を

キャリブレーション係数(C)で補償

キャリブレーション係数の算出• TP間で相互にキャリブレーション信号を送信し、

受信信号を比較して算出

CBBU

送信ウェイト(Precoding)

キャリブレーション信号

TP#1

TP#2

CBBU

C受信信号

比較


シミュレーション評価


1

2

3

4

5

6

78

9

10

11

12

1314

15

16

17

18

19

2021

22

23

24

25

26

27

2829

30

31

32

-100

-50

0

50

100

-100 -50 0 50 100

Y [

m]

X [m]

提案方式• TPの分散配置を考慮• 高品質なTP間通信経路を自動で検出都市部の複雑な伝搬環境でも、

運用管理が容易

面的容量特性• 従来方式: 理想条件に対して大きな特性劣化• 提案方式: 分散配置でも高品質なキャリブレーション信号を利用可能理想条件と同等の特性を達成

0

500

1000

1500

2000

2500

3000Areal spectral efficiency [bps/Hz/km2]

理想条件数珠繋ぎ型スター型ツリー型提案方式


5Gの状況




17

測定器を利用した5G実験


受信装置送信装置

分散アンテナユニット

送信装置

移動局アンテナ

中心周波数: 4.65 GHz(低SHF帯)

システム帯域幅: 200 MHz

アンテナ構成: 16×16(max)

最大スループット: 16 Gbps

屋外実験の測定環境


分散配置分散配置

基地局アンテナは建屋の7階に設置高さ：50m

集中配置

ドコモR&Dセンタ

100mStart Goal

0m

50m 150m 道路200m

基地局アンテナ（分散配置）

送信方向

基地局アンテナ（集中配置）

4送信点、1送信点あたり4素子

1送信点、16素子基地局アンテナ

移動局アンテナ:8素子(8ユーザ相当)

37m37m 37m

静止時スループット（集中アンテナ構成）


⑤

④③②

①

建物側

向かい側

街路樹のシャドウイングの影響の少ない向かい側の特性が良い

0m

50m100m 150m

200m

4

5

建物側

向かい側

基地局

建物側

向かい側

32 1

0

1

2

3

4

5

① ② ③ ④ ⑤

UE合

計ス

ルー

プット

[Gbp

s] 建物側

向かい側

■建物側■向かい側

静止時スループット（分散アンテナ構成）


0

1

2

3

4

5

① ② ③ ④ ⑤

UE合

計ス

ルー

プット

[Gbp

s] 建物側

向かい側

⑤

④③②

①

建物側

向かい側

0m

50m100m 150m

200m

4

5

建物側

向かい側

建物側

向かい側

32 1

■建物側■向かい側

③において、建物側のスループット劣化が小さい(シャドウイングの影響軽減)

基地局

移動時スループット


Start

0m

50m100m 150m

200m

分散配置の方が最大、平均ともに高いチャネル容量

Goal

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200

UE合

計ス

ルー

プット

[Gbp

s]

走行距離 [m]

分散配置

集中配置5 km/h5km/h ー分散配置

ー集中配置

分散配置

集中配置

最大スループット[Gbps]

5.1 4.5

平均スループット[Gbps]

3.7 3.0

参考文献

T. Seyama, M. Tsutsui, T. Oyama, T. Kobayashi, T. Dateki, H. Seki, M. Minowa, T. Okuyama, S. Suyama

and Y. Okumura, “Study of coordinated radio resource scheduling algorithm for 5G ultra high-density

distributed antenna systems,” IEEE VTS Asia Pacific Wireless Comunications Symposium (APWCS) 2016,

pp. 306–310, Aug. 2016.

小林, 熊谷, 実川, 瀬山, 伊達木, 関, 箕輪, “5G超高密度分散アンテナシステムにおける大容量化技術のアルゴリズム検討－

協調MU-MIMOにおける低演算量UE選択方式－,” 2017年信学総大, B-5-23, pp.359, Mar. 2017.

実川, 瀬山, 小林, 大山, 伊達木, 関, 箕輪, “5G超高密度分散アンテナシステムにおける送信点間キャリブレーション方式の検

討,”信学技報, RCS2016-142, pp.71-76, Jul. 2016.

椎崎, 秋山, 筒井, 伊達木, 関, 箕輪, 奥山, 増野, 須山, 奥村, “5G 超高密度分散アンテナシステムにおける大容量化技術の

実験的検証～広帯域マルチユーザMIMO 伝送実験における屋外端末移動時の性能検証～ ,” 信学技報, RCS2016-312,

pp.139-144, Mar. 2017.


本資料には、総務省からの委託を受けて実施した「第5世代移動通信システム実現に向けた研究開発」の成果の一部が含まれています。


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