2014年01月23日08:55
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各國已開始正式探討第4代移動通信系統（4G）之后的下一代移動通信系統（5G）。2014年2月，國際電信聯盟無線通信部門（ITU-R）討論移動通信系統的WP5D工作組將於越南舉行舉行第18次會議，估計日本、韓國、中國、歐洲的相關團體會分別提出各自的5G構想。日本方面，電波產業協會（ARIB）在高級無線通信研究委員會內設置了名為“2020 and Beyond AdHoc”的討論會，開始討論5G服務與系統的構想、系統構成及無線接入技術等。
NTT DoCoMo在2013年10月舉辦的的“日本高新技術博覽會”（CEATEC JAPAN 2013）上展示的模擬畫面
在這種形勢下，很早就面向5G提出各種關鍵技術方案的NTT DoCoMo於2013年12月19日公開了該公司5G構想的全貌。據推測，ITU-R將在2015年世界無線電通信大會“WRC-15”上確定5G的藍圖，在2018年的“WRC-18”上決定5G用頻率。ITU-R表現出了以2015∼2018年前后正式確立5G移動通信國際標准為目標、主導5G相關討論及技術開發的意向。
擴展“Phantom Cell”
NTT DoCoMo面向5G提出了“擴展Phantom Cell”的概念，將多種蜂窩小區（基站）組合起來實現無線接入，以及支撐該概念的“移動光網絡”。其基本思路是“在現有宏蜂窩上重疊配置使用高頻帶的小型蜂窩，利用比原來容量更大而且延遲更短的回程線路（Backhaul，中繼網絡）來連接基站群”（NTT DoCoMo先進技術研究所無線方式研究小組負責人、主任研究員奧村幸彥）。
NTT DoCoMo以前曾提出過並用宏蜂窩和小型蜂窩的“Phantom Cell”概念。其內容是，將現有技術中通過同一蜂窩小區收發的控制信號（控制平面）與用戶數據（用戶平面）分離，採用低頻帶、覆蓋區域大的宏蜂窩主要用於控制平面，使用高頻率大頻帶、輸出功率小的小型蜂窩則主要用於用戶平面。
NTT DoCoMo此次擴展了這一概念，新的方式是將使用SHF頻帶（3G∼30GHz）以及使用EHF頻帶（30GHz以上的毫米波）等的大小不同的小型蜂窩小區、配備在地鐵及公交車等移動體上的“移動式蜂窩小區”及無線熱點作為用戶平面使用（圖1），根據用戶的移動情況及各蜂窩小區的利用情況等，從上述多種蜂窩小區中分配出最適合的無線資源，而用來分配蜂窩小區的信號則利用宏蜂窩來傳輸。
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圖1 將大小不同的蜂窩小區組合在一起 關於5G的基本架構，NTT DoCoMo提出了在現有宏蜂窩上重疊配置多種小型蜂窩的“擴展Phantom Cell”概念，設想並用SHF頻帶及EHF頻帶等高頻帶。（該圖由《日經電子》根據NTT DoCoMo的資料繪制） |
使用大量天線、多方向進行波束成形
在NTT DoCoMo的5G構想中，各種蜂窩小區中將採用很多新技術（圖2）。例如，在使用800MHz頻帶及2GHz頻帶等的宏蜂窩中採用“NOMA”（non-orthogonal multiple access：非正交多址接入）這種新的接入方式。以前隻能為單一的無線資源（比如按頻率和時間分割的塊）分配一個用戶，而NOMA方式可將一個資源分配給多個用戶。該公司通過模擬，驗証了在城市地區採用NOMA的效果，並已証實，採用該方法可使無線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50%左右。
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圖2 在各種蜂窩小區中採用的新技術 NTT DoCoMo的概念中新導入的主要技術。核心技術是在宏蜂窩小區中導入新接入方式、將使用大量天線的Massive MIMO應用於小型蜂窩小區，以及確立為用戶分配合適的蜂窩小區的方法等。 |
而對於使用6GHz以下低SHF頻帶的小型蜂窩小區，設置數量要比宏蜂窩多，“未必能夠實現像宏蜂窩一樣經過縝密設計的蜂窩配置”（NTT DoCoMo的奧村）。因此，該公司在小型蜂窩中採用了在區域重疊的蜂窩之間防止干擾的技術和協作收發技術等。
具體來說，在使用6GHz∼30GHz的高SHF頻帶和使用30GHz以上EHF頻帶的小型蜂窩小區中採用“Massive MIMO”技術，這是利用排成陣列的大量天線為多個數據流進行波束成形的技術。小型基站會向多個終端並行發射高指向性波束。
NTT DoCoMo還証實了Massive MIMO技術的可實現性。據該公司介紹，設想使用20GHz頻帶的400MHz帶寬實現最大23.5Gbit/秒的數據傳輸速度時，可以用硅半導體制作小型蜂窩用天線。以25dBm發送16個數據流時，設置256個以上的天線，便可實現NTT DoCoMo設想的小型蜂窩基站的目標——“全體發射功率低於30dBm”。每個天線的發射功率僅為6dBm，“這是包括功率放大器在內均可用硅半導體制作的水平”（奧村）。
在擴展Phantom Cell概念中新增的移動式蜂窩小區中，NTT DoCoMo設想採用可通過Massive MIMO改變波束方向並同時追蹤移動站的移動式基站，以及進行通信中繼的移動體內基站。（作者：竹居 智久，日經技術在線！供稿）
