DoCoMo的5G构想：混合多种小区、活用毫米波

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各国已开始正式探讨第4代移动通信系统（4G）之后的下一代移动通信系统（5G）。2014年2月，国际电信联盟无线通信部门（ITU-R）讨论移动通信系统的WP5D工作组将于越南举行举行第18次会议，估计日本、韩国、中国、欧洲的相关团体会分别提出各自的5G构想。日本方面，电波产业协会（ARIB）在高级无线通信研究委员会内设置了名为“2020 and Beyond AdHoc”的讨论会，开始讨论5G服务与系统的构想、系统构成及无线接入技术等。

NTT DoCoMo在2013年10月举办的的“日本高新技术博览会”（CEATEC JAPAN 2013）上展示的模拟画面

在这种形势下，很早就面向5G提出各种关键技术方案的NTT DoCoMo于2013年12月19日公开了该公司5G构想的全貌。据推测，ITU-R将在2015年世界无线电通信大会“WRC-15”上确定5G的蓝图，在2018年的“WRC-18”上决定5G用频率。ITU-R表现出了以2015～2018年前后正式确立5G移动通信国际标准为目标、主导5G相关讨论及技术开发的意向。

扩展“Phantom Cell”

NTT DoCoMo面向5G提出了“扩展Phantom Cell”的概念，将多种蜂窝小区（基站）组合起来实现无线接入，以及支撑该概念的“移动光网络”。其基本思路是“在现有宏蜂窝上重叠配置使用高频带的小型蜂窝，利用比原来容量更大而且延迟更短的回程线路（Backhaul，中继网络）来连接基站群”（NTT DoCoMo先进技术研究所无线方式研究小组负责人、主任研究员奥村幸彦）。

NTT DoCoMo以前曾提出过并用宏蜂窝和小型蜂窝的“Phantom Cell”概念。其内容是，将现有技术中通过同一蜂窝小区收发的控制信号（控制平面）与用户数据（用户平面）分离，采用低频带、覆盖区域大的宏蜂窝主要用于控制平面，使用高频率大频带、输出功率小的小型蜂窝则主要用于用户平面。

NTT DoCoMo此次扩展了这一概念，新的方式是将使用SHF频带（3G～30GHz）以及使用EHF频带（30GHz以上的毫米波）等的大小不同的小型蜂窝小区、配备在地铁及公交车等移动体上的“移动式蜂窝小区”及无线热点作为用户平面使用（图1），根据用户的移动情况及各蜂窝小区的利用情况等，从上述多种蜂窝小区中分配出最适合的无线资源，而用来分配蜂窝小区的信号则利用宏蜂窝来传输。

图1 将大小不同的蜂窝小区组合在一起 关于5G的基本架构，NTT DoCoMo提出了在现有宏蜂窝上重叠配置多种小型蜂窝的“扩展Phantom Cell”概念，设想并用SHF频带及EHF频带等高频带。（该图由《日经电子》根据NTT DoCoMo的资料绘制）

使用大量天线、多方向进行波束成形

在NTT DoCoMo的5G构想中，各种蜂窝小区中将采用很多新技术（图2）。例如，在使用800MHz频带及2GHz频带等的宏蜂窝中采用“NOMA”（non-orthogonal multiple access：非正交多址接入）这种新的接入方式。以前只能为单一的无线资源（比如按频率和时间分割的块）分配一个用户，而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。该公司通过模拟，验证了在城市地区采用NOMA的效果，并已证实，采用该方法可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50%左右。

图2 在各种蜂窝小区中采用的新技术 NTT DoCoMo的概念中新导入的主要技术。核心技术是在宏蜂窝小区中导入新接入方式、将使用大量天线的Massive MIMO应用于小型蜂窝小区，以及确立为用户分配合适的蜂窝小区的方法等。

而对于使用6GHz以下低SHF频带的小型蜂窝小区，设置数量要比宏蜂窝多，“未必能够实现像宏蜂窝一样经过缜密设计的蜂窝配置”（NTT DoCoMo的奥村）。因此，该公司在小型蜂窝中采用了在区域重叠的蜂窝之间防止干扰的技术和协作收发技术等。

具体来说，在使用6GHz～30GHz的高SHF频带和使用30GHz以上EHF频带的小型蜂窝小区中采用“Massive MIMO”技术，这是利用排成阵列的大量天线为多个数据流进行波束成形的技术。小型基站会向多个终端并行发射高指向性波束。

NTT DoCoMo还证实了Massive MIMO技术的可实现性。据该公司介绍，设想使用20GHz频带的400MHz带宽实现最大23.5Gbit/秒的数据传输速度时，可以用硅半导体制作小型蜂窝用天线。以25dBm发送16个数据流时，设置256个以上的天线，便可实现NTT DoCoMo设想的小型蜂窝基站的目标——“全体发射功率低于30dBm”。每个天线的发射功率仅为6dBm，“这是包括功率放大器在内均可用硅半导体制作的水平”（奥村）。

在扩展Phantom Cell概念中新增的移动式蜂窝小区中，NTT DoCoMo设想采用可通过Massive MIMO改变波束方向并同时追踪移动站的移动式基站，以及进行通信中继的移动体内基站。（作者：竹居 智久，日经技术在线！供稿）