5Gビジョン 期待される無線システム 1

超 大 容 量 Massive MIMO 伝 送 ~16ビーム 空 間 多 重 による20Gbps 伝 送 の 可 能 性 検 証 ~ 2015 年 7 月 23 日 三 菱 電 機 株 式 会 社

5Gビジョン 期待される無線システム 1

5Gビジョン 次世代交通システム パーソナルナビゲーション 次世代ロボット等のサービス実現に 必要なEnhanced Mobile BroadbandやUltra-reliable and low latency communicationsに寄与する5g技術の開発に注力 次世代交通システム 次世代ロボット パーソナルナビゲーション 2

5Gの要求条件 ピークデータレート20Gbps 容量10Mbps/m2 Latency 1msが求められる ユースケースによって求められる条件が異なる Enhancement of key capabilities from IMT-Advanced to IMT-2020 The importance of key capabilities in different usage scenarios 出展 ITU-R 3

5Gネットワーク 構 成 例 と 技 術 課 題 5G 要 求 条 件 を 満 たすためのさまざまな 無 線 と 有 線 の 技 術 課 題 において 高 周 波 数 帯 無 線 アクセス 実 現 に 向 けては Massive MIMO 技 術 高 速 広 帯 域 回 路 技 術 高 周 波 デバイス 技 術 が 鍵 となる 5Gネットワーク 構 成 例 EPC 光 中 継 伝 送 装 置 中 継 伝 送 網 高 速 大 容 量 光 通 信 技 術 L2SW 装 置 光 デバイス 技 術 SDN コントローラ マスターeNB LTE/LTE-A 基 地 局 ( 親 局 ) 局 間 制 御 I/F セカンダリeNB 5G 基 地 局 ( 親 局 ) 無 線 制 御 技 術 OLT 光 アクセス( 次 世 代 PON) Massive MIMO 技 術 高 速 広 帯 域 回 路 技 術 EPC:Evolved Packet Core SDN:Software Defined Networks LTE/LTE-A 基 地 局 ( 子 局 ) 5G 基 地 局 ( 子 局 ) 高 周 波 デバイス 技 術 4

空 間 多 重 数 8 以 上 空 間 高 速 大 容 量 化 低 遅 延 化 帯 域 幅 と 空 間 多 重 数 を 上 げて 高 速 大 容 量 化 無 線 フレーム 長 を 短 くして 低 遅 延 化 Massive MIMO 技 術 RF A/D D/A BBの 高 速 広 帯 域 化 技 術 が 必 要 物 理 リソースイメージ 3.9G 4G LTE-A Typ. 300Mbps 5G LTE 150Mbps 2 1 40MHz(20MHz 2) 2 1 20MHz LTE-A Max. 3Gbps 8 7 6 5 4 3 2 1 100MHz(20MHz 5) 総 通 信 帯 域 800MHz 以 上 で Peak data rate 10Gbps User plane latency 1ms 周 波 数 帯 域 幅 数 100MHz 周 波 数 帯 域 幅 5

5G 無 線 アクセスの 課 題 整 理 5G 無 線 アクセスの 実 現 には Massive MIMOをはじめとする 技 術 確 立 が 必 要 課 題 まとめ 伝 搬 損 失 補 償 Massive MIMO 多 素 子 アンテナ 干 渉 低 減 デジタルMIMO 処 理 高 速 大 容 量 化 RF A/D D/A BBの 高 速 広 帯 域 化 低 遅 延 デバイス 集 積 化 小 型 化 低 コスト 6

Massive MIMO 送 信 機 構 成 (サブアレー 型 APAA-MIMO) アナログビームフォーミングとデジタルMIMO 処 理 を 組 合 せた 空 間 多 重 方 式 多 素 子 アンテナとアナログRF 回 路 により 簡 易 にビームを 形 成 アナログビーム 間 干 渉 をデジタルMIMO 処 理 にて 低 減 し 伝 送 速 度 低 下 を 抑 制 サブアレー 型 APAA MIMO 多 素 子 アンテナ デジタル 信 号 処 理 にてアナログビーム 間 干 渉 を 低 減 サブアレー 数 の3 乗 に 比 例 した 行 列 演 算 Analog(RF) Digital LPF D/A Stream 1 Digital MIMO Processing LPF D/A Stream 4 全 アンテナ 素 子 数 が 同 一 の 場 合 サブアレー 分 割 数 分 だけデジタルMassive MIMOよりも 利 得 低 い APAA:Active phased array antenna ~ 高 額 部 品 をサブアレー 数 分 に 削 減 7

アナログビームフォーミング( 適 用 例 ) アレーアンテナによるアナログビームフォーミングは これまで 衛 星 通 信 などに 適 用 された 技 術. 超 高 速 インターネット 衛 星 (WINDS) 搭 載 Ka 帯 APAA ビームフォーミング 用 高 周 波 デバイス ( 通 信 ソサイエティマガジンNO.3 冬 号 2007より 引 用 ) 30GHz 帯 5ビットMMIC 可 変 減 衰 器 30GHz 帯 5ビットMMIC 移 相 器 ヘリコプタ 搭 載 Ku 帯 APAA 12GHz 帯 マルチチップ 受 信 モジュール 8

アナログビームフォーミング( 動 作 原 理 ) 各 アンテナ 素 子 でRF 信 号 の 通 過 位 相 を 制 御 することで アレーアンテナが 放 射 するビームの 方 向 を 任 意 に 制 御 アナログビームフォーミング 動 作 原 理 RF signals PS VGA MDL #1 #2 #3 Configuration of an APAA transmitter. ex:1 #1 #2 #3 ex:2 #1 #2 #3 Beam ( MDL: module, PS: phase shifter, VGA: Variable gain amplifier ) 9

Level [db] アナログビームフォーミング( 構 成 回 路 ) アナログビームフォーミングを 行 うための 移 相 器 (PS)を 含 む 44GHz 帯 送 信 モジュール 小 型 高 性 能 APAA 送 信 モジュール モジュール 外 観 DA MIX 回 路 ブロック 図 PS DA HPA DIV PS DA HPA Filter 0-10 諸 元 項 目 キャリア 周 波 数 周 波 数 帯 域 幅 素 子 数 4 HPA 送 信 出 力 PS 挿 入 損 失 サイズ 諸 元 43.5~43.8GHz 300MHz 22dBm -10.8dB 25.6 54.4 3.9mm 送 信 アンテナ 放 射 パターン RF1 MIX DA Filter DA RF2 IF RF3 RF4 LO 本 研 究 の 一 部 は 総 務 省 委 託 研 究 ミリ 波 帯 高 速 移 動 体 通 信 システム 技 術 の 研 究 開 発 の 成 果 である -20-30 -40-90 -60-30 0 30 60 90 Offset Angle [deg.] 10

マルチビーム 多 重 化 に 向 けた 基 礎 実 験 ( 実 験 環 境 実 験 系 ) 株 式 会 社 NTTドコモと 三 菱 電 機 は 高 周 波 数 帯 の 高 速 伝 送 実 現 に 向 け 多 素 子 アンテナを 用 いるマルチビーム 多 重 化 技 術 の 基 礎 実 験 を 実 施 実 験 環 境 実 験 系 送 信 系 44GHz 帯 APAA 受 信 系 ホーンアンテナ 送 信 機 ローテータ 50m 100m 11

マルチビーム多重化に向けた基礎実験 送信機 送信機 44GHz帯APAA 主要諸元 34mm 項目 仕様 送信周波数 44GHz帯 帯域幅100MHz 空中線電力 2W 空中線利得 17.2dBi 指向範囲 ±45度 寸法 300 170 90mm 質量 6kg アンテナ 素子数 48素子 8 6) 22mm 12

マルチビーム 多 重 化 に 向 けた 基 礎 実 験 ( 伝 搬 実 験 ) 各 測 定 点 に 対 しアナログビームを 照 射 各 測 定 点 における 所 望 干 渉 ビームを 測 定 送 信 点 から 見 た 主 ビーム 放 射 パターンイメージ -45-40 -35-30 -25-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0 24-5 -5 11-10 -10-15 -15-20 -20 6-25 -25 2 12 7 18-30 -30 3 13 8-35 -35-40 -40-45 -45 25 4 9 10 17 15-45 -40-35 -30-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 13

マルチビーム多重化に向けた基礎実験 伝搬実験結果 伝搬測定解析結果 測定点#6における到来波 測定点#6に向けたビームからの到来波 #6-1 #6-2 測定点#7に向けたビームからの到来波 #7-2 #7-1 #6-3 測定点#11に向けたビームからの到来波 測定点#18に向けたビームからの到来波 #18-2 #11-1 #18-1 #6-1 クラスタ #6-1 クラスタ #6-2 クラスタ #7-1 クラスタ #7-2 クラスタ #11-1 #18-1 クラスタ #18-2 13/ -25 10/ -19 12/ -25 28/-20 32/-17 10/-19 13/-25 28/-20 AoA (方位角/仰角)[deg] 189/27 356/8 345/-60 146/22 126/27 356/18 186/26 146/22 遅延時間 [usec] 0.00 5.1 10-2 9.2 10-2 2.6 10-2 3.3 10-2 5.1 10-2 0.0 2.6 10-2 受信電力[dBm] -62.8-77.7-79.1-75.8-79.8-81.7-65.6-74.6 AoD (方位角/仰角)[deg] 14

マルチビーム多重化に向けた基礎実験 伝搬実験結果 伝搬測定結果 測定点#11における到来波 測定点#6に向けたビームからの到来波 測定点#7に向けたビームからの到来波 #7-2 #6-1 測定点#11に向けたビームからの到来波 #7-1 測定点#18に向けてビームからの到来波 11-1 18-1 #6-1 #7-1 クラスタ #7-2 #11-1 #18-1 AoD (方位角/仰角)[deg] 8/-15 8/-15 20/-18 8/-15 8/-15 AoA (方位角)[deg] 185/16 185/16 156/3 185/16 185/16 遅延時間 [usec] 0.0 0.0 1.2 10-2 0.0 0.0 受信電力[dBm] -68.7-71.6-78.0-66.4-72.0 15

マルチビーム 多 重 化 に 向 けた 基 礎 実 験 ( 伝 送 シミュレーション) 取 得 した 前 頁 の 伝 搬 プロファイルをもとに クラスタベースのMIMOチャネルの 伝 送 路 行 列 を 生 成 し 伝 送 シミュレーションを 実 施 クラスタベースのMIMOチャネルモデル tx antenna array p1 τ1 θ1 φ1 cluster#1 σ scatter #1~#N σ φ1 rx antenna array φ2 φ AoA x y 伝 搬 プロファイル ( 電 力 遅 延 時 間 AoD AoA) 入 力 クラスタベースのMIMO チャネルモデル y x θ1 θ AoD θ2 σ scatter #1~#N σ h(i,j,k,l) cluster#2 p2 τ2 θ2 φ2 モデル 条 件 出 力 MIMOチャネル の 伝 送 路 行 列 アンテナ 仮 想 配 置 実 験 で 取 得 した 直 接 波 / 散 乱 波 の 電 力 遅 延 時 間 AoD AoA を 用 いてクラスタを 配 置 アンテナ 仮 想 配 置 クラスタ 角 度 広 がりσ=5 スキャッタ 数 /クラスタ=15 クラスタ 内 スキャッタ: 一 様 ランダム 16

スループット [Gbps] マルチビーム 多 重 化 に 向 けた 基 礎 実 験 ( 伝 送 シミュレーション) 16 測 定 点 をモデル 化 したマルチユーザMIMO 伝 送 シミュレータを 構 築 アナログビームフォーミングとデジタルプリコーディングを 組 合 せたマルチビーム 空 間 多 重 Massive MIMO 伝 送 性 能 を 評 価 1 LOS 環 境 にて16ストリーム 多 重 が 可 能 であることを 確 認 2 16ユーザ 多 重 占 有 帯 域 幅 500MHz 条 件 にてスループット20Gbps 超 を 確 認 伝 送 シミュレーションの 諸 元 と 結 果 伝 送 方 式 項 目 占 有 帯 域 幅 変 調 方 式 OFDM 500MHz 諸 元 適 応 変 調 QPSK/16QAM/64QAM/256QAM 誤 り 訂 正 ターボ 符 号 (1/2, 2/3, 3/4) 送 信 系 サブアレー 2 次 元 平 面 アレー(48 素 子 ) 送 信 系 サブアレー 数 16(10λ 間 隔 ) ユーザ 数 受 信 系 アンテナ 受 信 系 NF クラスタ 角 度 広 がり プリコーディング 16ユーザ 等 方 性 アンテナ 1 6 db オーバーヘッド 20% 送 信 側 受 信 側 とも5 ブロック 対 角 化 / 固 有 モード 伝 送 35 30 25 20 15 10 5 0 +33dBm 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 送 信 電 力 [dbm / stream] Area25 Area24 Area23 Area18 Area17 Area15 Area12 Area11 Area10 Area9 Area8 Area7 Area6 Area4 Area3 Area2 17

マルチビーム 多 重 化 に 向 けた 基 礎 実 験 ( 伝 送 シミュレーション) 今 後 もサブアレー 型 APAA MIMOのパラメータ 最 適 化 マルチビーム 多 重 化 検 証 を 行 う 仮 想 16ビーム 16ユーザ 空 間 多 重 伝 送 シミュレーション 評 価 結 果 イメージ 図 イメージ 図 18

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