5G Massive MIMO天饋建設(shè)方案探討

1 引言

近兩年5G成為全社會全行業(yè)關(guān)注的焦點，3GPP于2018年已完成5G R15標(biāo)準(zhǔn)（主要面向eMBB場景），計劃2019年完成5G R16標(biāo)準(zhǔn)（面向eMBB、mMTC、uRLLC三大場景），目前中國正在前期開展各項5G試驗的基礎(chǔ)上全力發(fā)展5G。2019年6月25日中國移動發(fā)布5G+計劃：2019年將建設(shè)超過5萬個5G基站，在超過50個城市實現(xiàn)5G商用服務(wù)；2020年將進(jìn)一步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，在全國所有地級以上城市提供5G商用服務(wù)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)離我們越來越近，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)尤其是5G網(wǎng)絡(luò)天饋建設(shè)將成為各項工作的重點。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)引入了Massive MIMO技術(shù)，在保證5G高速率能力的同時，也帶來了5G天饋建設(shè)方案的挑戰(zhàn)。

2 5G Massive MIMO原理及產(chǎn)品形態(tài)

Massive MIMO也即大規(guī)模天線技術(shù)，是5G物理層關(guān)鍵技術(shù)之一，它通過在基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量（如128/192等）的陣列天線實現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性。相比于以前的單/雙極化天線及4/8通道天線，Massive MIMO能夠通過空域、時域、頻域、極化域等不同的維度提升頻譜和能量的利用效率；3D波束賦形和信道預(yù)估技術(shù)可以自適應(yīng)地調(diào)整各天線陣子的相位和功率，顯著提高系統(tǒng)的波束指向準(zhǔn)確性，在增強(qiáng)用戶信號的同時降低小區(qū)內(nèi)自干擾、鄰區(qū)干擾，是提升用戶信號載干比的關(guān)鍵技術(shù)。

簡單來講，Massive MIMO憑借大規(guī)模天線，有3個增益：在水平和垂直兩個維度動態(tài)調(diào)整信號方向，形成信號能量更集中、方向更精準(zhǔn)的波束，帶來覆蓋上的增益和干擾抑制增益，同時支持更多用戶在相同時頻資源上并行傳輸，帶來空分復(fù)用增益，64通道能夠支持16～32流數(shù)據(jù)傳輸。從目前5G試驗網(wǎng)的測試數(shù)據(jù)看，采用Massive MIMO的5G基站平均下載速率至少可以達(dá)到普通4G基站的10倍以上，如圖1所示。

圖1 5G Massive MIMO波束賦形示意圖

Massive MIMO技術(shù)經(jīng)過這兩年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，目前5G產(chǎn)品形態(tài)主要聚焦于128陣子/192陣子、64通道/32通道的AAU（或AAS）產(chǎn)品，后續(xù)還會推出與4G類似的8通道RRU+天線產(chǎn)品。5G AAU實現(xiàn)了原4G RRU與天線的一體化，垂直高度比4G 8通道天線小，水平長度比4G 8通道天線稍長，典型尺寸垂直高度約1米，水平長度約0.45米，因省了RRU，整體尺寸和占用的空間相比4G有優(yōu)勢。5G Massive MIMO天線典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G Massive MIMO 64通道天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

其中，天線陣子排列為為8列×4行×2極化，陣子數(shù)與天線幅面尺寸、頻段、排布間距相關(guān)，在頻段和陣元排布間距確定的前提下，天線陣子數(shù)越多，天線物理增益越大；水平陣子間距一般為0.5λ，垂直陣子間距一般為0.7～1λ。Massive MIMO中能夠并行傳輸?shù)摹奥贰狈Q為一個通道，每個通道連接獨(dú)立的功率放大器（PA），同時驅(qū)動3個天線陣子。

不同天線陣子數(shù)與通道數(shù)的天線內(nèi)部形態(tài)對比如圖3所示。

圖3 不同天線陣子數(shù)與通道數(shù)的天線內(nèi)部形態(tài)

3 5G Massive MIMO天饋建設(shè)挑戰(zhàn)和建設(shè)總體原則

5G Massive MIMO天線迎風(fēng)面積與4G 8通道天線基本相當(dāng)，但重量較大，綜合考慮5G Massive MIMO天線迎風(fēng)面積、重量以及在桿塔上的安裝位置，建議5G Massive MIMO天線采用獨(dú)立抱桿安裝方式，抱桿直徑60～120 mm，壁厚4 mm。但隨著以往2G、4G以及NBIoT網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，目前各運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多、天線多，而城市天面安裝空間十分有限，天面環(huán)境非常復(fù)雜，物業(yè)敏感度也越來越高，將為5G Massive MIMO天饋建設(shè)帶來巨大挑戰(zhàn)。

為保證5G Massive MIMO天線能獨(dú)立抱桿安裝，更多的需要騰挪現(xiàn)網(wǎng)天線、改造現(xiàn)網(wǎng)天饋，結(jié)合現(xiàn)場實際情況以及減少租金成本的角度考慮，總體建設(shè)原則如下：

（1）拆除無效天線：若原抱桿上有無效天線（如TDS獨(dú)立天線，G網(wǎng)改造后未拆除的老舊天線等），應(yīng)優(yōu)先拆除無效天線，空出抱桿資源安裝5G Massive MIMO天線；

（2）騰挪現(xiàn)網(wǎng)天線/RRU：充分利用現(xiàn)網(wǎng)資源，在同一根抱桿上騰挪（上下或左右微調(diào)）現(xiàn)網(wǎng)天線或RRU，空出位置安裝5G Massive MIMO天線；

（3）利舊空余抱桿：利用現(xiàn)有空余抱桿安裝5G Massive MIMO天線；

（4）現(xiàn)網(wǎng)天饋改造：采用4 488、2 222、2 288等多頻多端口天線整合現(xiàn)有的2/4G系統(tǒng)，空出抱桿安裝5G Massive MIMO天線；

（5）新增天面抱桿：新增抱桿或采用微配套方式自建。

以上總體建設(shè)原則優(yōu)先級從高到低，其中現(xiàn)網(wǎng)天饋改造和新增天面抱桿的優(yōu)先級不分先后。

4 5G Massive MIMO天饋改造方案

在以上5G Massive MIMO天饋建設(shè)總體原則中，前3種情況相對比較少見，現(xiàn)網(wǎng)天饋改造是5G Massive MIMO比較常見的建設(shè)方式，但也是相對技術(shù)比較復(fù)雜的方式。以下將對5G Massive MIMO天饋改造方案進(jìn)行深入探討。

4.1 天饋改造方案

對于中國移動，現(xiàn)網(wǎng)天饋如何改造需要考慮兩個問題：一是現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)的天線類型及數(shù)量，二是本期5G系統(tǒng)是否需要反向開通4G Massive MIMO。對于第一個問題是顯而易見的，天饋現(xiàn)狀決定了具體改造方案。對于第二個問題，2018年12月6日工信部向中國移動、中國電信、中國聯(lián)通發(fā)放了5G系統(tǒng)中低頻段試驗頻率使用許可，劃分2 515～2 675 MHz共160 M給中國移動用于4/5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、4.9 GHz共100 M用于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。針對2.6G頻段，中國移動要求5G無線主設(shè)備支持160 M頻寬，意味著產(chǎn)品在2 515～2 675 MHz上支持4/5G混模，所以5G無線主設(shè)備可以反向開通4G Massive MIMO，因此在討論具體天饋建設(shè)原則時需區(qū)分是否要反向開通4G Massive MIMO。如果反向開通4G Massive MIMO，則原先4G天饋可以拆除，5G天饋根據(jù)拆除情況選擇如何建設(shè)；如果不反向開通4G Massive MIMO，則原4G天饋與5G天饋同時存在。

回過來討論第一個問題，研究現(xiàn)網(wǎng)天饋改造方案的傳統(tǒng)方法是排列組合現(xiàn)網(wǎng)各系統(tǒng)天線類型及合路情況，評判如何合路以空出一個安裝位置給5G天饋，按照目前中國移動的天饋系統(tǒng)，排列組合可以得出上百種方案，過于復(fù)雜和龐大，不利于實際的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計，可操作性差，因此我們必須以簡化的思維尋找解決方案?？紤]到2018年中國移動經(jīng)過GNF網(wǎng)絡(luò)改造后，現(xiàn)網(wǎng)天饋主要分為兩種類型：一種是4G類型的天線（FD系統(tǒng)2通道/8通道），一種是GNF類型的天線（2+2、4+4、2288、4488等），因此先分成這2種場景，然后每種場景再以天線的端口數(shù)進(jìn)行細(xì)化考慮，而不是以系統(tǒng)數(shù)進(jìn)行考慮，將大大降低排列組合的數(shù)量。同時進(jìn)一步考慮，將4G天線類型和GFN天線類型作為橫豎兩個維度進(jìn)行交叉查詢，而不是直接排列組合，可以速查各種天饋改造方案，簡單快捷，可操作性極強(qiáng)。

綜合以上，具體的天饋改造方案如下：

（1）5G系統(tǒng)反向開通4G Massive MIMO時

將4G場景天線劃分為：單F頻段2通道天線即“單F2（無D）”，單F頻段8通道天線即“單F8（無D）”，D頻段獨(dú)立天線即“D獨(dú)立”，F(xiàn)和D頻段2通道合路天線即“F、D2通道合路”，F(xiàn)和D頻段8通道合路天線即“F、D8通道合路”；將GNF場景天線劃分為：2+2天線（包括900+1800系統(tǒng)天線或純900系統(tǒng)天線或純1 800系統(tǒng)天線）、4+4天線（包括900+1 800系統(tǒng)天線或純900系統(tǒng)天線或純1 800系統(tǒng)天線）、2+4天線（包括900+1 800系統(tǒng)天線或純900系統(tǒng)天線或純1800系統(tǒng)天線）、1800*2天線（只含1800系統(tǒng)天線，無900系統(tǒng)天線）、900*2天線（只含900系統(tǒng)天線，無1800系統(tǒng)天線）等，典型的速查改造方案如表1所示。

表1 5G Massive MIMO天饋改造方案速查表

以GNF場景是2+2天線為例，或為900+1800系統(tǒng)，或為純900系統(tǒng)，或為1800系統(tǒng)，這里不再單獨(dú)考慮屬于什么系統(tǒng)，而只考慮天線的端口類型，此時，如果原4G系統(tǒng)采用的是F、D8通道合路天線，那么本次天饋改造方案是：將GNF天線和4G天線換成2288天線并合路，空出一根抱桿安裝5G Massive MIMO天線即可，改造示意如圖4所示。

圖4 現(xiàn)網(wǎng)天饋改造示例

表1中沒有考慮GNF場景是4488天線、2288天線、2222天線，以及現(xiàn)網(wǎng)采用集束天線、排氣管天線和其他特型天線、燈桿等通信桿的情況，這些情況下只能通過新增抱桿的方式安裝5G Massive MIMO天線。

（2）5G系統(tǒng)不反向開通4G Massive MIMO時

此時，只需將表1中4G場景D獨(dú)立對應(yīng)的情況，天饋改造方案全部改成新增抱桿即可，其他均與5G系統(tǒng)反向開通4G Massive MIMO時的方案一致，這里不再贅述。

4.2 下傾設(shè)計問題

在天饋改造完畢設(shè)置5G天線下傾時，應(yīng)優(yōu)先使用機(jī)械下傾，杜絕出現(xiàn)0°機(jī)械下傾的情況，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整下傾角預(yù)留空間。因多數(shù)情況下5G系統(tǒng)與4G系統(tǒng)共建，所以當(dāng)前5G Massive MIMO天線的下傾主要繼承原4G系統(tǒng)天線的下傾，但是5G Massive MIMO天線增益大于4G天線，并且數(shù)據(jù)信道垂直波束寬度遠(yuǎn)大于4G系統(tǒng)，因此可能形成越區(qū)覆蓋，5G下傾理論應(yīng)比4G下傾大，后續(xù)需繼續(xù)研究5G Massive MIMO天線的下傾設(shè)計問題。

5 結(jié)束語

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐步推進(jìn)，5G天饋建設(shè)將成為各項工作的重點。本文主要討論5G Massive MIMO天線形態(tài)、5G天饋建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)，結(jié)合實際情況分析5G天饋建設(shè)總體原則以及具體改造方案，為后續(xù)大規(guī)模5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供一定的參考意義。