Massive MIMO在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探析

卓 錦，李忠良，關(guān)靚華（.湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 406；.中南林業(yè)科技大學涉外學院，湖南 長沙 40；.威勝集團有限公司，湖南 長沙 4005）

0 引 言

超大帶寬、超高速率是5G的一個重要標簽，為了滿足更大的帶寬需求，5G采用C波段和毫米波進行組網(wǎng)，但高頻組網(wǎng)將面臨著更大的穿透損耗和更小的覆蓋距離等問題。更大的穿透損耗意味著室內(nèi)深度覆蓋將不足，單站覆蓋距離更小意味著需要更多的基站，因此5G網(wǎng)絡(luò)也面臨著建設(shè)成本高、建設(shè)難度大等一系列問題。Massive MIMO技術(shù)的出現(xiàn)較好地彌補了5G覆蓋上的難題，提升了5G單站覆蓋效果。

實際建設(shè)中，隨著5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署推進，5G網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋及感知等問題逐漸凸顯，尤其是高層住宅區(qū)、商業(yè)密集區(qū)，如何更好、更充分地利用Massive MIMO提升覆蓋率成為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化中的一個重要問題。本文也將結(jié)合工程實際測試探索Massive MIMO在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的功效，以便為5G建設(shè)和優(yōu)化提供參考。

1 Massive MIMO技術(shù)特點

Massive MIMO是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，其通過集成大規(guī)模天線陣列實現(xiàn)更多的收發(fā)通道，通過控制天線陣列中輻射單元的饋電線位來改變方向圖形狀，具有高增益、高能量效率以及高空間分辨率等特點，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下3個方面。

1.1 提升容量

Massive MIMO通過挖掘空間維度資源，利用空分特性降低不同終端間的信道相關(guān)性，從而使多個用戶可以在同一時頻資源上與基站同時進行通信，大幅度提高了頻譜效率。此外，下行通過MU-BF技術(shù)、上行通過MU-MIMO技術(shù)將多個用戶進行并發(fā)配對，較4G網(wǎng)絡(luò)極大地提升了通信容量。

1.2 增強覆蓋

5G Massive MIMO中，廣播信道采用窄波束發(fā)射，相較于3G、4G的寬波束發(fā)射，窄波束具有能量集中、控制更精準等特點。通過波束賦形可集中輻射于更小的目標區(qū)域，提升信號傳輸中的能量效率，增強覆蓋能力。

1.3 抗干擾強

5G采用三維波束賦形，波束在水平方向和垂直方向都可進行調(diào)整。窄波束跟隨目標終端進行調(diào)節(jié)，覆蓋目標更精準，對其他終端的干擾更低。此外，由于天線數(shù)目遠大于UE數(shù)目，因此系統(tǒng)空間自由度較高、抗干擾能力更強。

2 Massive MIMO應(yīng)用分析

實際工程中，Massive MIMO的應(yīng)用常與場景化聯(lián)系一起。5G Massive MIMO不同于傳統(tǒng)的固定波束方式，其窄波束可在水平和垂直方向進行調(diào)節(jié)。對于不同的水平波瓣、垂直波瓣、下傾角等參數(shù)的組合將對應(yīng)一種Pattern，根據(jù)天線設(shè)備的不同，5G Massive MIMO也對應(yīng)多種Pattern，這也是場景化定制的原因[1]。例如廣場場景追求更寬廣的覆蓋，可選擇水平波瓣寬度大的Pattern類型；而高樓場景追求垂直方向上的更大覆蓋，則可選擇垂直波瓣寬度大的Pattern類型。

2.1 場景特點分析

不同覆蓋場景具有不同特點，這就要求在通信建設(shè)中因地制宜，采用多樣化的手段來滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求。5G Massive MIMO工程應(yīng)用中，Pattern的選擇是一項重要工作，需要根據(jù)覆蓋場景合理分析覆蓋目標、場景特點等，合理規(guī)劃方位角、下傾角、水平波瓣寬度以及垂直波瓣寬度等[2]。

2.2 水平及垂直波瓣寬度測算

為了選擇最適配場景的Pattern以達到更好的覆蓋效果，需要結(jié)合覆蓋場景、基站位置等因素對Pattern相關(guān)參數(shù)進行規(guī)劃。工程中可結(jié)合覆蓋目標高度、寬度、基站距目標物距離以及天線掛高等參數(shù)進行測算，方法如圖1和圖2所示。

圖1 水平波瓣寬度測算方法

圖2 垂直波瓣寬度測算方法

通過對上述相關(guān)參數(shù)進行測量，則可較準確計算出覆蓋場景理想的水平和垂直波瓣寬度，為下一步確定Pattern模式奠定基礎(chǔ)。

2.3 Pattern模式選擇

確定好Pattern相關(guān)參數(shù)后，結(jié)合設(shè)備類型提供可選擇的Pattern模式，確定最適合覆蓋場景的模式，詳見表1。

表1 Pattern模式

3 實例分析

通過一個工程實例分析如何選擇5G Massive MIMO 中Pattern，驗證其對網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果的改善情況。

3.1 方案描述

覆蓋目標恒基凱旋門為磚混結(jié)構(gòu)高層居民樓，經(jīng)現(xiàn)場勘察樓高約105 m、樓寬約65 m、基站距覆蓋目標約180 m且天線掛高約30 m。當前MIMO配置為典型方式（Pattern 0），經(jīng)測試建筑物內(nèi)覆蓋效果不佳，室內(nèi)深度覆蓋不足。覆蓋環(huán)境如圖3所示。

圖3 覆蓋環(huán)境

典型MIMO配置適合廣覆蓋場景，此處覆蓋目標為高層建筑，典型配置未能達到最佳覆蓋效果。根據(jù)測算，水平波瓣寬度約為20°，垂直波瓣寬度約32°。該基站采用華為64T64R設(shè)備，設(shè)備提供的Pattern模式如表1所示。

結(jié)合上述對水平及垂直波瓣寬度測算情況，選擇Pattern 14較合適。

3.2 方案驗證

經(jīng)對高、中、低樓層窗口、走廊及電梯進行定點測試，典型配置（Pattern 0）與優(yōu)化模式（Pattern 14）下的定點測試結(jié)果如表2所示。

表2 定點測試結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計，測試樓層的整體情況如表3所示。

表3 測試樓層的整體情況

從以上測試可知，Pattern14下SS-RSRP和SSSINR指標都優(yōu)于典型配置，網(wǎng)絡(luò)覆蓋得到增強，上行和下行速率也有顯著提升，網(wǎng)絡(luò)感知更好。綜上，合理利用Massive MIMO可提升用戶感知，工程建設(shè)與優(yōu)化中應(yīng)加強對相關(guān)參數(shù)的規(guī)劃，因地制宜選擇合適的Pattern，使5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋更好，體驗更優(yōu)[3-5]。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合5G工程實踐，對Massive MIMO在高層建筑中的應(yīng)用進行分析和驗證，采用實測方式推算合適的Pattern。經(jīng)過對比測試，選擇適宜的Pattern可以給網(wǎng)絡(luò)覆蓋和感知帶來較大的提升，工程建設(shè)中應(yīng)加強MIMO參數(shù)的規(guī)劃，推動Massive MIMO技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋中大放異彩。