Massive MIMO在5G中的規劃應用

徐 濤

Massive MIMO在5G中的規劃應用

徐 濤

中睿通信規劃設計有限公司，廣東 廣州 510000

Massive MIMO，即大規模的多輸入多輸出無線傳輸技術。這種技術在大量天線的使用條件下，可以獲得眾多和傳統MIMO系統具有差異性的物理特性與傳輸特性，可以讓4G系統再次提升量級。首先對Massive MIMO的特性予以闡述，然后結合實際試點案例，對Massive MIMO在5G的規劃進行了分析，針對其應用效果展開了討論，提出了幾點應用建議以及在未來的應用中需要解決的主要問題。

Massive MIMO；5G；站址資源；天線選擇技術

引言

無線通信在經過百余年的高速發展后，已經成為人們日常工作與生活中必不可少的一部分。新型移動互聯網業務的崛起促使全球移動通信網絡的容量得到明顯提升。傳統通信用戶規模與類型將發生質的變化。在各行各業中，無線通信系統的依賴程度與需求程度將得到持續增加，這對于無線通信系統的發展是一種挑戰，但對于Massive MIMO技術的應用、5G的研究和發展來說也是一種機遇。

1 Massive MIMO特性

Massive MIMO是未來5G通信革命性技術之一。現階段，Massive MIMO系統具有兩種模式：一是FDD模式；二是TDD模式。在FDD模式下，系統會利用差異化的頻段完成數據傳輸工作，利用反饋可以得到下行鏈路信道狀態信息。在TDD模式下，在信道互易性基礎上，利用上行鏈路導頻序列可以完成下行鏈路的信道估計工作[1]。現階段，Massive MIMO系統的特性表現為3個方面：（1）可以降低用戶間的干擾，在基站天線數量增加的條件下，用戶間信道會逐漸趨于正交；（2）在沒有額外系統帶寬與發射功率前提條件下，Massive MIMO能夠直接通過基站配置天線數量的增加方法來提升系統容量；（3）能夠降低用戶上行發送功耗，在系統吞吐率相同的條件下，基站端天線數量的提升與用戶上行發送功耗的降低是具有一定關系的。

2 Massive MIMO在5G中的規劃、應用

2.1 Massive MIMO在5G中的規劃

2.1.1 試點背景

在規劃背景方面，Massive MIMO技術可以提高較高維度的空分復用，具有更強的波束賦形能力。因此，在高業務場景中，對其進行使用將具有較好的適合性。結合當前現網業務進行分析，利用大數據統計可以發現，80%的業務流量大約是被20%的熱點區域予以承載。在商業中心、城區CBD等核心區域，存在著熱點更“熱”的情況。與此同時，業務需求量與日俱增，用戶趨于集中也使得深度覆蓋不足、高樓遮擋等問題得以顯現， 在5G中試點規劃Massive MIMO技術具有重要意義。在本文中，其規劃試點選在了具有代表意義的商業核心區域。

在頻譜資源方面，IMT已經規劃的頻譜共計有687?MHz，FDD的頻率共有342?MHz，TDD頻率共計有345?MHz。現階段，這些頻譜資源不能夠對未來可持續發展的需求予以滿足。因此，在該5G系統中，進行規劃時首先考慮了中低頻譜。除此之外，在未來會進一步探索更高頻段頻譜資源的可行性。以5個國家進行對比，現階段，5G組網能夠優先采用還沒有在我國予以廣泛使用但已經做出規劃的IMT頻段，之后會進一步研究新IMT頻段劃分，如4.4～4.5?GHz、3.3～3.4?GHz等。就目前來看，我國已經將3.4～3.6?GHz的規劃予以明確。因此，在3.5?GHz進行5G試點覆蓋區的規劃具有可行性。

在站址資源方面，覆蓋和容量是站址需求的來源，應針對覆蓋進行討論。現階段，4G網絡鎖采用的方式主要為TDD 2.6G 8T8R方式。在試點5G規劃中，將采用的方式為TDD 3.5G 64T64R組網方式。在頻段上，覆蓋并沒有取得有利地位，可是利用陣列天線，可以讓信號得到增益，可以對頻段進行有利補充。利用鏈路預算，可以得到在兩種組網方式的使用情況下，其具有差異化的覆蓋情況對比結果，結果如圖1所示。

圖1 不同信道覆蓋差異對比圖

結合圖1，在不同信道覆蓋下，主要覆蓋平靜為PUSCH信道，TDD 3.5G 64T64R的覆蓋效果要比2.6G網絡更好。所以，在這種組網模式之下。現有4G網絡D頻段需求與對網絡覆蓋需求進行保障的5G對站址資源基本相當[2]。

2.1.2試點區域及價值定位

該試點區域的面積約為2.54?km2，其中包含的商業主題區共有4個。依照市政規劃，區域內部將包含一條商業交通干道。這也是一條商業風情和商業文化集中的景觀道。該大道長度約為4.7?km，是本次5G試點規劃的主要對象。在該區域內，無線環境主要為樓宇建筑，其層高變為2～8層，高層建筑相對較少。和商業發展定位進行結合，利用Massive MIMO在5G中的規劃可以優化用戶的上網體驗，可以改造5G商業網絡示范區。對覆蓋用戶規模進行設置，需要提取試點區域內的4G用戶數峰值數據，對物理功能較為類似的某區域和某路進行參考，某區域的面積為0.373?km2，用戶數量為1.8萬戶，密度為4.58萬戶/km2，某路的面積為10.191?km2，用戶數量為32萬戶，密度為3.13萬戶/km2。結合此數據，對比該區域情況，可以做出預測，即商業熱點區總用戶數量大約會達到9.8萬戶，大約有0.97萬用戶可以享受到大道中的5G服務。

2.1.3 站址資源規劃

結合不同的業務特點，可以對5G網絡規劃予以針對性地覆蓋，其規劃方式為宏站與小微站聯合的異構網靈活組網方式。宏站是面覆蓋的主要力量，小微站可以對容量高發區予以吸收。利用宏站，可以對上層網絡進行整體覆蓋。分析區域范圍內的站點資源，可以發現物理宏站與小微站的數量分別為116個、60個，宏站之間的距離為265?m。對于規劃的宏站需求來說，現階段的宏站站址資源具有良好的滿足效果，小微站主要利用街道路燈。最后，選定宏站與小微站數量分別為5個、36個，其選址結果為圖2所示。

圖2 Massive MIMO在5G的規劃選址

結合圖2，分析規劃選址的仿真結果，4G和5G可以實現在該區域內的協同覆蓋，其中5G的信號覆蓋效果較好。

2.2 MassiveMIMO在5G的應用

2.2.1應用效果

與當前的普通8通道天線進行對比，Massive MIMO在5G中的應用可以在水平方向與垂直方向均取得較好的效果，其具體表現為更好的波束特性和更好的波束賦形效果。為分析波束賦形具體增益，需要對比8T8R和64T64R波瓣圖，其對比圖為圖3。

圖3 天線覆蓋效果對比圖

結合圖3進行分析，可以發現在3dB下，8T8R設備的波束寬度是5.5°，64T64R的波束寬度是35°；在6dB下，8T8R設備的波束寬度是7°，64T64R的波束寬度是55°。在垂直方向，大部分角度的64T64R站點和8T8R站點相比都具有15?dB的波束賦形增益效果[3]。對業務特性進行分析，測試驗證站點選擇為已經建設完成的某一站點，測試內容為上傳下載，測試終端共有8個。對比單站定點的應用結果，和4G宏站進行比較，可以發現64T64R站點的Massive MIMO在設備容量上有著明顯提升，其單站小區下行吞吐量大約提升了2倍，上行吞吐量大約提升了2.7倍，其中下行325?Mbit/s，上行37?Mbit/s。與當前普遍使用的8T8R設備進行對比，可以發現Massive MIMO對差異化終端垂直面多波束具有良好的針對效果，可以讓垂直面空分得以實現，讓頻譜效率得到提升，對于鄰區干擾具有良好的規避效果，因為其本身的容量相對較大。因此，其可以在業務吸熱上具有良好的效果，可以讓用戶業務使用感知得到提升。

2.2.2 應用建議

結合文中案例進行分析，為讓案例具有更好的應用效果，還需要解決“高樓場景”“高校場景”等問題。小區資源當前并不能滿足業務增長的需求，而利用Massive MIMO可以解決容量難題，對學生感知進行改善，這對于網絡宣傳效應的產生具有重要作用。對于4G業務過熱區，可以利用Massive MIMO設備來讓覆蓋與業務吸收得到實現[4]。現階段，為實現Massive MIMO在5G中的應用，還需要解決多個問題，如Massive MIMO的信道測量和預編碼、Massive MIMO FDD系統下行導頻設計、Massive MIMO下行系統信道估計和數據發射聯合能效資源分配、成對用戶Massive MIMO中繼系統頻譜效率的發揮性能、能效最優的Massive MIMO系統天線數和發射功率聯合優化設計等。以測量及預編碼為例進行分析。現階段，其預編碼主要可以分為線性預編碼與非線性預編碼兩種形式。TDD制式具有上下行信道的互易性，會利用非基于碼本方式完成預編碼工作，對此需要解決碼本的構建問題、理想預編碼矩陣的選擇問題。現階段，很多商業系統都會采用應用線性編碼，如ZF（Zero Forcing）、MF（Match Filter）等。在Massive MIMO中，ZF算法的應用較為廣泛，其原理是對信道矩陣逆矩陣予以構建，然后在接收端左乘H逆矩陣進而使得信道影響得以消除，對接收端信號進行改寫，可以將其列為：

對發送信號進行估值：

那么，二者的協方差可以列為：

除此之外，在Massive MIMO的5G應用中，還需要解決通信技術的安全問題。就當前業內研究成果而言，可以將其總結為3種主要方法：（1）波束賦形與方向調制技術；（2）基于稀疏陣的方向調制技術；（3）基于混合陣的方向調制技術。對比來看，基于混合天線陣的設計可以在射頻端形成多波束，可以輻射通信信息，讓發送的調制信號相位與幅度和方位參數具有緊密聯系，可以讓竊聽方向接收信息發生扭曲，進而實現安全通信。

3 結論

綜上所述，利用Massive MIMO技術可以完成5G的試點規劃，利用場景、站址需求以及頻率選取的分析，可以得到試點的基本參數。通過實例，可以發現在試點規劃中利用異構組網方式能夠取得良好的效果。現階段，5G并未商用，Massive MIMO在5G中的規劃與應用還需要解決諸多關鍵問題。天線選擇、基于混合陣的方向調制等技術將是未來研究的主要方向。

[1]黃小光，董俊華，汪偉.采用Massive MIMO進行5G覆蓋試點規劃[J].電信工程技術與標準化，2017，30（8）：50-54.

[2]張中山，張成勇，呂少波.大規模MIMO關鍵技術及應用[J].中國科學：信息科學，2015，45（9）：1095-1110.

[3]戚晨皓，黃永明，金石.大規模MIMO系統研究進展[J].數據采集與處理，2015，30（3）：544-551.

[4]傅海陽，陳技江，曹士坷.MIMO系統和無線信道容量研究[J].電子學報，2011，39（10）：2221-2229.

The Planning and Application of Massive MIMO in 5G

Xu Tao

Zhongrui Communications Planning and Designing Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510000

Massive MIMO is a large-scale multi-input and multi-output wireless transmission technology. Under the condition of a large number of antennas, this technology can get many physical and transmission characteristics which are different from traditional MIMO systems, and enable the 4G system to increase the magnitude again. First, the characteristics of Massive MIMO are expounded. Then, combined with the actual pilot cases, the planning of Massive MIMO in 5G is analyzed, and the application effect is discussed. Several suggestions for application and main problems to be solved in future applications are put forward.

Massive MIMO; 5G; site resources; antenna selection technology

TN929.5

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1009-6434（2017）9-0004-04