Massive MIMO提升LTE小區邊緣性能

湯偉良

（中國移動通信集團廣東有限公司清遠分公司，清遠 511500）

1 引言

借助互聯網技術的快速發展，各種各樣的信息量在急劇增加，人們對移動通信業務的需求也在不斷增長。隨著4G網絡的普及和推廣，4G用戶量和數據業務吞吐量迅速提升，特別是在熱點地區和小區邊緣地區，4G網絡的網絡容量，網絡質量和網絡覆蓋等將面臨進一步的挑戰。

在4G系統小區中心，用戶離基站近，其無線信號強，網絡質量很高，用戶性能也好。但在4G系統小區邊緣，用戶離基站遠，其無線信號的能量與傳播距離呈指數級快速下降，路徑損耗高，信道衰落快，無線信號弱。同時，相鄰小區在小區的交接處由于使用了相同的頻譜資源，則會產生較強的小區間干擾。結果就是信號與干擾加噪聲比（SINR）降低從而導致小區邊緣用戶性能的惡化。

根據香農定理C=B*log2(1+S/N)（C是信道支持的最大速度或者叫信道容量；B是信道的帶寬；S是平均信號功率；N是平均噪聲功率；S/N即信噪比），在帶寬一定的情況下，通過提高信噪比可以有效提高信道容量。

Massive MIMO作為未來5G時代的核心技術之一，通過使用大規模天線陣列實現空間復用，可以滿足更多流數據的同時傳輸，更多的小區中信道條件好的用戶共享相同的時頻資源，系統容量和頻譜效率得到極大提高。同時，Massive MIMO通過使用大規模天線陣列實現波束賦形，同時從水平維度和垂直維度嚴格控制波束的寬度，有效的提高小區邊緣用戶的接收信噪比，從而有助于提高小區邊緣用戶的性能。

2 Massive MIMO和小區邊緣性能

與傳統的MIMO系統相比，Massive MIMO可以給小區邊緣用戶帶來更高的波束賦形增益，從而能有效提升小區邊緣用戶的下行性能。Massive MIMO還可以給小區邊緣用戶帶來更高的上行接收分集增益，提高基站接收機性能和抗干擾能力，從而能有效提升小區邊緣用戶的上行性能。

2.1 Massive MIMO波束賦形增益與小區邊緣用戶下行性能

波束賦形是一種基于天線陣列的信號預處理技術，波束賦形通過調整天線陣列中每個陣元的加權系數產生具有指向性的波束，產生更強的信號增益來克服路損，從而能夠獲得明顯的陣列增益，達到提高接收信號強度的目的。該技術的優勢有兩點：一是將發射能量匯集到用戶所在位置，使其不向其他方向擴散；二是基站可以通過監測用戶的信號，對其進行實時跟蹤，使天線的最佳發射方向跟隨用戶移動，保證終端在任何時候接收到的電磁波信號都處于有效疊加狀態。因此，波束賦形技術在改善邊緣吞吐量以及干擾抑止等方面都有很大的優勢。

由于信道建模，天線陣列和基站實現的瓶頸，傳統的MIMO只能限制在固定下傾角的水平面上進行網絡覆蓋。

對于傳統的TD-LTE 8通道天線，一般一個天線由4個垂直的子陣列組成，每個垂直的子陣列有8個雙極化天線單元共用兩通道的信號，并通過固定或半動態方式調整天線相位，即電子調整天線下傾角以用于網絡覆蓋。在這種情況下，相同的射頻信號以預定義的相位調整被饋送到天線的每個子陣列，且垂直波束被固定在整個帶寬內。也就是說，動態空間處理僅適用于水平面內的獨立天線。

Massive MIMO通過使用大規模天線陣列，將當前的水平維天線陣列擴展為同時支持水平維和垂直維的天線陣列，從而可以在水平維度的基礎上，同時利用垂直維度的空域，將發射出去的信號形成更窄的波束，從而產生強方向性的輻射方向圖并將其主瓣指向特定終端，因此能量能夠更加準確地集中指向特定的終端。

此時，更窄的波束可以顯著提高信號在傳播過程中的空間分辨率，有利于降低不同波束之間的干擾，從而帶來更高的波束賦形的增益，特別有助于提升小區邊緣用戶的性能，也能減少小區內用戶之間的干擾和對相鄰小區的干擾。

2.2 Massive MIMO接收分集增益與小區邊緣用戶上行性能

接收分集是在接收端使用比發射端更多的天線，由于存在不同的傳輸路徑，接收端可以觀察到多個不同的衰落信號，在接收端使用適當的方法，可以增加接收端的信噪比。

Massive MIMO通過使用大規模天線陣列，上行使用更多的接收天線，可提供更多上行接收信號樣本，進行更精確的信道估計，提升基站接收機的性能和抗干擾能力，從而能有效提升小區邊緣用戶的上行性能。

3 Massive MIMO基站小區邊緣效果驗證

2018年3 月，廣東移動清遠分公司在城區使用Massive MIMO基站替換原有的8天線基站的一個小區RRU設備，使用相同發射功率（40W），天線方位角等工程參數與原有天線保持一致，下傾角獨立優化調整。從小區邊緣終端速率，小區邊緣網絡覆蓋和小區邊緣網絡質量等方面進行對比測試和效果驗證。該測試區域房屋密集，高樓較多，人流和車輛波動性大，周圍信號復雜，干擾也較大。

3.1 小區邊緣終端速率測試

（1）小區邊緣下行速率對比測試：在相同小區邊緣測試區域對單UE的下行峰值數據進行采集并做對比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對小區邊緣下行速率的影響。小區邊緣選點標準：RSRP＜=-98 dBm，SINR ＜=12 dB。

RSRP（dBm） SINR（dB） 下行速率（kb/s）8天線基站 -105.25 3.98 13172.29 Massive MIMO基站 -105.78 4.67 21083.83

測試結果小結：Massive MIMO小區邊緣的平均下行速率達到21083.83kb/s，相對于8天線基站小區高出7911.54kb/s，增益接近60.06%。

（2）小區邊緣上行速率對比測試：在相同小區邊緣測試區域對單UE的上行速率進行采集并做對比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對小區邊緣上行速率的影響。小區邊緣選點標準：RSRP ＜=-98 dBm，SINR ＜=12 dB。

RSRP（dBm） SINR（dB） 上行速率（kb/s）8天線基站 -104.92 2.14 1519.90 Massive MIMO基站 -106.34 4.85 2501.25

測試結果小結：Massive MIMO小區邊緣的平均上行速率達到2501.25kb/s，相對于8天線基站小區高出981.35kb/s，增益接近64.56%。

3.2 小區邊緣移動測試

（1）小區邊緣移動下行速率對比測試：在相同小區邊緣測試區域對單UE的移動下行峰值數據進行采集并做對比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對小區邊緣移動下行速率的影響。由于該小區邊緣覆蓋區域的限制，適合連續移動測試的范圍有限，小區邊緣選點標準 ：RSRP ＜=-87 dBm，SINR ＜=14 dB.平均結果如下 ：

RSRP（dBm） SINR（dB） 下行速率（kb/s）8天線基站 -97.35 2.13 10708.97 Massive MIMO基站 -94.47 4.96 13276.59

測試結果小結：Massive MIMO小區邊緣的平均移動下行速率達到13276.59kb/s，相對于8天線基站小區高出2567.62kb/s，增益接近24%。

（2）小區邊緣移動上行速率對比測試：在相同小區邊緣測試區域對單UE的移動上行速率進行采集并做對比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對小區邊緣上行速率的影響。

由于該小區邊緣覆蓋區域的限制，適合連續移動測試的范圍有限，小區邊緣選點標準：RSRP ＜=-87 dBm，SINR ＜=14 dB.平均結果如下：

RSRP（dBm） SINR（dB） 上行速率（kb/s）8天線基站 -95.24 7.67 2040.37 Massive MIMO基站 -89.13 12.53 2446.75

測試結果小結：Massive MIMO小區邊緣的平均移動上行速率達到2446.75kb/s，相對于8天線基站小區高出406.38kb/s，增益接近20%。

3.3 小區邊緣覆蓋測試

在相同小區邊緣測試區域對單小區覆蓋RSRP數據進行采集并做對比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對小區邊緣區域覆蓋的影響。

測試結果小結：Massive MIMO基站開通后RSRP較開通之前平均提升了1.28 dB，小區邊緣網絡覆蓋有所提高。

3.4 小區邊緣網絡質量測試

在相同小區邊緣測試區域對單小區覆蓋SINR數據進行采集并做對比分析，以此來衡量Massive MIMO基站對小區邊緣信號質量的影響。

測試結果小結：Massive MIMO基站開通后SINR較開通之前平均提升了1.30dB，小區邊緣網絡質量有所提高。

4 結束語

通過本文對Massive MIMO的理論分析和實際測試結果分析可見，在4G網絡中采用Massive MIMO技術，可以顯著提高小區邊緣的性能，能有效解決4G網絡面臨的小區邊緣用戶的感知的挑戰。Massive MIMO技術的4G化應用，也可以為4G網絡的演進和未來5G網絡的部署奠定堅實的基礎。