5G多天線技術研究與實踐

趙云峰 凌威 武曉濤 戴寒怡 魏芹 程超

1.中國移動通信集團江蘇有限公司宿遷分公司；2.中國移動通信集團江蘇有限公司

0 引言

我國已正式進入5G時代。據預測，未來5G網絡的移動數據流量將比4G網絡增長500-1000倍，典型用戶數據速率提升10-100倍，峰值傳輸速率可達10Gbps或更高，端到端時延縮短5-10倍，網絡綜合能效提升1000倍。這些性能的取得，主要依靠5G系統中的幾大關鍵技術：大規模天線（Massive MIMO）、超密組網（UDN）、新空口（NR）等。本文重點研究超大規模多進多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）天線及其權值應用。

1 MIMO技術簡介

MIMO技術利用空間信道的多徑效應，在發射端和接收端分別設置多個天線，通過分集或者復用的方式，獲取信道傳輸的可靠性和提高系統容量。MIMO技術早在4G時代就已經被廣泛使用，TD-LTE廣泛支持的MIMO為8天線。5G中MIMO天線技術更加成熟，可以實現16/32/64/128天線，甚至更大規模。

2 Massive MIMO天線特性

2.1 分集特性

分集特性就是通過多端口重復發送相同數據來降低空間傳輸誤碼率，實現分集增益。分集特性在前幾代通信系統中應用比較成熟，不是Massive MIMO的設計初衷。終端在多個天線（通道）重復發送相同的數據，分集特性如圖1所示。

圖1 MIMO分集的示意結構

2.2 復用特性

根據香農公式，一個通信系統的容量主要與該系統的帶寬和系統的信噪比有關。系統的帶寬不可能無限制地增加，也不可能靠無限制增加發射端的輸出功率來提高信噪比，這樣就導致系統容量受限。MIMO技術通過等效信道的增加，成倍地增加了系統容量。空間多信道擴展后的香農公式如式1所示。

其中，C為系統容量，W為帶寬，m為等效信道數，σ為信道平衡度，P為每信道接收功率，N為噪聲，I為干擾。根據該公式，發送端在T1時刻通過多信道（通道）同時發送多個信息，接收端分別接收每個信道（通道）上的信息，相對于分集接收中發送端和接收端的通信方式，系統容量得到成倍的增加。如圖2所示。

圖2 MIMO復用特性

2.3 波束賦形

波束賦形就是根據特定場景自適應地調整天線陣列輻射圖的一種技術。傳統的天線通信方式是基站與手機間的單天線發射到單天線接收的電磁波傳輸，在沒有物理調節的情況下，其天線的輻射方位是固定的。在波束賦形技術中，基站側有多個天線，基站自動調整各個天線發射信號的相位，使其在某一位置形成電磁波有效疊加，相應地，降低其他位置的電磁波信號強度，提高接收信號的質量。如圖3所示。

圖3 廣波束覆蓋與波束賦形覆蓋

3 提升系統容量的方法

根據MIMO復用特性中的多信道香農公式，提高系統容量的方法主要有3個：提高帶寬、增加信道和增加功率。

3GPP定義了5G頻率范圍（Frequency Range，FR）和帶寬。其中頻率范圍分為2個，即FR1（450MHz-6GHz）和FR2（24GHz-52GHZ），一般稱FR2為毫米波。一般小區分配的帶寬是固定的，Sub6G小區可以分配的最大帶寬為100MHz，無法通過無限制地增加系統帶寬提高系統容量。

再回到多信道香農公式中，如何增加每信道接收功率（Pr）是提高系統容量的第三個研究方向。這里引入一個重要的天線理論公式——弗里斯傳輸公式，也被稱為功率傳輸方程。它將傳輸功率、天線增益、傳輸距離、波長與接收功率聯系起來。如式2所示。

其中，Pr為接收天線功率，Pt為發射天線功率，Gt為發射天線增益，Gr為接收終端的天線增益，λ為工作波長，R為收發天線距離。Pt、λ、R、Gr和Gt基本受限于器件、資源和物理規律，無法有效地提升接收天線功率。波束賦形是通過調整天線權值改變天線陣列的輻射圖的技術，通過波束賦形，改變發射信號的相位，使其在終端接收點形成電磁波的有效疊加，產生更強的信號增益來克服損耗，從而達到提高接收信號強度的目的。

4 大規模MIMO權值設置與現網驗證

發射信號的調整改變了信號的輻射方向，每個天線陣子發射信號相位的改變有海量組合，從天線波形圖變化情況來看，主要是4個維度的變化：水平方向角（Az）、水平波瓣寬度（H）、垂直波瓣寬度（V）、電子下傾角（T），如圖4所示，其中θ表示水平方向角，δ表示下傾角。

圖4 3D方向與多波束

5G基于多天線技術引入廣播窄波束掃描，提供多樣化權值組合，滿足場景化覆蓋需求。場景化的5G廣播天線權值設置方案成為5G覆蓋研究的重要手段。根據中興區域5G站點覆蓋情況，選取了低層建筑、中層建筑、高層建筑等典型覆蓋場景，對同一場景設置不同的子波束權值，開展CQT（Call Quality Test，定點質量測試）和DT（Drive Test，路測）測試，并根據測試結果對比分析，給出典型場景下波束權值建議。

本文采用“[Aw][Hx][Vy][Tz]”記錄方法表示權值調整情況，如“A10V6”代表調整水平方位角10°、垂直波瓣寬度6°。

4.1 獨棟高層建筑場景

綜合來看，對于獨棟超高層建筑場景，H15V30權值室內覆蓋效果最優。如表1、表2所示。

表1 獨棟高層建筑權值DT驗證結果

表2 獨棟高層建室內CQT測試驗證結果

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4.2 連片高層建筑場景

DT測試范圍和結果與場景一相同。綜合來看，對于連片高層建筑場景，H65V30權值室內覆蓋效果最優。如表3、表4所示。

表3 連片高層建筑室內CQT測試結果

表4 連片高層建筑室內CQT測試結果

4.3 低層建筑場景

對于低層建筑場景，H30V15權值室內覆蓋效果最優。如表5所示。

表5 低層建筑場景室內CQT測試結果

對于低層建筑場景，H45V15權值室外DT覆蓋效果最優。如表6所示。

表6 低層建筑場景室外DT測試結果

對于低層建筑場景，綜合考慮室內外覆蓋效果，建議選擇H45V15權值。

4.4 高低混合建筑場景

綜合來看，對于高低混合建筑場景，H30V30權值室內覆蓋效果最優。如表7所示。

表7 高低混合建筑場景室內CQT測試結果

5 Massive MIMO天線權值應用建議

根據典型場景設置不同權值的測試結果分析，如表8所示。建議：

（1）對于超高層建筑場景，如寫字樓、高層住宅，推薦H15V30權值；

（2）對于連片高層建筑場景，如連片寫字樓、高層住宅，推薦H65V30權值；

（3）對于低層建筑場景，如低層居民區，根據本次所選擇測試區域推薦H45V15權值，實際配置時可結合覆蓋區域需求選擇H65V7、H65V15和H45V15等權值；

（4）對于高低混合建筑場景，如寫字樓+低層居民區，根據本次所選擇測試區域，推薦H30V30權值，實際配置時可結合覆蓋區域需求選擇H65V30、H65V15和H30V30等權值。

表8 不同場景的推薦天線權值

6 結束語

本文從MIMO原理上解釋了波束賦形對終端接收增益的提升，通過波束賦形和權值驗證各種場景適用的天線權值，并給出選用建議，為5G網絡規劃和優化提供了理論支撐和實踐參考。