Massive MIMO技術在5G網絡優化中的應用研究

張葉江，楊曉康，張 婧，尹以雁

（中國移動通信集團云南有限公司無線優化中心，云南 昆明 650041）

0 引言

5G技術是新一代移動通信技術，其5G峰值速率超過10Gb/s，用戶體驗速率可達到100Mb/s，空中接口控制面時延在1 ms左右，頻譜效率要比4G提升10倍以上[1-2]。與前幾代移動通信技術相比，5G無線頻段較高，基站信號在空間傳播損耗較大，且其繞射能力差，難以滿足室內深度覆蓋[3]。因此，需要一種新的天線解決方案，以改善基站覆蓋性能和容量能力， Massive MIMO技術就是一種有效的解決方案。

1 Massive M IMO技術原理

1948年，克勞德·艾爾伍德·香農（Claude Elwood Shannon）在《通訊的數學原理》中提出了著名的香農定理C=B log2（1+S/N）。香農定理表明提高通信系統的工作帶寬、增加天線發射功率及降低系統噪聲功率，都能提升系統信道容量[4]。其中，多天線技術可以充分利用空間維度資源，成倍提升系統信道容量。多天線場景下信道容量表達式為C=min（m，n）B log2（1+S/N），min（m，n）為信道模型秩的最大值，取發射天線數量m和接收天線數量n中的最小值。MIMO（Multiple Input Multiple Output，多進多出）是多天線技術的主要形式， MIMO系統利用多徑效應提升通信系統的容量[5]。

2010年，Marzetta提 出 大 規 模MIMO（Massive MIMO）理論。Massive MIMO天線數量擴增至64 天線，并增加了垂直波束，與波束賦形相結合，具有覆蓋性能強、頻譜效率高、網絡容量大、小區干擾小等優勢[6-7]。采用Massive MIMO技術，天線在不同Pattern配置下擁有不同的水平波瓣角、垂直波瓣角、方向角和下傾角，就會得到不同形態的波束，從而可以實現道路、高樓、廣場等各類不同的場景用不同的廣播波束進行覆蓋，達到最佳的覆蓋效果。

2 Mssive MIMO天線使用中存在的問題

無線產品多樣化，與具體應用場景匹配難度大。5G引入Massive MIMO權值技術后，其無線產品形態更加豐富。目前有64TR、32TR、8TR、4TR和2TR等多種設備形態，覆蓋能力有些較高有些偏低，各類產品對水平波瓣角、垂直波瓣角、數字方位角、數字下傾角等支持程度差異也很大[8]。無線產品的多樣化，客觀上會導致Massive MIMO技術與覆蓋場景（如高樓、廣場、CBD、高鐵等）有效匹配的難度增加，難以發揮設備最大性能優勢。

已有權值方案弊端多，運營商缺乏運維主動權。目前華為僅提供17種場景合成波束的調整方案，中興則提供14種場景的合成波束的調整方案。對于超出廠家已有方案外的調整，就需要向廠家購買Lisence，價格上幾乎由廠家主導，運營商議價能力較弱，被設備廠家牽著鼻子走。且單一廠家提供的調優工具無法通用，一個廠家需要一種調優工具，調優算法完全掌握在廠家手中，運營商工作非常被動。

潛在權值方案數量大，人工經驗難以滿足實踐需要。以64TR天線為例，該類天線有64個通道，天線參數最終對每個通道的幅度和相位進行配置， 其中幅度范圍是[0，1]，相位范圍是[0，360），一個小區有8個子波束，8個子波束的包絡即是一個pattern（即合成波束）。假設有100種子波束，則每個小區可有N=C（8， 100）=1.86e11種配置，很顯然這已經明顯超出人類腦力運算能力了[9]。以“人工經驗+上站+電調”為主的傳統天饋調整模式已難以適應5G 網絡運維需求[10]。

3 Massive MIMO現網應用分析

中國移動提出了基于通道的權值配置方案，可通過網管側下發，為每個通道配置幅度和相位，確定每個子波束的水平波寬、垂直波寬、下傾角、方位角，并將此功能納入企標中，推動主設備廠家支持， 以提升5G無線網絡優化效果。

3.1 基于通道級的Massive MIMO權值方案介紹

在中國移動推動下，目前華為、中興、大唐、愛立信、諾基亞已支持運營商在網管側下發權值進行配置。單通道權值的幅度可調范圍為[0，1]，步長為0.1；單通道權值的相位可調范圍為[-180，180]，步長為1，極化自由也支持靈活配置。在支持SSB波束級統計方面，華為、中興、大唐已支持SSB波束級用戶數、業務量、RSRP、TA等指標統計，并可上報到網管。在自定義子波束方面，根據Massive MIMO 天線輻射特性、優化靈活性和系統功能實現，水平波束波束寬度定義15°/30°/60°/90°四個檔位，垂直波束寬度定義6°/12°/24°三個檔位，生成11組不同波寬的波束集。每個波束可以具備不同的掃描角和下傾角，掃描范圍及下傾范圍等同于業務波束覆蓋范圍，總計共定義了148種子波束。目前，中興及華為64TR天線的符合148種子波束的權值配置要求。后續中國移動會定義更多子波束，并推動實現全部廠家實現64TR和32TR的天線權值。

3.2 現網試點驗證分析

為驗證基于通道級的Massive MIMO權值設置效果，分別選取一片城區網格、一個居民區和一棟高層樓宇三種典型場景開展。試點結果表明，三類場景對Massive MIMO權值優化后，綜合覆蓋率、PDCP層下載速率及調制方式等均有明顯改善。

城區網格試點區域全部共191個5G NR宏站， 含675個5G小區，覆蓋面積約58.2km2，對區域內1～4級道路開展遍歷測試。居民區內由一個NR 站點覆蓋，三扇區組網，站點AAU掛高30 m，方位分別為3°、117°和240°。分別對試點前后的主要指標進行測試，測試結果表明：權值調整后，網格道路5G綜合覆蓋率提升1.79%，PDCP層上行速率提升106.24 Mb/s，PDCP層下行速率提升52.22 Mb/s，調制方式方面上下行256QAM的比例均有明顯提升；居民區場景PDCP層下行速率提升42.37 Mb/s，覆蓋等其余關鍵指標保持穩定。

表1 網格道路與居民區調整前后測試統計表

選擇某高層樓宇，該樓宇采用某5G站點垂直波束覆蓋，分別對低中高層進行定點測試測試。測試結果表明，除一些指標低層和高層略有下降外，樓宇整體網絡質量明顯改善，尤其是中層提升明顯，其覆蓋提升96.90%，PDCP層下行速率提升567.58 Mb/s，下行256QAM提升74.39%。

表2 高層樓宇調整前后高中低層測試統計表

城區網格道路、居民區及高樓三個場景測試結果表明，Massive MIMO技術有利于提升5G網絡覆蓋、SINR、上傳下載及高階調制占比等關鍵性能指標，有必要加大在現網中的應用規模。另外，需要加快制定Massive MIMO技術在各類覆蓋場景中的使用規范，確保Massive MIMO技術與具體覆蓋場景匹配，發揮該技術的最大價值。

4 結束語

Massive MIMO技術憑借其覆蓋性能強、頻譜效率高、網絡容量大、小區干擾小等優勢，將會在未來5G網絡優化中發揮重要作用。與此同時也應看到，基于通道級的權值配置方案，由于其可能的權值配置方案總數數量級龐大，單純依靠傳統人工經驗的方式已不能滿足工作實踐要求，基于人工智能的Massive MIMO權值配置方案將成為未來演進方向。