Massive MIMO在5G網絡中的應用探析

卓 錦，李忠良，關靚華（.湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 406；.中南林業科技大學涉外學院，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，但高頻組網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網絡也面臨著建設成本高、建設難度大等一系列問題。Massive MIMO技術的出現較好地彌補了5G覆蓋上的難題，提升了5G單站覆蓋效果。

實際建設中，隨著5G網絡大規模部署推進，5G網絡的深度覆蓋及感知等問題逐漸凸顯，尤其是高層住宅區、商業密集區，如何更好、更充分地利用Massive MIMO提升覆蓋率成為5G網絡建設與優化中的一個重要問題。本文也將結合工程實際測試探索Massive MIMO在網絡建設中的功效，以便為5G建設和優化提供參考。

1 Massive MIMO技術特點

Massive MIMO是5G的關鍵技術之一，其通過集成大規模天線陣列實現更多的收發通道，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，其主要優勢體現在以下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、上行通過MU-MIMO技術將多個用戶進行并發配對，較4G網絡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射，相較于3G、4G的寬波束發射，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整。窄波束跟隨目標終端進行調節，覆蓋目標更精準，對其他終端的干擾更低。此外，由于天線數目遠大于UE數目，因此系統空間自由度較高、抗干擾能力更強。

2 Massive MIMO應用分析

實際工程中，Massive MIMO的應用常與場景化聯系一起。5G Massive MIMO不同于傳統的固定波束方式，其窄波束可在水平和垂直方向進行調節。對于不同的水平波瓣、垂直波瓣、下傾角等參數的組合將對應一種Pattern，根據天線設備的不同，5G Massive MIMO也對應多種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中因地制宜，采用多樣化的手段來滿足網絡覆蓋需求。5G Massive MIMO工程應用中，Pattern的選擇是一項重要工作，需要根據覆蓋場景合理分析覆蓋目標、場景特點等，合理規劃方位角、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，需要結合覆蓋場景、基站位置等因素對Pattern相關參數進行規劃。工程中可結合覆蓋目標高度、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

通過對上述相關參數進行測量，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。

2.3 Pattern模式選擇

確定好Pattern相關參數后，結合設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，驗證其對網絡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構高層居民樓，經現場勘察樓高約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），經測試建筑物內覆蓋效果不佳，室內深度覆蓋不足。覆蓋環境如圖3所示。

圖3 覆蓋環境

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設備，設備提供的Pattern模式如表1所示。

結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）與優化模式（Pattern 14）下的定點測試結果如表2所示。

表2 定點測試結果

經統計，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指標都優于典型配置，網絡覆蓋得到增強，上行和下行速率也有顯著提升，網絡感知更好。綜上，合理利用Massive MIMO可提升用戶感知，工程建設與優化中應加強對相關參數的規劃，因地制宜選擇合適的Pattern，使5G網絡覆蓋更好，體驗更優[3-5]。

4 結 論

本文結合5G工程實踐，對Massive MIMO在高層建筑中的應用進行分析和驗證，采用實測方式推算合適的Pattern。經過對比測試，選擇適宜的Pattern可以給網絡覆蓋和感知帶來較大的提升，工程建設中應加強MIMO參數的規劃，推動Massive MIMO技術在5G網絡覆蓋中大放異彩。