5G傳統雙流室分實現下行四流MIMO方案研究

陸 璐 錢國寶

1.中國移動通信集團江蘇有限公司鹽城分公司；2.揚州大學

0 引言

隨著無線通信技術的發展，用戶對手機信號的強弱、上網速率、時延感知越來越敏感。用戶的主要活動范圍在室內，大部分流量是在室內環境中產生，室內的覆蓋問題一直以來都是運營商亟待解決的問題，這主要是因為室分不同于宏站，其覆蓋范圍小、針對性強，一次性投資經常難以滿足用戶的需求。本研究介紹了一種雙流+錯層覆蓋的低成本、高性能的室分覆蓋解決方案，利用上下樓層間的信號同時給用戶提供服務，從而降低一半的單層投資成本。而在用戶感知上，由于上下樓層可以同時提供服務，其上網速率、時延感知可以得到較大提升。

1 研究背景

無線通信的室分覆蓋建設模式已經在大量的文獻中得到研究，其作為室分場景的解決方案是一個主要的研究分支。大部分研究使室分的性能方面得到了提高，但對于低成本室分系統的研究相對較少，且缺少對建設成本方面的考量。

當前，5G室分部署方式主要有三種方案：（1）傳統室分雙路方案；（2）傳統單路室分錯層MIMO方案（MIMO，Multiple Input Multiple Output，多入多出技術，一種多天線解決方案，可以實現空分復用的能力，從而提高空口傳輸能力）；（3）新型室分方案。其中，新型室分方案和傳統室分雙路方案的雙流效果較好，一般可實現Rank2及以上占比達到90%以上（Rank，即秩，在5G系統中對應空分復用層數，即可能采用的下行傳輸流數）。傳統單路室分錯層MIMO方案的雙流效果較差，受現場環境影響較大，Rank2占比一般在0%到60%之間。

在此背景下，本研究在確保5G用戶感知的前提下，開展5G傳統雙流室分場景下實現Rank4占比提升研究工作，提高下行至四流傳輸，提高用戶的5G網絡感知和5G網絡滿意度，從而找到一個低成本、高效益的室分覆蓋建設解決方案。

2 數據描述

本研究所用數據源分別來自設計院、網管中心OMC、現場測試輸出軟件Probe。

如圖1所示，室分設計圖紙為某設計院應中國移動要求對目標室分進行覆蓋建設的設計圖紙，并通過相關的審計。從設計圖紙中我們可以得到目標室分覆蓋的走線分布、設備安裝位置等信息。通過這些信息可以獲知可能的優化提升空間，從而提出針對性的優化解決方案。

網管中心，主要提供實際覆蓋小區的邏輯數據和用于方案評估的KPI指標數據，邏輯數據有小區CGI（Cell Global Identity，小區全球標識）、RRU（Remote Radio Unit，射頻拉遠單元）、射頻通道、小區功率等。KPI（Key Performance Indicator，關鍵性能指標）指標數據有接通率、掉線率、切換成功率、RANK2以上占比等。

現場實測數據，主要提供現場測試的RSRP（Reference Signal Receiver Power，參考信號接收功率）、SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比）、RANK等指標數據。用于目標方案的前后驗證，以確認目標方案的影響，評估目標方案的可行性。

3 系統設計

3.1 基本原理

傳統室分系統的部署方式一般為單流部署，其天饋系統無法滿足多流的部署要求。在5G上，主要通過傳統室分錯層部署的方式，啟動雙流，但性能較室外宏站或者新型室分明顯低了很多，主要原因是物理條件限制導致其在SU-MIMO模式下，用戶依然無法超過2流的數據限制。為了降低部署要求，并實現大于2流的傳輸目標，采用平層雙流+錯層覆蓋的方式，使得上下層間可以形成大于2流的傳輸條件，構成4流傳輸條件。并通過MU-MIMO使得各個RRU之間構成空分條件，從而實現小區吞吐能力的成倍提升。

MIMO（Multiple Input Multiple Output）是一種成倍提升系統頻譜效率的技術，它泛指在發送端和接收端采用多根天線，并輔助一定的信號處理技術來完成通信。MIMO提升系統頻譜效率的能力和天線數目強相關。5G宏站使用大規模天線陣技術來提升空分能力，室分場景只能通過提升通道數來實現。

MIMO通過綜合使用信號處理技術可以獲得接收分集、波束賦形、空間復用等增益，提升系統容量，提升頻譜效率。上行接收分集原理如圖2所示。

圖2 上行接收分集原理圖

UE發送的信號x經過不同的信道到達gNodeB的M根天線r1-rM，gNodeB對各路接收信號分別乘以權值wi，然后對各天線上的信號進行合并，得到信號y。合并后的信號可以表示為：y=W（Hx+N）。其中，W=（w1……wM）為各天線的接收權值組成的1*M維的向量；H=（h1……hM）T為M*1空間信道矩陣。hi為信道系數，上標T表示轉置運算。信號經歷信道后幅度和相位都會發生變化，信號乘以信道系數得到經歷信道后的信號；N=（n1……nM）T為各天線接收到的噪聲組成的M*1維的向量；x：發送信號。下行波束賦形是指gNodeB側發射信號經過加權后，形成帶有方向性的窄波束。

加權原理如圖3所示，待傳輸的信號，在不同的天線邏輯端口用不同的權值（w1……wM）進行加權，實現信號幅度和相位的改變。多天線發射，輸出的信號疊加后呈現出一定的方向性，指向UE。天線越多，波束越窄，也可以更靈活的控制波束的方向。

圖3 加權示意圖

圖3中權值（w1……wM）需要根據下行信道情況計算得到，用于改變波束寬度和方向。

計算權值有兩種不同的方法：通過SRS（Sounding Reference Signal）計算權值的過程，權值簡稱為SRS權；通過PMI（Precoding Matrix Indication）計算權值的過程，權值簡稱為PMI權。

對于TDD低頻小區，天線數為4T4R及以上時，gNodeB支持下行SRS權與PMI權自適應功能，即自適應地選擇采用SRS權或PMI權，使權值可以更準確地反映業務信道的質量，可以提升邊緣用戶的下行用戶吞吐率；天線數為4T4R以下時，固定采用PMI權，不支持SRS權。

通過顯著增加收發天線，獲得更高的陣列、分集、波束賦形增益，提升小區覆蓋，從而可以提升用戶上行平均吞吐率和用戶下行平均吞吐率。

3.2 方案設計

方案分析流程如圖4所示。

圖4 方案設計流程圖

該方案依賴于傳統室分，目的是將傳統室分的能力提高到和室外宏站相當的速率水平。依賴于廠家的硬件特性，需要實現RRU雙拼功能。目前，華為廠家21A版本可以實現2個RRU雙拼（此時，不支持小區合并），如圖5所示。

圖5 雙拼方案示意圖

具體方案如下：

（1）選取試點目標

選取寶龍廣場南側進行方案試點。該小區的設計圖，如圖6所示。

圖6 寶龍廣場室內分布設計圖

（2）試點條件核定

寶龍廣場南側區域經現場測試核實為1個小區，小區名：鹽城-亭湖-寶龍城市廣場購物中心C區傳統室分-H5M-2661，小區下掛8臺RRU（初步判斷為每層2臺RRU，分別覆蓋B區、C區南部）。

（3）改造方案

C區 東 南：1F和3F雙 拼 為Sector0，2F和4F雙 拼 為Sector1；

C區 西 南：1F和3F雙 拼 為Sector2，2F和4F雙 拼 為Sector3；

C區東南和西南共計涉及4個雙拼扇區，最后將4個雙拼扇區合并到1個小區。

3.3 方案部署

站型要求：3900&5900系列基站，其中3900系列基站要求BBU為BBU3910。DBS3900&5900 LampSite基 站，其 中DBS3900 LampSite基站要求BBU為BBU3910。

單板要求：UBBPg。射頻要求：RRU5150-D。

小區要求：兩個RRU支持的頻率范圍和收發天線數相同。支持兩個同型號的2R RRU拼成4R的SUL小區。支持兩個同型號的2T2R RRU或兩個同型號的2T4R RRU拼成4T4R的小區；支持兩個同型號的4T4R RRU拼成8T8R的FDD P天線小區。

兩個RRU的CPRI光纖長度差不能超過2km。兩個RRU的CPRI光纖只支持連接到同一個制式的基帶板。兩個RRU只能采用星型或級聯組網。對于級聯組網，總的拉遠距離不超過20km。

軟件要求：V100R017C00SPC150或以上版本。

本方案選取寶龍廣場C區東南，僅實施1F2F方案試點（目的是驗證方案的可行性和增益）。

為了避免原有小區影響，新創建一個小區，作為試點小區，規劃數據如表1所示。

表1 寶龍廣場C區小區規劃數據

改造涉及到MO數據的刪除與添加。數據配置過程主要是去激活源小區，然后對TRP數據進行改造，添加新小區數據，最后將TRP和新小區綁定并激活。

4 結果

對上述的部署方案進行效果評估，從網管性能指標及現場測試數據兩個方面考量。其中，網管性能指標是站在網絡側角度進行方案有效性評估，而現場測試則是站在用戶的角度對方案的實際感知能力做性能評估。由網絡側、用戶側的雙重評估結果來綜合評判方案的性能。

4.1 網管指標

如表2所示，由于改造區域只涉及改造前小區的四分之一，其流量存在明顯收縮，但其業務量明顯大于改造前的四分之一。也就是說流量相較改造前無明顯波動。改造后無線接通率、無線掉線率、切換成功率整體指標平穩，變化不大。

表2 改造前后指標變化

如圖7所示，小區改造前只有Rank1、Rank2占比，無Rank3、Rank4占比，即無3流及以上空分。改造后，Rank3占比高達47.88%，Rank4占比也占到20.53%，3流及以上空分復用明顯。

圖7 改造前后Rank變化

4.2 測試指標

現場采用客戶感知體驗系統（感知App）和SpeedTest5g兩款測試軟件進行CQT測試。

如表3所示，傳統雙流室分場景下，在5個點位進行測試，結果顯示傳統室分場景在感知App軟件測試平均下載速率688.35 Mbps，平均上傳速率80.36Mbps；SpeedTest5g軟件測試平均下載速率717.20 Mbps，平均上傳速率90.21 Mbps。

表3 改造前上傳、下載速率遍歷測試數據

如表4所示，傳統雙流室分+錯層MIMO場景下，在同樣5個點位進行測試，感知App軟件測試平均下載速率927.03Mbps，平均上傳速率83.60Mbps；SpeedTest5g軟件測試平均下載速率1092.95 Mbps，平均上傳速率94.18Mbps。

表4 改造后上傳、下載速率遍歷測試數據

如表5所示，對比純傳統雙流室分和傳統室分+錯層MIMO方案，后者在下行方向增益明顯，感知App軟件測試增益高達34.67%，SpeedTest5g軟件測試增益高達52.39%；上行增益相對較小，但兩款軟件測試均有小幅抬升約4%。

表5 改造前后上傳、下載速率平均變化

Index感知App SpeedTest5g上傳 下載 上傳 下載增益 4.03% 34.67% 4.40% 52.39%

5G傳統雙流室分+錯層MIMO覆蓋方案可以實現傳統室分下行4流，下載速率至少提升30%以上，可以大幅提升小區的下行感知能力，增強用戶對網絡的感知。通過本次下行四流MIMO方案研究，有效指引5G傳統室分的后期建設，在保證用戶感知的前提下，實現降本增效的目標。

5 結束語

本研究提出了一種雙流+錯層覆蓋的室分覆蓋解決方案。為了更好地降低網絡成本，通過調整室分的無源分布系統的拓撲結構，以及小區和RRU的綁定關系，實現了一種低成本、高性能的解決方案，對中低容量需求的室分場景信號覆蓋提供了數據支撐和有價值參考。