Massive MIMO在5G中的規(guī)劃應(yīng)用

徐 濤

Massive MIMO在5G中的規(guī)劃應(yīng)用

徐 濤

中睿通信規(guī)劃設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510000

Massive MIMO，即大規(guī)模的多輸入多輸出無線傳輸技術(shù)。這種技術(shù)在大量天線的使用條件下，可以獲得眾多和傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)具有差異性的物理特性與傳輸特性，可以讓4G系統(tǒng)再次提升量級。首先對Massive MIMO的特性予以闡述，然后結(jié)合實際試點案例，對Massive MIMO在5G的規(guī)劃進行了分析，針對其應(yīng)用效果展開了討論，提出了幾點應(yīng)用建議以及在未來的應(yīng)用中需要解決的主要問題。

Massive MIMO；5G；站址資源；天線選擇技術(shù)

引言

無線通信在經(jīng)過百余年的高速發(fā)展后，已經(jīng)成為人們?nèi)粘９ぷ髋c生活中必不可少的一部分。新型移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的崛起促使全球移動通信網(wǎng)絡(luò)的容量得到明顯提升。傳統(tǒng)通信用戶規(guī)模與類型將發(fā)生質(zhì)的變化。在各行各業(yè)中，無線通信系統(tǒng)的依賴程度與需求程度將得到持續(xù)增加，這對于無線通信系統(tǒng)的發(fā)展是一種挑戰(zhàn)，但對于Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用、5G的研究和發(fā)展來說也是一種機遇。

1 Massive MIMO特性

Massive MIMO是未來5G通信革命性技術(shù)之一?，F(xiàn)階段，Massive MIMO系統(tǒng)具有兩種模式：一是FDD模式；二是TDD模式。在FDD模式下，系統(tǒng)會利用差異化的頻段完成數(shù)據(jù)傳輸工作，利用反饋可以得到下行鏈路信道狀態(tài)信息。在TDD模式下，在信道互易性基礎(chǔ)上，利用上行鏈路導(dǎo)頻序列可以完成下行鏈路的信道估計工作[1]。現(xiàn)階段，Massive MIMO系統(tǒng)的特性表現(xiàn)為3個方面：（1）可以降低用戶間的干擾，在基站天線數(shù)量增加的條件下，用戶間信道會逐漸趨于正交；（2）在沒有額外系統(tǒng)帶寬與發(fā)射功率前提條件下，Massive MIMO能夠直接通過基站配置天線數(shù)量的增加方法來提升系統(tǒng)容量；（3）能夠降低用戶上行發(fā)送功耗，在系統(tǒng)吞吐率相同的條件下，基站端天線數(shù)量的提升與用戶上行發(fā)送功耗的降低是具有一定關(guān)系的。

2 Massive MIMO在5G中的規(guī)劃、應(yīng)用

2.1 Massive MIMO在5G中的規(guī)劃

2.1.1 試點背景

在規(guī)劃背景方面，Massive MIMO技術(shù)可以提高較高維度的空分復(fù)用，具有更強的波束賦形能力。因此，在高業(yè)務(wù)場景中，對其進行使用將具有較好的適合性。結(jié)合當前現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)進行分析，利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，80%的業(yè)務(wù)流量大約是被20%的熱點區(qū)域予以承載。在商業(yè)中心、城區(qū)CBD等核心區(qū)域，存在著熱點更“熱”的情況。與此同時，業(yè)務(wù)需求量與日俱增，用戶趨于集中也使得深度覆蓋不足、高樓遮擋等問題得以顯現(xiàn)， 在5G中試點規(guī)劃Massive MIMO技術(shù)具有重要意義。在本文中，其規(guī)劃試點選在了具有代表意義的商業(yè)核心區(qū)域。

在頻譜資源方面，IMT已經(jīng)規(guī)劃的頻譜共計有687?MHz，F(xiàn)DD的頻率共有342?MHz，TDD頻率共計有345?MHz?，F(xiàn)階段，這些頻譜資源不能夠?qū)ξ磥砜沙掷m(xù)發(fā)展的需求予以滿足。因此，在該5G系統(tǒng)中，進行規(guī)劃時首先考慮了中低頻譜。除此之外，在未來會進一步探索更高頻段頻譜資源的可行性。以5個國家進行對比，現(xiàn)階段，5G組網(wǎng)能夠優(yōu)先采用還沒有在我國予以廣泛使用但已經(jīng)做出規(guī)劃的IMT頻段，之后會進一步研究新IMT頻段劃分，如4.4～4.5?GHz、3.3～3.4?GHz等。就目前來看，我國已經(jīng)將3.4～3.6?GHz的規(guī)劃予以明確。因此，在3.5?GHz進行5G試點覆蓋區(qū)的規(guī)劃具有可行性。

在站址資源方面，覆蓋和容量是站址需求的來源，應(yīng)針對覆蓋進行討論?，F(xiàn)階段，4G網(wǎng)絡(luò)鎖采用的方式主要為TDD 2.6G 8T8R方式。在試點5G規(guī)劃中，將采用的方式為TDD 3.5G 64T64R組網(wǎng)方式。在頻段上，覆蓋并沒有取得有利地位，可是利用陣列天線，可以讓信號得到增益，可以對頻段進行有利補充。利用鏈路預(yù)算，可以得到在兩種組網(wǎng)方式的使用情況下，其具有差異化的覆蓋情況對比結(jié)果，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同信道覆蓋差異對比圖

結(jié)合圖1，在不同信道覆蓋下，主要覆蓋平靜為PUSCH信道，TDD 3.5G 64T64R的覆蓋效果要比2.6G網(wǎng)絡(luò)更好。所以，在這種組網(wǎng)模式之下?，F(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)D頻段需求與對網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求進行保障的5G對站址資源基本相當[2]。

2.1.2試點區(qū)域及價值定位

該試點區(qū)域的面積約為2.54?km2，其中包含的商業(yè)主題區(qū)共有4個。依照市政規(guī)劃，區(qū)域內(nèi)部將包含一條商業(yè)交通干道。這也是一條商業(yè)風(fēng)情和商業(yè)文化集中的景觀道。該大道長度約為4.7?km，是本次5G試點規(guī)劃的主要對象。在該區(qū)域內(nèi)，無線環(huán)境主要為樓宇建筑，其層高變?yōu)?～8層，高層建筑相對較少。和商業(yè)發(fā)展定位進行結(jié)合，利用Massive MIMO在5G中的規(guī)劃可以優(yōu)化用戶的上網(wǎng)體驗，可以改造5G商業(yè)網(wǎng)絡(luò)示范區(qū)。對覆蓋用戶規(guī)模進行設(shè)置，需要提取試點區(qū)域內(nèi)的4G用戶數(shù)峰值數(shù)據(jù)，對物理功能較為類似的某區(qū)域和某路進行參考，某區(qū)域的面積為0.373?km2，用戶數(shù)量為1.8萬戶，密度為4.58萬戶/km2，某路的面積為10.191?km2，用戶數(shù)量為32萬戶，密度為3.13萬戶/km2。結(jié)合此數(shù)據(jù)，對比該區(qū)域情況，可以做出預(yù)測，即商業(yè)熱點區(qū)總用戶數(shù)量大約會達到9.8萬戶，大約有0.97萬用戶可以享受到大道中的5G服務(wù)。

2.1.3 站址資源規(guī)劃

結(jié)合不同的業(yè)務(wù)特點，可以對5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃予以針對性地覆蓋，其規(guī)劃方式為宏站與小微站聯(lián)合的異構(gòu)網(wǎng)靈活組網(wǎng)方式。宏站是面覆蓋的主要力量，小微站可以對容量高發(fā)區(qū)予以吸收。利用宏站，可以對上層網(wǎng)絡(luò)進行整體覆蓋。分析區(qū)域范圍內(nèi)的站點資源，可以發(fā)現(xiàn)物理宏站與小微站的數(shù)量分別為116個、60個，宏站之間的距離為265?m。對于規(guī)劃的宏站需求來說，現(xiàn)階段的宏站站址資源具有良好的滿足效果，小微站主要利用街道路燈。最后，選定宏站與小微站數(shù)量分別為5個、36個，其選址結(jié)果為圖2所示。

圖2 Massive MIMO在5G的規(guī)劃選址

結(jié)合圖2，分析規(guī)劃選址的仿真結(jié)果，4G和5G可以實現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)的協(xié)同覆蓋，其中5G的信號覆蓋效果較好。

2.2 MassiveMIMO在5G的應(yīng)用

2.2.1應(yīng)用效果

與當前的普通8通道天線進行對比，Massive MIMO在5G中的應(yīng)用可以在水平方向與垂直方向均取得較好的效果，其具體表現(xiàn)為更好的波束特性和更好的波束賦形效果。為分析波束賦形具體增益，需要對比8T8R和64T64R波瓣圖，其對比圖為圖3。

圖3 天線覆蓋效果對比圖

結(jié)合圖3進行分析，可以發(fā)現(xiàn)在3dB下，8T8R設(shè)備的波束寬度是5.5°，64T64R的波束寬度是35°；在6dB下，8T8R設(shè)備的波束寬度是7°，64T64R的波束寬度是55°。在垂直方向，大部分角度的64T64R站點和8T8R站點相比都具有15?dB的波束賦形增益效果[3]。對業(yè)務(wù)特性進行分析，測試驗證站點選擇為已經(jīng)建設(shè)完成的某一站點，測試內(nèi)容為上傳下載，測試終端共有8個。對比單站定點的應(yīng)用結(jié)果，和4G宏站進行比較，可以發(fā)現(xiàn)64T64R站點的Massive MIMO在設(shè)備容量上有著明顯提升，其單站小區(qū)下行吞吐量大約提升了2倍，上行吞吐量大約提升了2.7倍，其中下行325?Mbit/s，上行37?Mbit/s。與當前普遍使用的8T8R設(shè)備進行對比，可以發(fā)現(xiàn)Massive MIMO對差異化終端垂直面多波束具有良好的針對效果，可以讓垂直面空分得以實現(xiàn)，讓頻譜效率得到提升，對于鄰區(qū)干擾具有良好的規(guī)避效果，因為其本身的容量相對較大。因此，其可以在業(yè)務(wù)吸熱上具有良好的效果，可以讓用戶業(yè)務(wù)使用感知得到提升。

2.2.2 應(yīng)用建議

結(jié)合文中案例進行分析，為讓案例具有更好的應(yīng)用效果，還需要解決“高樓場景”“高校場景”等問題。小區(qū)資源當前并不能滿足業(yè)務(wù)增長的需求，而利用Massive MIMO可以解決容量難題，對學(xué)生感知進行改善，這對于網(wǎng)絡(luò)宣傳效應(yīng)的產(chǎn)生具有重要作用。對于4G業(yè)務(wù)過熱區(qū)，可以利用Massive MIMO設(shè)備來讓覆蓋與業(yè)務(wù)吸收得到實現(xiàn)[4]?，F(xiàn)階段，為實現(xiàn)Massive MIMO在5G中的應(yīng)用，還需要解決多個問題，如Massive MIMO的信道測量和預(yù)編碼、Massive MIMO FDD系統(tǒng)下行導(dǎo)頻設(shè)計、Massive MIMO下行系統(tǒng)信道估計和數(shù)據(jù)發(fā)射聯(lián)合能效資源分配、成對用戶Massive MIMO中繼系統(tǒng)頻譜效率的發(fā)揮性能、能效最優(yōu)的Massive MIMO系統(tǒng)天線數(shù)和發(fā)射功率聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計等。以測量及預(yù)編碼為例進行分析。現(xiàn)階段，其預(yù)編碼主要可以分為線性預(yù)編碼與非線性預(yù)編碼兩種形式。TDD制式具有上下行信道的互易性，會利用非基于碼本方式完成預(yù)編碼工作，對此需要解決碼本的構(gòu)建問題、理想預(yù)編碼矩陣的選擇問題?，F(xiàn)階段，很多商業(yè)系統(tǒng)都會采用應(yīng)用線性編碼，如ZF（Zero Forcing）、MF（Match Filter）等。在Massive MIMO中，ZF算法的應(yīng)用較為廣泛，其原理是對信道矩陣逆矩陣予以構(gòu)建，然后在接收端左乘H逆矩陣進而使得信道影響得以消除，對接收端信號進行改寫，可以將其列為：

對發(fā)送信號進行估值：

那么，二者的協(xié)方差可以列為：

除此之外，在Massive MIMO的5G應(yīng)用中，還需要解決通信技術(shù)的安全問題。就當前業(yè)內(nèi)研究成果而言，可以將其總結(jié)為3種主要方法：（1）波束賦形與方向調(diào)制技術(shù)；（2）基于稀疏陣的方向調(diào)制技術(shù)；（3）基于混合陣的方向調(diào)制技術(shù)。對比來看，基于混合天線陣的設(shè)計可以在射頻端形成多波束，可以輻射通信信息，讓發(fā)送的調(diào)制信號相位與幅度和方位參數(shù)具有緊密聯(lián)系，可以讓竊聽方向接收信息發(fā)生扭曲，進而實現(xiàn)安全通信。

3 結(jié)論

綜上所述，利用Massive MIMO技術(shù)可以完成5G的試點規(guī)劃，利用場景、站址需求以及頻率選取的分析，可以得到試點的基本參數(shù)。通過實例，可以發(fā)現(xiàn)在試點規(guī)劃中利用異構(gòu)組網(wǎng)方式能夠取得良好的效果?，F(xiàn)階段，5G并未商用，Massive MIMO在5G中的規(guī)劃與應(yīng)用還需要解決諸多關(guān)鍵問題。天線選擇、基于混合陣的方向調(diào)制等技術(shù)將是未來研究的主要方向。

[1]黃小光，董俊華，汪偉.采用Massive MIMO進行5G覆蓋試點規(guī)劃[J].電信工程技術(shù)與標準化，2017，30（8）：50-54.

[2]張中山，張成勇，呂少波.大規(guī)模MIMO關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（9）：1095-1110.

[3]戚晨皓，黃永明，金石.大規(guī)模MIMO系統(tǒng)研究進展[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2015，30（3）：544-551.

[4]傅海陽，陳技江，曹士坷.MIMO系統(tǒng)和無線信道容量研究[J].電子學(xué)報，2011，39（10）：2221-2229.

The Planning and Application of Massive MIMO in 5G

Xu Tao

Zhongrui Communications Planning and Designing Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510000

Massive MIMO is a large-scale multi-input and multi-output wireless transmission technology. Under the condition of a large number of antennas, this technology can get many physical and transmission characteristics which are different from traditional MIMO systems, and enable the 4G system to increase the magnitude again. First, the characteristics of Massive MIMO are expounded. Then, combined with the actual pilot cases, the planning of Massive MIMO in 5G is analyzed, and the application effect is discussed. Several suggestions for application and main problems to be solved in future applications are put forward.

Massive MIMO; 5G; site resources; antenna selection technology

TN929.5

A

1009-6434（2017）9-0004-04