Massive MIMO技術(shù)4G化應(yīng)用研究

陳勇輝，汪玉琳，陳其銘

(1中國移動通信集團設(shè)計院有限公司廣東分公司，廣州 510623；2 中國移動通信集團廣東有限公司，廣州 510623)

1 背景

隨著中國移動4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的完善，4G用戶正快速增長，從互聯(lián)網(wǎng)熱門視頻網(wǎng)站的資源來看，720 P及以上分辨率的視頻資源已經(jīng)逐步成為主流；從終端市場來看，1080 P的分辨率是中端機型基本配置、高端智能機中2K屏也已在普及；隨著大流量大視頻的到來，4G網(wǎng)絡(luò)核心熱點區(qū)域的容量壓力將進(jìn)一步加劇。與此同時，中國移動缺乏優(yōu)質(zhì)的低頻段頻率資源來改善深度覆蓋，F(xiàn)頻段在負(fù)責(zé)深度覆蓋的時候會帶來邊緣用戶占用大量的碼資源，而F頻段僅30 MHz的頻率資源將很快到達(dá)瓶頸，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、速率受到明顯影響。為了應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)即將面臨的挑戰(zhàn)，需要研究在近中期能盡可能兼容現(xiàn)有終端和網(wǎng)絡(luò)，能充分利用已有站址和頻率等資源，大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量的新技術(shù)。

2 Massive MIMO技術(shù)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量；它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量。根據(jù)空時映射方法的不同，MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：空間分集和空間復(fù)用。空間分集是指利用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑發(fā)送出去，同時在接收機端獲得同一個數(shù)據(jù)符號的多個獨立衰落的信號，從而獲得分集提高的接收可靠性?？臻g復(fù)用技術(shù)是將要傳送的數(shù)據(jù)可以分成幾個數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進(jìn)行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。

Massive MIMO（大規(guī)模MIMO）基站配置大量的天線數(shù)目通常有幾十、幾百甚至幾千根，是現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)天線數(shù)目的1-2個數(shù)量級以上，是下一代移動蜂窩網(wǎng)通信（5G）中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)。Massive MIMO顯著提高了系統(tǒng)的空間分辨率，能夠深度挖掘空間維度資源、提升頻譜資源在多個用戶之間的復(fù)用能力；它可以形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內(nèi)，構(gòu)建高效通信系統(tǒng)；當(dāng)基站天線數(shù)目遠(yuǎn)大于UE數(shù)目時， 系統(tǒng)具有很高的空間自由度、抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性能。

Massive MIMO技術(shù)的4G化應(yīng)用中，需要考慮與現(xiàn)網(wǎng)已有設(shè)備、終端的兼容性，目前的4G系統(tǒng)，由于工作在較低頻段，難以在終端中大幅增加天線數(shù)量，從而導(dǎo)致終端峰值速率提升能力受限；主要是通過空間分集、空間復(fù)用和波束賦形等技術(shù)，重點挖掘增強基站覆蓋、提升基站容量（吞吐量）和提高服務(wù)質(zhì)量（服務(wù)用戶的速率，尤其是邊緣用戶）等方面的能力。

（1） 下行精準(zhǔn)波束賦形：波束賦形是利用空間信道的強相關(guān)性以及波的干涉技術(shù)，通過調(diào)整天線陣元的輸出，從而產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖并將其主瓣指向終端，從而提高接收信噪比、減小干擾，增加系統(tǒng)的吞吐量和覆蓋范圍。Massive MIMO通過大規(guī)模的天線系統(tǒng)，讓波束寬度更窄、下行業(yè)務(wù)賦型能量更為集中、干擾更小，空分能力更強。

（2） 上行增強接收分集：上行使用更多接收天線，可提供更多上行接收信號樣本，進(jìn)行更精確的信道估計，從而提升接收機性能和抗干擾能力。通過高階空域濾波，精確估計上行空間信道，通過選擇最優(yōu)的合并權(quán)值，提升用戶信號信噪比，增強接收性能。

（3） 波束三維可調(diào)：通過大規(guī)模天線振子的應(yīng)用，除在水平方向外，在垂直方向上也分為多個通道進(jìn)行賦形處理，從而同時具備水平和垂直方向的波束調(diào)節(jié)能力，通過更多的空分維度和多流技術(shù)，同時服務(wù)更多用戶、提升頻譜效率和小區(qū)吞吐量。

3 Massive MIMO技術(shù)的4G化應(yīng)用情況

3.1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)度及模式對比

LTE網(wǎng)絡(luò)從一開始的R8版本就引入MIMO技術(shù)并不斷增強，在R12版本完成了Massive MIMO技術(shù)的信道建模，并計劃在R13、R14版本完成技術(shù)方案研究、評估和標(biāo)準(zhǔn)化工作。Massive MIMO由于天線端口非常多，基站整站或射頻部分（RRU+天線）需上移到天線合成一體進(jìn)行構(gòu)建，由于以下原因，Massive MIMO在TD-LTE的應(yīng)用大幅領(lǐng)先于FDD LTE。

（1） 由于TDD制式設(shè)備射頻部分不需雙工器，故設(shè)備尺寸可以比FDD制式做得更小，便于站點實現(xiàn)和商用。

（2） FDD LTE的Massive MIMO實現(xiàn)存在無源交調(diào)問題，技術(shù)上有瓶頸。

（3） TD-LTE的Massive MIMO實現(xiàn)不需要制定新的協(xié)議支持，F(xiàn)DD LTE卻需要并增加20%的導(dǎo)頻開銷。

（4） TD-LTE的終端無需改動，F(xiàn)DD LTE的終端需要支持新的協(xié)議增加測量處理資源、老終端無法支持。

TD-LTE在實現(xiàn)Massive MIMO上，通過發(fā)揮制式及信道互易性優(yōu)勢，可降低產(chǎn)業(yè)鏈綜合成本30%以上，國內(nèi)領(lǐng)先的華為、中興等設(shè)備廠家，已經(jīng)率先完成了TD-LTE制式下Massive MIMO樣機的生產(chǎn)并開展了外場測試。

3.2 產(chǎn)品情況

由于Massive MIMO采用了大規(guī)模天線技術(shù)，傳統(tǒng)的RRU、天線分離的產(chǎn)品形式基本不可行；從目前不同廠家的產(chǎn)品實現(xiàn)來看，既有采用BBU+RRU+天線整站集成一體的形式，也有RRU+天線射頻部分一體、BBU與射頻部分分離的形式；產(chǎn)品（需外掛桅桿高處部分）體積比傳統(tǒng)FAD天線大超過50%、重量達(dá)到FAD天線的3倍以上；雖然部分廠家設(shè)備支持60MHz帶寬，但目前樣機均只支持單載波；多天線方面基本實現(xiàn)了64T64R或128T128R。表1為不同廠家Massive MIMO設(shè)備及與傳統(tǒng)宏站對比。

3.3 試點測試效果

根據(jù)Massive MIMO不同天線數(shù)對性能影響的理論分析，128T128R對比64T64R所能帶來的性能提升相對有限；根據(jù)某室外測試場景（加擾50%）對128T128R、64T64R和8T8R的吞吐量對比測試：下行128T128R相對64T64R增益約15%，相對8T8R增益約476%，上行128T128R相對64T64R幾乎沒有增益，相對8T8R增益116%；可見，相比128T128R，64T64R的Massive MIMO產(chǎn)品可獲得大部分增益。

表1 不同廠家Massive MIMO設(shè)備及與傳統(tǒng)宏站對比

下面通過對Massive MIMO（64T64R、20 MHz）產(chǎn)品在不同場景、相同環(huán)境下與傳統(tǒng)8天線（8T8R、20 MHz）宏站小區(qū)的試點測試效果進(jìn)行對比分析。

3.3.1 廣覆蓋單UE定點上下行測試

在廣覆蓋單UE定點覆蓋性能測試中，Ma MIMO相比8天線宏站小區(qū)：近點（RSRP＞-90的下行平均增益為1%，上行平均增益0.76點（-110 dBm＜RSRP＜-90 dBm）的下行平均為38.9% ，上行平均增益為120.1%；遠(yuǎn)點（RSRP＜-110 dBm）的下行平均增益為142.1%，上行平均增益為356.8%；可見Massive MIMO在中、遠(yuǎn)點能帶來較高的性能增益。

3.3.2 廣覆蓋單UE移動上下行測試

在廣覆蓋UE低速移動（車速小于30 km/h）的測試場景中，Massive MIMO相比8天線宏站小區(qū)上下行覆蓋基本一致，速率均有所提升：下行速率均值達(dá)到40.5 Mbit/s、提升15%，下行速率低于5 Mbit/s測試點僅4%、占比少11%；上行速率均值達(dá)到提升30%、上行速率低于2 Mbit/s的測試點僅5%、占比少10%，性能提升明顯。

3.3.3 廣覆蓋多UE場景下的容量測試

廣覆蓋多UE均勻分布場景（8個UE近中遠(yuǎn)2/4/2分布）的容量測試中，Massive MIMO相比8天線宏站小區(qū)，下行吞吐量增長4倍、上行吞吐量增長1.7倍；多UE集中分布場景（8用戶分2組、分布在兩個中點），Massive MIMO相比8天線宏站，下行吞吐量增長1.3倍、上行吞吐量增長1.5倍；可見在UE分散的情況下Massive MIMO能獲得更高的性能增益。

3.3.4 建筑覆蓋場景測試

在建筑覆蓋場景的測試中，為充分驗證Massive MIMO的性能，在高樓密集區(qū)域選擇高、寬、深度合樓宇，這樣周邊干擾易被樓宇隔離、無線多徑豐散、空間相干性低，測試中小區(qū)吞吐量平均達(dá)到bit/s，是8天線宏站小區(qū)峰值吞吐量的5.9倍。位于樓宇深處的測試中，Massive MIMO上行吞吐量約3 Mbit/s，達(dá)到8T8R覆蓋下速率的17倍，上行覆蓋能力顯著提升。

從上述試點測試情況可見，Massive MIMO顯示出了精準(zhǔn)的下行波束賦形能力，很好的上行解調(diào)能力和用戶分辨率，波束三維可調(diào)大幅提升小區(qū)容量和頻譜效率；對于好點（信道質(zhì)量高）的UE性能提升較低，對位于中點、遠(yuǎn)點（邊緣）的用戶感知提升較大；在UE分散的情況下，有利于三維波束賦形和用戶區(qū)分，可充分發(fā)揮Massive MIMO的優(yōu)勢。

4 存在問題及解決措施

雖然Massive MIMO在4G化的應(yīng)用測試中顯示出優(yōu)越的性能，但目前的技術(shù)和產(chǎn)品實現(xiàn)仍然存在不少問題，部分技術(shù)問題影響了性能的提升，部分產(chǎn)品問題影響了可商用能力，也有部分產(chǎn)業(yè)鏈等的問題影響了設(shè)備造價等。

4.1 基站架構(gòu)

目前不同廠家的產(chǎn)品實現(xiàn)中，既有BBU獨立、RRU與天線一體的分布式架構(gòu)，也有BBU、RRU和天線三者集成的一體化架構(gòu)，如表2所示，總體上分布式架構(gòu)在組網(wǎng)靈活性、資源協(xié)同、維護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)等方面比較具有優(yōu)勢，是Massive MIMO基站未來的優(yōu)選架構(gòu)。

4.2 信道功率和控制資源不足

受限于天饋部分安裝尺寸要求，Massive MIMO天線增益低于現(xiàn)網(wǎng)8T8R天線，由于廣播信道、控制信道不支持波束賦形，Massive MIMO基站覆蓋成為瓶頸，在采用D頻段、相同發(fā)射功率的現(xiàn)網(wǎng)8T8R設(shè)備和Massive MIMO設(shè)備對比中，不考慮波束賦形增益的情況下， Massive MIMO廣播、控制信道覆蓋落后0.7 dB；控制信道覆蓋差帶來的直接后果是CCE高聚集級別的占比提升，在Massive MIMO基站多層復(fù)用、單TTI調(diào)度用戶數(shù)增加的背景下，將導(dǎo)致PDCCH調(diào)度資源快速受限；若要增加Massive MIMO基站覆蓋能力以及匹配業(yè)務(wù)信道覆蓋，同時提升深度覆蓋控制信道解調(diào)能力，需要加大輸出功率和自適應(yīng)廣播覆蓋波束來適配增強不同場景下的控制信道覆蓋。

4.3 其它問題

（1）隨著天線數(shù)量的增加，基站效率、容量進(jìn)一步優(yōu)化提升，同時基帶復(fù)雜度亦成指數(shù)增長，64T64R相比8T8R的基帶處理復(fù)雜度增加了近15倍，限制了產(chǎn)品能力、提升了產(chǎn)品造價。

（2）在采用分布式架構(gòu)時，20MHz、64T64R的Massive MIMO扇區(qū)，BBU與射頻單元之間的CPRI接口帶寬需求接近60 Gbit/s，考慮到未來多載波和大帶寬支持，除了需要配置100 Gbit/s光模塊，還需要對CPRI信號進(jìn)行壓縮以提升帶寬利用率。

（3）Massive MIMO多天線的特點需要采用大量小型化功放器件，但目前產(chǎn)業(yè)鏈積累不夠，功放效率低、有待進(jìn)一步提升。

（4）受器件性能影響，目前各廠家提供的測試樣機均只支持單載波，產(chǎn)品體積和重量大，發(fā)射功率低、集成度低，仍有較大優(yōu)化提升空間。

（5）Massive MIMO業(yè)務(wù)波束增益高，小區(qū)邊緣波束碰撞干擾強烈，成片規(guī)模組網(wǎng)、扇區(qū)間協(xié)同、站間協(xié)同等有待進(jìn)一步驗證和提升。

5 總結(jié)

通過本文的研究可見，4G網(wǎng)絡(luò)通過采用Massive MIMO技術(shù)，既能與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、終端兼容，又能通過下行精準(zhǔn)波束賦形、上行增強接收分集和波束三維可調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)，大幅提升頻譜效率、小區(qū)容量和服務(wù)質(zhì)量（尤其是邊緣用戶體驗速率），解決下一階段4G網(wǎng)絡(luò)運營中的痛點。從目前試驗測試來看，樓宇覆蓋、大容量、UE相對分散的場景，是Massive MIMO技術(shù)4G化應(yīng)用的較優(yōu)場景，特別是在UE相對靜止以及位于中、遠(yuǎn)點時，性能提升尤其明顯。但同時也應(yīng)看到，相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)成熟度仍然較低，目前還面臨多個技術(shù)問題未解決，需通過進(jìn)一步試驗、測試改進(jìn)，需要產(chǎn)業(yè)鏈多方協(xié)同推進(jìn)、加快商用進(jìn)程。

表2 分布式和一體化架構(gòu)對比

[1] 周杰等. 三維空間MIMO信道接收天線陣列互耦效應(yīng)及系統(tǒng)容量分析[J]. 通信學(xué)報，2012(6).

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