TD-LTE網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模MIMO深度覆蓋解決方案*

王楚鋒，羅新軍

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

移動(dòng)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷近幾年的大規(guī)模建網(wǎng)，已趨于成熟，形成了基于宏、微協(xié)同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[1-2]，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村中心區(qū)域等的連續(xù)覆蓋和大部分重要場(chǎng)景的覆蓋。它的發(fā)展帶動(dòng)了移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)，同時(shí)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)存在嚴(yán)重的分布不均勻現(xiàn)象，使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)容量和帶寬支撐能力受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。例如，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)頻段較高，對(duì)無(wú)線環(huán)境敏感[3]；傳統(tǒng)LTE宏站從小區(qū)中心到小區(qū)邊緣移動(dòng)過(guò)程中，體驗(yàn)速率大幅下降，小區(qū)邊緣用戶體驗(yàn)差；城市建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜化、高大化特點(diǎn)，在室分入戶困難的情況下，受傳統(tǒng)天線波束帶寬限制，高層樓宇垂直覆蓋面臨困難等[4-5]。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀靠傳統(tǒng)的新增載波、小區(qū)分裂增加站點(diǎn)已無(wú)法滿足進(jìn)一步的容量和覆蓋需求，甚至帶來(lái)了小區(qū)間干擾等負(fù)面影響。而大規(guī)模MIMO采用天線陣列，大幅提升了頻譜效率、增強(qiáng)了抗干擾能力，可有效解決目前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)面臨的容量、帶寬和質(zhì)量挑戰(zhàn)，越來(lái)越受到運(yùn)營(yíng)商的重視。

1 大規(guī)模MIMO關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)

大規(guī)模MIMO采用多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了其優(yōu)越性能，主要包括基于大規(guī)模二維天線陣列的3D MIMO技術(shù)、廣播權(quán)值自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)和高階空分復(fù)用技術(shù)等[6]。

大規(guī)模MIMO采用大規(guī)模二維天線陣列，能夠?qū)λ矫婧痛怪泵娴娜S信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)三維立體信號(hào)識(shí)別小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，靈活跟蹤終端，采用更窄、更精準(zhǔn)的空間賦型波束，消除終端對(duì)其他用戶或小區(qū)產(chǎn)生的干擾，提升小區(qū)邊緣速率和用戶體驗(yàn)。采用三維信號(hào)分析還可以對(duì)高層樓宇進(jìn)行廣度和深度的室內(nèi)覆蓋。大規(guī)模MIMO天線可實(shí)現(xiàn)廣播權(quán)值自適應(yīng)調(diào)整，通過(guò)可調(diào)垂直下傾角，實(shí)現(xiàn)垂直波束自適應(yīng)調(diào)整；通過(guò)可調(diào)水平方位角，實(shí)現(xiàn)水平波束自適應(yīng)調(diào)整，可靈活覆蓋高層樓宇場(chǎng)景和熱點(diǎn)場(chǎng)景。典型的，對(duì)于高層樓宇場(chǎng)景采用垂直空分覆蓋，對(duì)于高校、工業(yè)園區(qū)場(chǎng)景采用水平空分覆蓋，對(duì)于城中村場(chǎng)景采用垂直水平空分覆蓋。大規(guī)模MIMO采用高階空分復(fù)用技術(shù)，各層終端特定參考信號(hào)（UE-Specific RS）互為正交，下行實(shí)現(xiàn)多達(dá)16流的空分復(fù)用，大幅提升了小區(qū)吞吐量、容量和用戶的感知[7]。

大規(guī)模MIMO的高階空分復(fù)用能力可顯著提升頻譜效率，動(dòng)態(tài)BF技術(shù)帶來(lái)的增益可以更好地提高小區(qū)邊緣覆蓋性能，可提供比傳統(tǒng)宏站更深的覆蓋，有效解決密集建筑物區(qū)域基站選址難、高樓覆蓋難、容量不足、帶寬不足和頻率資源受限等問(wèn)題。

2 大規(guī)模MIMO深度覆蓋解決方案

大規(guī)模MIMO是后TD-LTE時(shí)代深度覆蓋的重要技術(shù)手段。傳統(tǒng)基站采用BBU+RRU+天線架構(gòu)，RRU與天線之間通過(guò)饋線連接。大規(guī)模MIMO使用集成大規(guī)模天線陣列，天線端口數(shù)較多。采用傳統(tǒng)基站架構(gòu)，則RRU與天線之間需要很多的饋線連線，帶來(lái)施工困難和難以容忍的饋線損耗。為此，大規(guī)模MIMO基站采用BBU+AAU（有源天線單元）分離式架構(gòu)，將RRU與天線集成為AAU，解決了饋線損耗、施工復(fù)雜等問(wèn)題，總體占用天面少，安裝速度快，可以靈活適配各種場(chǎng)景部署，是原有建設(shè)模式的革命性改進(jìn)。大規(guī)模MIMO基站架構(gòu)演進(jìn)圖，如圖1所示。

圖1 大規(guī)模MIMO基站架構(gòu)演進(jìn)

大規(guī)模MIMO深度覆蓋解決方案根據(jù)建設(shè)場(chǎng)景的不同，分為基于現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)擴(kuò)容改造方案和獨(dú)立新建方案兩種。

基于現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)擴(kuò)容改造方案主要針對(duì)局部高容量熱點(diǎn)區(qū)域采用大規(guī)模MIMO對(duì)現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)容改造，包括BBU、RRU、電源和傳輸?shù)雀脑?。BBU改造可以新增BBU機(jī)框或利舊原有BBU機(jī)框。對(duì)于新增BBU機(jī)框，還需新增大規(guī)模MIMO基帶板、直流電源板、大帶寬光模塊、控制板和交換板等；利舊原有BBU機(jī)框則需將原有的基帶板、直流電源板、大帶寬光模塊、控制板和交換板替換為支持大規(guī)模MIMO的相關(guān)配件；RRU改造需將原有的傳統(tǒng)宏站RRU及天線替換為大規(guī)模MIMO的AAU單元，光模塊采用大帶寬、高速、高性能光模塊；電源改造包括對(duì)原有DCPD改造、前級(jí)空開(kāi)改造等，大規(guī)模MIMO功耗較大，采用的電源線需核算線徑直徑；傳輸改造包括BBU與RRU側(cè)及BBU與PTN側(cè)的傳輸網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)設(shè)備的同步改造，要完全發(fā)揮大規(guī)模MIMO最大的容量性能，BBU與PTN之間需提供10 GE以上的傳輸帶寬，遠(yuǎn)大于原有的帶寬需求。大規(guī)模MIMO尺寸相對(duì)較大、功耗較高和傳輸帶寬要求高，受物業(yè)條件、天面布局、電源系統(tǒng)和傳輸資源等限制，其在擴(kuò)容改造時(shí)的效率將受到上述條件是否具備的影響。

獨(dú)立新建方案主要針對(duì)規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)高容量熱點(diǎn)區(qū)域采用獨(dú)立新建大規(guī)模MIMO基站進(jìn)行全面覆蓋。基于大規(guī)模MIMO的BBU+AAU覆蓋方案，BBU采用大規(guī)模MIMO基帶板、直流電源板、大帶寬光模塊、控制板和交換板等。設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保傳輸保障帶寬和峰值帶寬。

對(duì)于大規(guī)模MIMO基站的組網(wǎng)策略，考慮到現(xiàn)階段大規(guī)模MIMO基站對(duì)D頻段的良好支持性，現(xiàn)網(wǎng)未建設(shè)D頻段的覆蓋盲區(qū)，如高層樓宇、密集樓宇群等室內(nèi)覆蓋盲區(qū)等。因此，可以在D頻段上直接部署大規(guī)模MIMO基站，與現(xiàn)網(wǎng)F頻段宏站形成異頻組網(wǎng)，從而充分利用大規(guī)模MIMO基站的增強(qiáng)覆蓋、大容量個(gè)大帶寬等提升用戶體驗(yàn)。它的部署方式可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盲區(qū)區(qū)域大小及要求，采用插花或連片部署。對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)已建有D頻段的站點(diǎn)，經(jīng)網(wǎng)優(yōu)大數(shù)據(jù)分析為高熱區(qū)域，流量需求大，如校園、大型居民區(qū)、大型商業(yè)購(gòu)物中心等，優(yōu)先考慮在單D頻點(diǎn)上引入大規(guī)模MIMO基站做為熱點(diǎn)覆蓋，增強(qiáng)流量。后續(xù)如果再有流量瓶頸，對(duì)大規(guī)模MIMO基站逐步開(kāi)通多個(gè)頻點(diǎn)補(bǔ)充，吸收容量。

大規(guī)模MIMO的特點(diǎn)使得其在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋應(yīng)用中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于大面積高容量熱點(diǎn)區(qū)域，從便于站點(diǎn)運(yùn)維和建設(shè)、選址/配套/租金成本和利于未來(lái)演進(jìn)等方面考慮，可以采用基于C-RAN（集中式）架構(gòu)的連片部署方式[8]；對(duì)于局部小范圍的高容量熱點(diǎn)區(qū)域，則可以采用基于D-RAN（分布式）架構(gòu)的獨(dú)立部署方式。1塊CR0交換板及16個(gè)25G光模塊；利舊原有開(kāi)關(guān)電源及其配置的整流模塊，新增1臺(tái)中興DCDP7直流電源分配單元；將原有二、三小區(qū)的FAD寬頻八通道天線直接更換為中興MM6212（D頻）AAU單元，施工簡(jiǎn)單，改造速度快。

站點(diǎn)開(kāi)通后，對(duì)大規(guī)模MIMO空分效果進(jìn)行測(cè)試，采用兩部終端均工作在RSRP為-56 dBm、SINR為30 dB的信號(hào)穩(wěn)定點(diǎn)。同時(shí)，進(jìn)行上傳和下載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測(cè)試，測(cè)得同一時(shí)間段兩部終端同時(shí)上傳速率之和超過(guò)16 Mb/s，下載速率最大值超過(guò)130 Mb/s，遠(yuǎn)高于原8T8R宏站的上傳和下載速率。定點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2所示。

3 大規(guī)模MIMO應(yīng)用分析

在廣東大部分地市，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)已完成大規(guī)模建設(shè)，構(gòu)建了基于F頻、D頻的雙層網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)覆蓋，也構(gòu)建了基于宏微協(xié)同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，基本實(shí)現(xiàn)補(bǔ)盲、補(bǔ)熱等深度覆蓋。隨著運(yùn)營(yíng)商推出4G不限流量等包月套餐，可以預(yù)見(jiàn)其TDLTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量和帶寬將因用戶人均流量成10倍以上的速度迅猛增加。因此，僅僅通過(guò)新增頻點(diǎn)擴(kuò)容已難以滿足需求，容易造成頻段枯竭，不利于后續(xù)擴(kuò)展，且邊緣用戶感知差。為此，運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始推廣大規(guī)模MIMO方案，迎接突發(fā)性4G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。

廣東某市區(qū)基站原是一個(gè)多系統(tǒng)共址基站，包括TD-LTE的F頻、D頻等系統(tǒng)。TD-LTE站點(diǎn)配置采用S133三小區(qū)配置，采用FAD寬頻八通道天線覆蓋，其中第一小區(qū)覆蓋區(qū)域?yàn)楣S，二、三小區(qū)為密集居民小區(qū)及城中村場(chǎng)景。網(wǎng)優(yōu)大數(shù)據(jù)測(cè)得二、三小區(qū)為高流量小區(qū)，需要擴(kuò)容。經(jīng)分析研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、考慮未來(lái)容量擴(kuò)展等需要，采用大規(guī)模MIMO對(duì)現(xiàn)網(wǎng)D頻進(jìn)行擴(kuò)容改造，將原二、三小區(qū)均擴(kuò)容為D頻3載波大規(guī)模MIMO小區(qū)，新增1臺(tái)中興BBU機(jī)框，包括6塊大規(guī)模MIMO基帶板BPQ3、1塊CCE1控制板、1塊PM10B電源板、

圖2 終端定點(diǎn)上下載測(cè)試數(shù)據(jù)圖

對(duì)大規(guī)模MIMO、常規(guī)宏站用戶數(shù)及小區(qū)吞吐量量化指標(biāo)對(duì)比測(cè)試，測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)如表1所示。按PRB利用率100%換算，結(jié)果如表2所示。

表1 用戶數(shù)及小區(qū)吞吐量測(cè)試數(shù)據(jù)指標(biāo)表

表2 PRB利用率100%換算數(shù)據(jù)指標(biāo)表

可知，經(jīng)大規(guī)模MIMO改造后的站點(diǎn)帶來(lái)了上、下行頻譜效率的顯著提升。具體地，下行忙時(shí)流量是改造前常規(guī)宏站的1.66倍，上行則高達(dá)4.5倍，效果顯著，體現(xiàn)了大規(guī)模MIMO的優(yōu)越性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

作為5G網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，大規(guī)模MIMO采用多天線、波束賦形和空分復(fù)用等技術(shù)[9-10]，具有頻譜效率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)越性能。在TDLTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中應(yīng)用MIMO技術(shù)，大大降低了網(wǎng)絡(luò)干擾，提升了邊緣用戶速率，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，大幅提升了網(wǎng)絡(luò)容量，節(jié)省了頻率資源，為解決頻率資源受限提供了有效手段，受到運(yùn)營(yíng)商的廣泛青睞。隨著TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需求的不斷變化，需根據(jù)容量需求、高樓覆蓋等不同場(chǎng)景，確定TD-LTE網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模MIMO的部署策略，做好大規(guī)模MIMO的建設(shè)規(guī)劃。對(duì)于局部區(qū)域的補(bǔ)盲、補(bǔ)熱，可以采用插花組網(wǎng)。對(duì)于大面積區(qū)域的熱點(diǎn)高容量覆蓋可以采用連片組網(wǎng)。大規(guī)模MIMO采用分離式架構(gòu)，易于部署和安裝，更利于向未來(lái)網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戴源,朱晨鳴.TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社,2012.DAI Yuan,ZHU Chen-ming.Planning and Design of TD-LTE Wireless Networks[M].Beijing：China Posts and Telecommunications Press,2012.

[2] 王映民,孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社,2010.WANG Ying-min,SUN Shao-hui.TD-LTE Principles and System Design[M].Beijing：People's Posts and Telecommunications Press,2010.

[3] 羅新軍,劉豐.TD-LTE鏈路預(yù)算探討[J].中國(guó)新通信 ,2015(02)：55-56.LUO Xin-jun,LIU Feng.Discussion on TD-LTE Link Budget[J].China New Telecommunicatio ns,2015(02)：55-56.

[4] 羅新軍.城中村場(chǎng)景TD-LTE深度覆蓋技術(shù)方案[J].移動(dòng)通信 ,2016(13)：86-89.LUO Xin-jun.TD-LTE Depth Coverage Solution in Urban Village[J].Mobile Communications,2016(13)：86-89.

[5] 謝俊濤,羅新軍.居民小區(qū)TD-LTE深度覆蓋解決方案 [J].電信快報(bào) ,2016(03)：30-33.XIE Jun-tao,LUO Xin-jun.Solution of TD-LTE Depth Coverage in Residential Area[J].Telecommunications Information,2016(03)：30-33.

[6] 李云杰.基于AAS的MIMO技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2014.LI Yun-jie.Study on MIMO Technology Based on AAS[D].Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications,2014.

[7] 張辰.5G移動(dòng)通信中二維天線陣的互耦自校正及MIMO系統(tǒng)容量研究[D].杭州：浙江大學(xué),2016.ZHANG Chen.Study on Mutual Coupling Self Calibration of Two Dimensional Antenna Array and Capacity of MIMO System in 5G Mobile Communication[D].Hangzhou：Zhejiang University,2016.

[8] 雷秋燕,張治中.基于C-RAN的5G無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu) [J].電信科學(xué)，2015,31(01)：106-115.LEI Qiu-yan,ZHANG Zhi-zhong.5G Radio Access Network Achitecture Based on C-RAN[J].Telecommunications Science,2015,31(01)：106-115.

[9] 朱晨鳴,王強(qiáng),李新.5G 2020后的移動(dòng)通信[M].北京：人民郵電出版社,2016.ZHU Chen-ming,WANG Qiang,LI Xin.5G Mobile Communications for 2020 and Beyond[M].Beijing：People's Posts and Telecommunications Press,2016.

[10] 張長(zhǎng)青.面向5G的有源大規(guī)模MIMO天線研究[J].電信網(wǎng)技術(shù) ,2016(09)：50-56.ZHANG Chang-qing.Study on 5G Oriented Active Large Scale MIMO Antenna[J].Telecommunications Network Technology,2016(09)：50-56.