3D-MIMO基站需求場(chǎng)景的識(shí)別及規(guī)劃方法研究

劉昱鵬，孟繁麗，堯文彬

(1 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司，鄭州 450000；2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080)

1 3D-MIMO技術(shù)特性概述

3D-MIMO是現(xiàn)有TD-LTE的增強(qiáng)技術(shù)，也是5G關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)4G化應(yīng)用的新技術(shù)，在TD-LTE工程應(yīng)用中表現(xiàn)微一種新型的設(shè)備形態(tài)，即新型基站與天線合一的設(shè)備（RRU與天線集成）。該技術(shù)通過引入大陣列智能天線（64T64R）使用戶可以獲取更多的下行波束賦型增益和上行接收分集增益，同時(shí)引入上/下行16流的空分復(fù)用技術(shù)，帶來小區(qū)上下行容量的翻倍提升。

其特點(diǎn)一是“3D”，即廣播波束在水平和垂直兩個(gè)維度動(dòng)態(tài)可調(diào)，其廣播波束垂直面半功率角可在10°～30°范圍內(nèi)靈活調(diào)整，水平面半功率角可在15°～65°范圍內(nèi)靈活調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)覆蓋。相比層層通，3D-MIMO在垂直面的覆蓋范圍更窄，在水平面的覆蓋范圍更寬。

其特點(diǎn)二是“上行MU MIMO&下行MUBF”，即在上下行引入16流多入多出功能通過增加天線數(shù)量使得波束變窄，可帶來更強(qiáng)的系統(tǒng)空分復(fù)用能力，同時(shí)降低干擾，更適用于用戶分散度較好條件下發(fā)揮技術(shù)效能，有效提升小區(qū)吞吐量。

2 3D-MIMO技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的應(yīng)用分析

2.1 3D-MIMO技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力提升及適用場(chǎng)景分析

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)組織了多種無線場(chǎng)景下，針對(duì)3D-MIMO應(yīng)用試點(diǎn)的測(cè)試，效果良好。

2.1.1 覆蓋精準(zhǔn)度

3D-MIMO公共控制信道水平和垂直維度張角靈活可調(diào)。相比傳統(tǒng)8天線基站，3D-MIMO垂直維度最大張角是其2～3倍、水平維度最大張角相當(dāng)，相比大張角天線，3D-MIMO垂直維度最大張角是其一半、水平維度最大張角是其3倍。因此，3D-MIMO可提升覆蓋的靈活性和精準(zhǔn)性，同時(shí)降低小區(qū)干擾，具備普通宏覆蓋、單棟高樓和高樓群的精準(zhǔn)覆蓋能力。現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)中，單臺(tái)3D-MIMO基站可調(diào)節(jié)張角靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)單棟40層樓或3棟26層樓的有效覆蓋，覆蓋提升2～10 dB；且當(dāng)樓層越高時(shí)，由于普通宏蜂窩無法實(shí)現(xiàn)對(duì)高層的有效覆蓋，易出現(xiàn)覆蓋盲點(diǎn)區(qū)域，此時(shí)使用3D-MIMO基站對(duì)覆蓋的提升越顯著。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)容量

Massive MIMO的技術(shù)特性，使得上下行吞吐量和邊緣用戶速率增益成倍提升。在滿負(fù)荷加載情況下，相比8T8R的上行接收分集和下行2×2 MIMO，下行小區(qū)峰值吞吐量340 Mbit/s（達(dá)8天線基站3倍）、小區(qū)平均吞吐量180 Mbit/s（達(dá)8天線基站3～5倍）、邊緣用戶速率增益達(dá)4～6倍；上行小區(qū)峰值吞吐量40 Mbit/s（達(dá)8天線基站2倍）、小區(qū)平均吞吐量20 Mbit/s（達(dá)8天線基站2～3倍）、邊緣用戶速率增益達(dá)2～3倍。

對(duì)容量提升顯著的這種技術(shù)特性說明3D-MIMO適用于高流量、高負(fù)荷區(qū)域，在無其他可用載頻的情況時(shí)，采用3D-MIMO基站可有效改善用戶體驗(yàn)，提升小區(qū)整體的頻譜效率和吞吐量。

2.1.3 空分復(fù)用能力

3D MIMO最大支持上行多用戶8流MIMO配對(duì)和下行多用戶16流配對(duì)，突破單終端天線數(shù)限制，大幅提升了系統(tǒng)空分復(fù)用能力。

在用戶較為分散度時(shí)，上行MU MIMO和下行MUBF配對(duì)效果更佳；在用戶分布分散的場(chǎng)景下部署，能夠充分發(fā)揮3D-MIMO的空分復(fù)用效能。

2.2 3D-MIMO技術(shù)在現(xiàn)網(wǎng)部署的可實(shí)現(xiàn)性分析

從上文可以看到，3D-MIMO技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量及干擾抑制能有非常好的效果，同時(shí)這種技術(shù)又是5G的關(guān)鍵技術(shù)，那么是不是可以在現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模引入3D-MIMO基站呢？

由于3D-MIMO基站采用了64T64R技術(shù)及上/下行16流的空分復(fù)用技術(shù)，帶來網(wǎng)絡(luò)能力顯著增強(qiáng)的同時(shí)，其對(duì)射頻模塊、基帶處理的要求大幅提高，其設(shè)備成本和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通類型的基站。經(jīng)初步分析，3D-MIMO基站綜合成本約為8天線宏站的3.5倍。

除了設(shè)備成本成倍提高以外，3D-MIMO天線體積、重量更大，安裝難度較大。這種現(xiàn)實(shí)情況也決定了我們?cè)陂_展一個(gè)方案設(shè)計(jì)的時(shí)候，不能簡(jiǎn)單粗暴地統(tǒng)一采用3D-MIMO技術(shù)方案解決現(xiàn)網(wǎng)的需求。

考慮到上述3D-MIMO技術(shù)的成本和部署難度，并綜合考慮3D-MIMO基站的性價(jià)比，初期僅在窮盡頻率資源、技術(shù)手段仍難以滿足覆蓋、容量需求的特殊場(chǎng)景可考慮使用。

3 TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)部署3D-MIMO基站的規(guī)劃技術(shù)要點(diǎn)分析

從以上分析可以看到，3D-MIMO基站部署初期，推薦在覆蓋和容量有極高要求的場(chǎng)景下采用。在實(shí)際規(guī)劃操作中，如何有效識(shí)別出這些需求場(chǎng)景；對(duì)于有精準(zhǔn)覆蓋需求的場(chǎng)景考慮采用3D-MIMO技術(shù)還是部署微站/大張角等特型天線來滿足精準(zhǔn)覆蓋需求方能達(dá)到最佳的投資性價(jià)比；對(duì)于有容量解決需求的場(chǎng)景考慮采用3D-MIMO技術(shù)還是普通的載波擴(kuò)容手段來解決。

如上的問題是我們?cè)陂_展網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中需要因地制宜加以考慮，根據(jù)場(chǎng)景特性進(jìn)行站型選擇與部署。因此，如何能夠有效識(shí)別出這些場(chǎng)景并選擇合理的站型部署方案，是我們?cè)陂_展無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

3.1 3D-MIMO基站部署需求場(chǎng)景分析

室外覆蓋或者室外覆蓋室內(nèi)的情況下，我們可以按照以下策略進(jìn)行站型選擇與規(guī)劃。

對(duì)于新增開闊區(qū)域覆蓋場(chǎng)景，用戶分散地域廣、容量偏低，優(yōu)先選擇宏基站實(shí)現(xiàn)廣域補(bǔ)盲覆蓋。

對(duì)于弱覆蓋場(chǎng)景，在弱覆蓋覆蓋盲點(diǎn)較集中的區(qū)域優(yōu)先選擇建設(shè)微基站補(bǔ)盲，而在覆蓋盲點(diǎn)較分散的區(qū)域優(yōu)先選擇部署3D-MIMO基站實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的覆蓋。這種站型部署方式可合理發(fā)揮各類站型的優(yōu)勢(shì)，既能實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的覆蓋和精準(zhǔn)業(yè)務(wù)吸收，又能夠節(jié)約成本。

對(duì)于容量不足的場(chǎng)景，當(dāng)預(yù)計(jì)需求小于4.5個(gè)載波時(shí)（或TD-LTE系統(tǒng)最大可用載波數(shù)），優(yōu)先選擇載波擴(kuò)容方案；當(dāng)需求大于4.5個(gè)載波時(shí)（或TD-LTE系統(tǒng)最大可用載波數(shù)），優(yōu)先選擇部署3D-MIMO基站以吸收更多業(yè)務(wù)量。此時(shí)，建議的規(guī)劃方案選擇如表1所示。

表1 容量需求場(chǎng)景規(guī)劃方案

由此可見，隨著網(wǎng)絡(luò)需求的發(fā)展，規(guī)劃設(shè)計(jì)需要分場(chǎng)景開展精細(xì)化需求識(shí)別，精確匹配解決方案。因此，根據(jù)需求來源的不同，我們可以采取圖1所示的分步驟的規(guī)劃流程。

3.2 3D-MIMO基站需求場(chǎng)景識(shí)別

圖1 基于需求評(píng)估和場(chǎng)景識(shí)別的規(guī)劃流程圖

從以上分析可以看出，新增開闊區(qū)域覆蓋需求和容量需求場(chǎng)景的基站類型選擇較易確定，而當(dāng)前3D-MIMO基站主要應(yīng)用于業(yè)務(wù)量大的小區(qū)覆蓋，特別是在系統(tǒng)負(fù)荷高、用戶垂直面位置差異大的場(chǎng)景下應(yīng)用，3D-MIMO性能增益更高。此時(shí)除了容量需求識(shí)別外，還需要識(shí)別基站是否弱覆蓋、及弱覆蓋分散度。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)中需考慮如何實(shí)現(xiàn)“基站弱覆蓋識(shí)別”和“弱覆蓋離散度識(shí)別” 兩個(gè)維度，從而保證實(shí)現(xiàn)最優(yōu)站型選擇，達(dá)到業(yè)務(wù)需求與資源配置均衡。

3.2.1 基站弱覆蓋識(shí)別

（1）下行弱覆蓋識(shí)別：下行弱覆蓋可通過小區(qū)MR弱覆蓋采樣點(diǎn)占比進(jìn)行判斷，是現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用較成熟和廣泛的一種方式。

MR弱覆蓋比例=MR RSRP＜-110 dBm的采樣點(diǎn)/MR總采樣點(diǎn)數(shù)?？赏ㄟ^該比例判定小區(qū)是否下行弱覆蓋。

（2）上行覆蓋受限識(shí)別：由于UE發(fā)射功率較低，容易造成上下行覆蓋不平衡，即下行覆蓋大，上行覆蓋小，出現(xiàn)上行受限。

當(dāng)天線單端口功率配置為建議值15.2 dBm，接收點(diǎn)RSRP滿足弱覆蓋門限-110 dBm時(shí)，根據(jù)鏈路預(yù)算，對(duì)應(yīng)的最大路徑損耗為125 dB，路損大于該值時(shí)，可能存在上下行受限。此時(shí)，如果增大基站發(fā)射功率，則下行RSRP能滿足要求，但是上行無法正常解調(diào)，表現(xiàn)為上行受限。由于系統(tǒng)沒有對(duì)上行接收到的采樣點(diǎn)電平值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，因此需通過其他方法識(shí)別上行受限。

對(duì)于這種情況，我們可以通過利用上下行路損一致的原則，基于基站發(fā)射功率和最大路損可以算出上行受限之前下行對(duì)應(yīng)的RSRP值，即可以得出容易出現(xiàn)上行受限時(shí)的路損值。結(jié)合理想用戶分布模型和現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過尋找大路損占比和遠(yuǎn)點(diǎn)用戶上行體驗(yàn)速率的關(guān)系，根據(jù)對(duì)某本地網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析，可得到大路損占比和上行體驗(yàn)速率的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。由圖2中數(shù)據(jù)看到，當(dāng)用戶大路損占比超過26.7%時(shí)遠(yuǎn)點(diǎn)用戶分布較多。

基于以上、下行弱覆蓋兩個(gè)維度分析，當(dāng)其中任一維度滿足判斷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則判定當(dāng)前場(chǎng)景遠(yuǎn)點(diǎn)用戶較多。

3.2.2 覆蓋盲點(diǎn)離散度分析

基于MR柵格化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及智能化覆蓋盲點(diǎn)聚合算法，提出了覆蓋盲點(diǎn)離散度分析方法，可以通過計(jì)算各扇區(qū)下柵格MR條數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，判斷覆蓋盲點(diǎn)離散的程度。

第一步，地理柵格化處理：對(duì)MR數(shù)據(jù)進(jìn)行20×20 m柵格化處理。

第二步，統(tǒng)計(jì)柵格弱覆蓋比重：統(tǒng)計(jì)輸出小區(qū)級(jí)的每柵格化MR弱覆蓋采樣點(diǎn)（RSRP≤-110 dBm）條數(shù)，將小區(qū)級(jí)MR柵格數(shù)據(jù)按照扇區(qū)進(jìn)行合并，計(jì)算每個(gè)柵格MR弱覆蓋采樣點(diǎn)數(shù)占扇區(qū)總?cè)醺采w采樣點(diǎn)數(shù)比例。

第三步，獲取柵格覆蓋盲點(diǎn)離散度標(biāo)準(zhǔn)差：通過扇區(qū)下有效柵格的MR弱覆蓋采樣點(diǎn)占比的標(biāo)準(zhǔn)差(S)來進(jìn)行表征覆蓋盲點(diǎn)離散度，公式如下。

注：xn是每柵格MR弱覆蓋采樣點(diǎn)條數(shù)，x是平均條數(shù)。

第四步，輸出并考察覆蓋盲點(diǎn)離散度分析結(jié)果： 計(jì)算各場(chǎng)景下扇區(qū)MR柵格化標(biāo)準(zhǔn)差的平均值，當(dāng)扇區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差大于所在場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)差平均值時(shí)認(rèn)為用戶分布集中，否則判斷為用戶分散。

采集某本地網(wǎng)的部分小區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并根據(jù)以上步驟計(jì)算，可得到表2中數(shù)據(jù)，由此可對(duì)各扇區(qū)的覆蓋盲點(diǎn)離散度進(jìn)行判斷，從而獲知用戶在當(dāng)前場(chǎng)景下覆蓋遠(yuǎn)點(diǎn)的分布狀況。

通過以上方法，我們?cè)谝?guī)劃中引入“遠(yuǎn)近場(chǎng)景識(shí)別”和“用戶離散度分析” 兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)來識(shí)別用戶分布，精準(zhǔn)確定3D-MIMO基站部署位置。同時(shí)，將其融入無線網(wǎng)絡(luò)總體部署方案，把提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量技術(shù)的多種方案如建設(shè)微基站、載頻擴(kuò)容、3D-MIMO基站方案綜合考慮，對(duì)應(yīng)不同的需求場(chǎng)景識(shí)別與優(yōu)選出最佳規(guī)劃方案，具體落實(shí)為“需求識(shí)別-場(chǎng)景識(shí)別-方案優(yōu)選規(guī)劃”3個(gè)步驟來完成規(guī)劃方案。這種“3個(gè)規(guī)劃步驟、兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)”的3D-MIMO規(guī)劃模型充分從技術(shù)特性和用戶分布特性方面發(fā)揮了3D-MIMO的技術(shù)效能，形成最佳的規(guī)劃方案，是對(duì)TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)和規(guī)劃流程的有益補(bǔ)充。

4 利用人工智能算法實(shí)現(xiàn)3D-MIMO網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方法

從以上分析我們可以看到，移動(dòng)業(yè)務(wù)和技術(shù)的發(fā)展促使無線網(wǎng)絡(luò)愈發(fā)復(fù)雜、對(duì)建網(wǎng)的要求不斷提高，要做好規(guī)劃設(shè)計(jì)，必然離不開現(xiàn)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的支撐；同時(shí)，通過對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)的機(jī)器算法，也逐漸引入到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作中用以解決類似的復(fù)雜場(chǎng)景需求識(shí)別及最佳站址選擇。

而運(yùn)營(yíng)商的優(yōu)勢(shì)也在于擁有有海量的、不斷更新的運(yùn)維數(shù)據(jù)可反映網(wǎng)絡(luò)發(fā)展變化情況。擁有了大數(shù)據(jù)資源，除了以上提出的分步規(guī)劃及兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)外，我們還可以利用人工智能算法實(shí)現(xiàn)3D-MIMO網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，通過列舉與3D-MIMO站址部署相關(guān)的小區(qū)級(jí)現(xiàn)網(wǎng)參數(shù)/場(chǎng)景特征，如RRC連接數(shù)、利用率、上下行流量、CQI采樣點(diǎn)分布、視頻等業(yè)務(wù)占比等構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)這些海量真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，每個(gè)模型考慮了不同的特征組合，分別從多個(gè)角度來評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能，從而自動(dòng)判斷現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)是否適合采用3D-MIMO部署。

表2 覆蓋盲點(diǎn)離散度分析示例

5G網(wǎng)絡(luò)將亮相世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)

作為世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)的舉辦地，烏鎮(zhèn)已經(jīng)率先啟動(dòng)了5G試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)工作，目前已設(shè)置了十余個(gè)5G基站，將在第五屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)期間，進(jìn)行5G試驗(yàn)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新的展示。5G體驗(yàn)車中8K畫質(zhì)的烏鎮(zhèn)高清直播，也是展示項(xiàng)目之一。

“我們將在大會(huì)期間展示5G+8K直播，對(duì)攝像頭和顯示器配置要求很高，只有5G網(wǎng)絡(luò)下，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的畫面采集、接收與呈現(xiàn)。”中國(guó)移動(dòng)浙江公司嘉興分公司綜合部工作人員告訴記者，高清的視頻直播需要5G網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的帶寬來支撐。

通過強(qiáng)大的帶寬，5G還能在包括直播、游戲，甚至是醫(yī)療、教育等多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用。

自2016年底，中國(guó)移動(dòng)浙江公司進(jìn)行5G創(chuàng)新探索以來，多次開展G規(guī)模試驗(yàn)，截至目前，已聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界合作伙伴共同開展西湖景區(qū)360度VR直播、遠(yuǎn)程B超、5G AR遠(yuǎn)程維修、全息通話等應(yīng)用創(chuàng)新。

在本屆互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，除通過5G進(jìn)行視頻直播體驗(yàn)外，5G醫(yī)療急救車也將亮相烏鎮(zhèn)。加載了5G網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療急救車，會(huì)實(shí)時(shí)將患者的狀況通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸憬髮W(xué)第二附屬醫(yī)院，醫(yī)院的醫(yī)護(hù)人員能及時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程問診和急救，甚至指導(dǎo)進(jìn)行手術(shù)。同時(shí)，智能消防、智能監(jiān)測(cè)、智能家居等應(yīng)用已十分普遍，5G在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用普及方面，還將進(jìn)階到技術(shù)難點(diǎn)更高質(zhì)的車聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人安防等領(lǐng)域。

(來源： 科技日?qǐng)?bào))