大規(guī)模天線技術(shù)在5G 中的應用

趙立英，頡 斌

（北京中網(wǎng)華通設計咨詢有限公司，北京 100000）

1 研究背景

2020年是全球公認的5G大規(guī)模商用的時間點。目前，我國高層、相關部委以及運營商都在關注并大力推動5G的試驗和相關建設，5G時代即將到來。5G相對4G，從系統(tǒng)容量等性能指標到頻譜效率等能效指標方面，均有數(shù)量級倍的提升。性能的提升必然是技術(shù)提升和新技術(shù)應用的結(jié)果。大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）是5G關鍵技術(shù)之一，因此研究大規(guī)模天線技術(shù)對5G布局具有重要意義。

2 大規(guī)模天線技術(shù)

大規(guī)模天線技術(shù)同樣采用MIMO技術(shù)。MIMO技術(shù)在4G通信中已經(jīng)進行了充分研究與應用，各項技術(shù)已經(jīng)成熟，但在4G通信中MIMO天線數(shù)量較少。Massive MIMO可以理解為4G MIMO技術(shù)的繼承、延伸，天線振子可以達到成百上千個。Massive MIMO技術(shù)在4G應用基礎上增加了水平、垂直等空間波束賦形功能，所以又稱為3D MIMO或Large Scale MIMO。它在基站側(cè)通過安裝大量天線（≥8，通常為16T16R、32T32R、64T64R及以上）組成天線陣列系統(tǒng)，從而實現(xiàn)大量的天線同時發(fā)送數(shù)據(jù)，是多天線技術(shù)演進的一種高端形態(tài)。

2.1 理論基礎

采用大規(guī)模天線能夠提升系統(tǒng)容量和頻譜利用效率，主要是基于以下理論：

（1）多天線信息理論證明，當無線鏈路收發(fā)兩端采用多個天線時，該網(wǎng)絡的極限容量會遠超采用單天線的系統(tǒng)。

（2）根據(jù)概率學統(tǒng)計原理，當發(fā)端天線數(shù)量遠大于收端時，發(fā)端到收端各個用戶的無線鏈路將趨于正交，用戶間干擾將趨于消失；巨大的陣列增益能夠有效提升每個用戶的信噪比，從而能夠在相同的時頻資源共同調(diào)度更多用戶。

（3）大規(guī)模天線具有波束賦形功能，在水平、垂直三維空間形成多個高增益窄波束，提高覆蓋能力的同時，降低了用戶之間的干擾。在波束賦形功能基礎上還可基于無線網(wǎng)絡情況進行空間復用和空間分集，提升網(wǎng)絡容量或提高鏈路健壯性。

2.2 測試結(jié)論

根據(jù)我國5G技術(shù)研發(fā)試驗第一階段關鍵技術(shù)驗證中針對大規(guī)模天線的測試，結(jié)論如下：

（1）在用戶水平分散分布與水平+垂直分散分布兩個測試場景下，峰值吞吐量達到4 Gb/s@100 MHz，相比于單用戶雙流的峰值速率（478 Mb/s），增益超過8倍；

（2）用戶分布的相關性對MU-MIMO的性能影響較大。密集分布場景相對分散分布峰值，吞吐量下降25%。

2.3 天線形態(tài)

Massive MIMO在5G網(wǎng)絡中通常與RRU合設，即天線與射頻單元合二為一，稱為有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）。與傳統(tǒng)分離方案相比，AAU方案提高了天饋系統(tǒng)集成度，減少了饋線損耗，降低了站點負荷。對于頻率較低、容量需求較低以及通道數(shù)量較少的情況，也可采用天線與RRU分離的方案。

5G大規(guī)模天線典型規(guī)格如圖1所示。

圖1 5G大規(guī)模天線典型規(guī)格圖

從圖1可看出，頻段越高，天線體積越小，是5G采用大規(guī)模天線技術(shù)的有利條件之一，尤其是在高頻段和毫米波的應用。典型3.5 GHz大規(guī)模天線規(guī)格圖如圖2所示。

圖2 典型3.5 GHz大規(guī)模天線規(guī)格圖

2.4 天線映射

影響大規(guī)模天線性能的參數(shù)包括振子數(shù)及布局、自由度和通道數(shù)等。

振子數(shù)一般為128和192。振子數(shù)越多，波束越窄，能量越集中，對覆蓋越有利。同樣的振子數(shù)量，基于某一方面天線性能考慮，可以有不同布局。如圖3中16TRX（8H2V）與32TRX（8H4V），天線振子數(shù)量一致，水平自由度一致，但通道數(shù)量差1倍、垂直自由度差1倍，導致二者在垂直賦形能力、提升系統(tǒng)容量方面存在差別。

自由度（T）。垂直面達到2T及以上，可以實現(xiàn)3D MIMO，實現(xiàn)更大范圍的垂直覆蓋。垂直面存在多T，能夠獲得覆蓋角度所需的相位差，是3D-BF的基本條件。垂直面1驅(qū)N，N越大，兩T之間的距離越大，可轉(zhuǎn)動角度越小。1驅(qū)6場景下比1驅(qū)3角度小50%。

通道數(shù)也可以理解為TRX數(shù)，一般為8、16、64和128等。通道數(shù)越多，系統(tǒng)容量越大。

圖3為移動通信中常用的MIMO天線映射圖。

圖3 常用天線映射圖

以64TRX為例，圖3中每個交叉的×表示一對采用交叉極化方式安裝的陣子，而一個方框代表多個陣子連接一個功放（Power Amplif i er，PA）?？紤]到雙極化因素，64TRX天線共包含64個PA，每PA連接3個陣子。從振子布局可看出，垂直面1個PA驅(qū)動3個天線振子，水平面1個PA驅(qū)動1個天線振子，于是有：

3（垂直面1T陣子數(shù)）×4T（垂直面TRX數(shù)）×1（水平面1T陣子數(shù)）×8T（水平面TRX數(shù)）×2（雙極化）=192陣子 （1）

3 大規(guī)模天線在5G網(wǎng)絡中的應用

在即將規(guī)模部署的5G網(wǎng)絡中，大規(guī)模天線會廣泛應用。目前，主流5G天線類型主要包括64TRX、32TRX和16TRX共3種。下面從應用場景和天線選型兩方面進行介紹。

3.1 應用場景

針對大規(guī)模天線能提升系統(tǒng)容量、增強覆蓋尤其是高層覆蓋、抑制干擾的特性，主要應用場景如下。

3.1.1 高業(yè)務量場景

高業(yè)務量場景主要指密集城區(qū)、CBD以及商務區(qū)等。這些區(qū)域數(shù)據(jù)業(yè)務爆炸性增長，在新建站址越來越難的現(xiàn)狀下，存量網(wǎng)絡的頻譜效率需大幅提升。通過上行多用戶虛擬MIMO，最大支持8流，多個UE配對復用相同的上行時頻資源，同時傳輸多流數(shù)據(jù)，提高小區(qū)的平均上行吞吐率。下行MU-BF最大支持16流：同一個時頻資源上傳多個下行數(shù)據(jù)流，從而提高下行傳輸?shù)念l譜效率。

3.1.2 高層覆蓋場景

例如，高層住宅小區(qū)。通過垂直波束賦形能力進行高樓層覆蓋，波束間垂直角度大，不同波束覆蓋不同樓層，可解決高樓站址緊張、墻體穿損大以及信號難以控制等痛點。在同等水平波束的情況下，8T8R場景垂直波束固定為6.5°左右；Massive MIMO可以靈活定制水平和垂直波寬，有效提升高樓場景的覆蓋2～10 dB。

3.1.3 高干擾場景

類似大型場館組織各類活動時，人流量及業(yè)務量密度非常大。通過波束賦形功能準確跟蹤用戶，可有效抑制干擾，提升網(wǎng)絡容量。

3.2 天線選型

下面從覆蓋、容量以及造價等方面對64TRX、32TRX和16TRX共3種天線進行比較。

3.2.1 覆蓋性能對比

根據(jù)測試，相對于16T16R，32T32R覆蓋提升3～4 dB，64T32R覆蓋提升5～6 dB，3D MIMO對提升覆蓋增益明顯，具體見圖4和圖5。

3.2.2 容量對比

16TRX、32TRX、64TRX隨著通道的增多，帶給網(wǎng)絡的容量增益越大。測試數(shù)據(jù)顯示，在平均站距500 m的條件下，64TRX相對16TRX帶來2倍多的容量增益。

3.2.3 造價對比

64TR天線成本為32TR的1.5倍，為16TR的2倍以上。

圖4 覆蓋性能對比圖

圖5 垂直面覆蓋性能對比圖

3.2.4 結(jié)果與分析

通過表1比較：密集城區(qū)建議選擇64TRX天線，同時兼顧覆蓋與容量；一般城區(qū)基于建設成本考慮，推薦選用32TRX或16TRX，局部區(qū)域可考慮64TR天線，后續(xù)若天線成本大幅下降，可直接考慮采用64TR天線；農(nóng)村區(qū)域5G部署頻段預計會采用對現(xiàn)有頻譜進行重耕，受限于天線尺寸制約，預計天線仍會采用現(xiàn)有形式，可考慮采用2T2R和4T4R天線類型。

4 結(jié) 論

理論及測試均證明，大規(guī)模天線在5G網(wǎng)絡中應用能高效提升頻譜效率、提高系統(tǒng)容量、降低小區(qū)干擾。5G建設目前處于試驗網(wǎng)預商用階段，大規(guī)模建設即將到來。針對大規(guī)模天線的應用，要綜合考慮場景特性、天線特性以及造價等多方面因素，合理選擇天線類型。

表1 常用天線參數(shù)對比表