Massive MIMO廣播波束場(chǎng)景化研究*

彭東升，王煜輝，程曉東，吳亞偉

（中國(guó)電信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)中無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)，新技術(shù)的開發(fā)與研究日益趨熱，其中最有發(fā)展前景的技術(shù)之一——Massive MIMO技術(shù)提高了波束賦形能力，增加了數(shù)量級(jí)的頻譜效率和信道容量[1]，降低干擾的同時(shí)，提高了小區(qū)容量和覆蓋能力。

本文首先介紹Massive MIMO的理論基礎(chǔ)和性能，然后逐步測(cè)試在高樓、廣場(chǎng)、高干擾場(chǎng)景下不同MIMO配置模式對(duì)覆蓋的增益情況，總結(jié)針對(duì)不同場(chǎng)景選擇不同廣播波束應(yīng)用方案，為Massive MIMO在現(xiàn)網(wǎng)中的應(yīng)用提供借鑒、指導(dǎo)。

1 MIMO關(guān)鍵技術(shù)探討

Massive MIMO站點(diǎn)技術(shù)是多天線演進(jìn)的一種高端形態(tài)，被業(yè)界公認(rèn)為4.5G和5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為一種新的站點(diǎn)形態(tài)，Massive MIMO通過(guò)集成更多的射頻通道和天線實(shí)現(xiàn)三維精準(zhǔn)波束賦形和多流多用戶復(fù)用技術(shù)，從而達(dá)到比傳統(tǒng)技術(shù)方案更好的覆蓋和更大的容量。Massive MIMO可以大幅度提升單站的容量和覆蓋能力，解決運(yùn)營(yíng)商在同城競(jìng)爭(zhēng)中面臨的站址緊張、建站難、深度覆蓋難等痛點(diǎn)，同時(shí)大幅度提升單用戶流量滿足終端用戶對(duì)不同業(yè)務(wù)極致體驗(yàn)的訴求。

1.1 Massive MIMO技術(shù)

Massive MIMO由Thomas L.Marzetta提出，作為一種多天線演進(jìn)的高端形態(tài)，可實(shí)現(xiàn)精確的立體波束賦形，即水平面和垂直面均可以波束賦形，如圖1所示。

圖1 Massive MIMO立體波束

在基站天線數(shù)趨于無(wú)窮時(shí)，通常嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能的熱噪聲和小區(qū)間干擾可以被忽略。Massive MIMO通過(guò)數(shù)量眾多的天線增加有用信號(hào)的功率，增加信干噪比（SIGNAL NOISE RATIO，SNR）來(lái)降低干擾的影響。同時(shí)，發(fā)送信號(hào)占用帶寬足夠小，信道近似平坦信道；MIMO信道容量隨著天線數(shù)目的增加而線性增大。通過(guò)集成更多的天線數(shù)和通道數(shù)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)覆蓋和系統(tǒng)容量等目的[2]。

1.2 Massive MIMO和波束賦形的關(guān)系

Massive MIMO和波束賦形（Beam Forming，BF）二者相輔相成，缺一不可。Massive MIMO負(fù)責(zé)在發(fā)送端和接收端將越來(lái)越多的天線聚合起來(lái)；波束賦形負(fù)責(zé)將每個(gè)信號(hào)引導(dǎo)到終端接收器的最佳路徑上，提高信號(hào)強(qiáng)度，避免信號(hào)干擾，從而改善通信質(zhì)量[3]。Massive MIMO可實(shí)現(xiàn)精確的立體波束賦形，即水平面和垂直面均可以波束賦形，覆蓋能力更強(qiáng)，尤其適合高層建筑、熱點(diǎn)宏覆蓋等場(chǎng)景。

Massive MIMO和波束賦形的優(yōu)點(diǎn)：

（1）更精確的3D波束賦形，提升終端接收信號(hào)強(qiáng)度；

（2）同時(shí)同頻服務(wù)更多用戶（多用戶空分），提高網(wǎng)絡(luò)容量；

（3）有效減少小區(qū)間的干擾；

（4）更好地覆蓋遠(yuǎn)端和近端的小區(qū)。

1.3 AAU形態(tài)

Massive MIMO采用射頻單元和天線單元合二為一的AAU形態(tài)，通過(guò)軟件和硬件相結(jié)合的方式，在水平和垂直維度形成3D波束。

天線的垂直波瓣寬度和下傾角決定了基站的覆蓋距離，而天線的水平波瓣寬度和方位角決定了覆蓋范圍。廣播波束是在廣播時(shí)隙形成，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)小區(qū)的廣播。波瓣寬度的大小反映了天線的能量輻射集中程度，波瓣寬度越窄，天線主瓣能量越集中，旁瓣對(duì)周圍小區(qū)的干擾越小[4]。對(duì)于廣播信道全向賦形，全向天線的水平波瓣寬度均為360°；定向天線的常見水平波瓣寬度有30°、65°、90°和120°等多種。

1.4 廣播波束場(chǎng)景化

天線在不同模式配置下，不同數(shù)字方向角、數(shù)字下傾角配置下，增益波形差異明顯。

常見的3種場(chǎng)景如下：

（1）高樓場(chǎng)景：使用垂直面覆蓋比較寬的波束，提升垂直覆蓋范圍；

（2）廣場(chǎng)場(chǎng)景：近點(diǎn)使用寬波束，保證接入，遠(yuǎn)點(diǎn)使用窄波束，提升覆蓋；

（3）小區(qū)間干擾場(chǎng)景：可以使用水平掃描范圍相對(duì)窄的波束，避免強(qiáng)干擾源。

可依據(jù)實(shí)際環(huán)境之需，根據(jù)周邊站點(diǎn)的站間距、疏密程度調(diào)整水平或垂直波寬來(lái)達(dá)到預(yù)期的覆蓋效果。目前，Massive MIMO廣播波束場(chǎng)景化配置加默認(rèn)模式共計(jì)17種模式[5]，具體如表1所示。

表1 17種模式的相關(guān)參數(shù)

如何組合調(diào)整水平、垂直波寬，以達(dá)到場(chǎng)景的最優(yōu)覆蓋，需要通過(guò)現(xiàn)網(wǎng)不同覆蓋場(chǎng)景下組合不同的調(diào)整方案，匯總測(cè)試結(jié)果，總結(jié)不同覆蓋場(chǎng)景下的最優(yōu)調(diào)整組合。

2 MIMO技術(shù)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試

2.1 高樓場(chǎng)景測(cè)試方案

選擇有天線直接面對(duì)高樓覆蓋的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，天線與被測(cè)試高樓之間無(wú)遮擋且距離適當(dāng)。本次測(cè)試選取天鵝湖大酒店進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示。測(cè)試地點(diǎn)為客房樓層中部的窗戶旁邊，測(cè)試樓層為1、5、10、15、20、25。如圖3所示，測(cè)試終端占用第3小區(qū)，PCI（92）。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，測(cè)試點(diǎn)無(wú)法完全正對(duì)天線。利用室外基站覆蓋高樓場(chǎng)景的難點(diǎn)在于高層的室內(nèi)覆蓋，所以后續(xù)分析將主要關(guān)注高層的覆蓋效果。

圖2 測(cè)試位置

測(cè)試方法：對(duì)被測(cè)樓宇進(jìn)行隔層測(cè)試，測(cè)試采用定點(diǎn)下行灌包的方式，單次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)1 min，最終以平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。相關(guān)的測(cè)試方案如表2所示。測(cè)試結(jié)果1和測(cè)試結(jié)果2分別如表3和表4所示。

表2 測(cè)試方案

表3 測(cè)試結(jié)果1

表4 測(cè)試結(jié)果2

對(duì)于利用室外站點(diǎn)覆蓋高樓的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，難點(diǎn)在于高層的覆蓋，對(duì)于中、低樓層的區(qū)別不是很大。所以，參數(shù)配置的重點(diǎn)應(yīng)圍繞高層的覆蓋效果。正常來(lái)講，選擇垂直波寬25°是最佳選擇。同時(shí)，根據(jù)覆蓋地點(diǎn)與小區(qū)天線的夾角，確定最佳的方位角。在本次測(cè)試中，選擇水平波寬65°、垂直波寬25°達(dá)到了最佳效果，其他的類似場(chǎng)景可參考本次測(cè)試結(jié)果，如表5所示。

表5 高樓場(chǎng)景覆蓋模式

2.2 廣場(chǎng)場(chǎng)景測(cè)試方案

選擇有天線直接正對(duì)廣場(chǎng)覆蓋的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，天線與被測(cè)試廣場(chǎng)之間無(wú)遮擋且距離適當(dāng)。目前，選取火車站站前廣場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)廣場(chǎng)采用步測(cè)下行灌包的方式進(jìn)行測(cè)試，最終以平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。測(cè)試路線如圖3所示。

圖3 測(cè)試路線

不同覆蓋場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果如表6所示。

在廣場(chǎng)場(chǎng)景區(qū)域，由于沒(méi)有明顯的建筑物遮擋，可盡量選取水平波寬較大的覆蓋類型。本次測(cè)試中，選擇場(chǎng)景SCENARIO_1時(shí)，SS-RSRP和SS-SINR都達(dá)到了最優(yōu)值，大多數(shù)場(chǎng)景可考慮借鑒本次測(cè)試結(jié)果，如表7所示。

2.3 小區(qū)間干擾場(chǎng)景測(cè)試方案

選取站點(diǎn)較為密集的區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。目前，合肥市政府附近懷寧路與長(zhǎng)河西路交口、政務(wù)區(qū)人防兩個(gè)站點(diǎn)已達(dá)到連片覆蓋，故選取合肥市政府附近進(jìn)行測(cè)試。

表6 不同覆蓋場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果

表7 廣場(chǎng)場(chǎng)景覆蓋模式

對(duì)合肥市政府附近進(jìn)行DT測(cè)試，最終以平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由于合肥市政府東側(cè)的覆蓋較差，不利于本次的干擾場(chǎng)景驗(yàn)證，所以最終測(cè)試路線如圖4所示。

圖4 測(cè)試路線

不同覆蓋場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果如表8所示。

對(duì)于干擾較強(qiáng)的區(qū)域，在保證覆蓋沒(méi)有明顯惡化的前提下，可以考慮適當(dāng)降低扇區(qū)的水平波寬來(lái)降低干擾，如表9所示。本次測(cè)試中，選擇場(chǎng)景SCENARIO_3時(shí)，在保證覆蓋沒(méi)有惡化的情況下，SSSINR達(dá)到最優(yōu)，相對(duì)修改前平均提升了1.54 dB。

3 結(jié) 語(yǔ)

Massive MIMO結(jié)合波束賦形技術(shù)可以針對(duì)不同場(chǎng)景選擇不同的廣播波束場(chǎng)景應(yīng)用方案，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的電子方位角和電子傾角，以有效優(yōu)化覆蓋、提升用戶感知。但是，不同組合下天線的參數(shù)權(quán)值超過(guò)萬(wàn)種，因此在5G的規(guī)劃、優(yōu)化中，快速選擇正確的覆蓋方案能夠大大節(jié)約時(shí)間，減少錯(cuò)誤。本次測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證并輸出了主要覆蓋場(chǎng)景的推薦覆蓋方案，如表10所示，可供大多數(shù)場(chǎng)景參考、借鑒，為5G時(shí)代的到來(lái)夯實(shí)基礎(chǔ)。

表8 不同覆蓋場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果

表9 干擾場(chǎng)景覆蓋模式

表10 場(chǎng)景化覆蓋方案