5G 增強移動寬帶的massive-MIMO 技術(shù)性能分析

楊東來

（華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，杭州 310051）

1 5G 增強移動寬帶的系統(tǒng)模型構(gòu)建

MIMO 技術(shù)是將多個天線單元設(shè)置在收發(fā)兩端，用以收發(fā)傳輸信號[1]。大規(guī)模MIMO 概念是Bell 實驗室的科學(xué)家Marzetta在多小區(qū)、TDD 場景下提出的[2]。massive-MIMO 技術(shù)是以傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)核心思想為基礎(chǔ)，通過增加發(fā)射與接收天線的數(shù)量，實現(xiàn)分集或復(fù)用大規(guī)模天線陣列，以保證在不改變發(fā)射功率和頻率資源的狀態(tài)下，大幅度提升移動網(wǎng)絡(luò)通信性能。在eMBB 應(yīng)用場景中，massive-MIMO 技術(shù)是重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，下面基于massive-MIMO 技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)模型。

本系統(tǒng)模型采用2D 有源天線陣列構(gòu)建起massive-MIMO 系統(tǒng)，每個天線包含的天線面板數(shù)量為Mg×Ng個，各天線位于同一平面上，間距與輻射方向相同，形成大規(guī)模天線波束成形模型[3]，如圖1所示。通過計算數(shù)字波束成形中的數(shù)字預(yù)編碼增益，以及模擬波束成形中的模擬成形增益，兩者之和即為大規(guī)模天線增益。

圖1 大規(guī)模天線波束成形示意圖

基于大規(guī)模天線陣列的波束成形，可計算出用戶k 接收端的信噪比SINRk，計算公式如下：

式中，PT表示發(fā)射功率 ；L（i，k）表示服務(wù)基站 i 與用戶 k 之間信號的路徑損耗；L（j，k）表示干擾基站j 與用戶k 之間的信號路徑損耗；θ 表示基站與用戶的垂直夾角；θbeam表示波束的俯仰角，取值范圍為0°到180°；φ 表示基站與用戶的水平夾角；φbeam表示波束的指向角，取值范圍為 -180°到180°；Gk，i，A（θ，φ，θbeam，φbeam）表示基站i 對用戶k 的模擬波束成形增益；Gk，i，D表示基站 i 對用戶 k 的數(shù)字波束形成增益；Gk，j，A（θ，φ，θbeam，φbeam）表示基站 j 用戶 k 的模擬波束成形增益；G_（k，j，D）表示基站j 對用戶k 的數(shù)字波束形成增益；N_0表示高斯白噪聲。

2 5G 增強移動寬帶massive-MIMO 技術(shù)性能分析

下面分別以室內(nèi)熱點小區(qū)與城市宏小區(qū)兩個應(yīng)用場景的仿真為視角，分析massive-MIMO 系統(tǒng)的技術(shù)性能，為滿足eMBB 的性能要求提供最佳的配置方案。在eMBB 場景應(yīng)用中，設(shè)基站間距為200m，仿真寬帶為100MHz，載波頻率為3.5GHz，天線高度為25m，MIMO 模式最高支持8流傳輸。

2.1 基于城市宏小區(qū)仿真的關(guān)鍵技術(shù)性能分析

城市宏小區(qū)由三個扇區(qū)覆蓋，在基站端共有4個天線面板，每個天線面板上的天線數(shù)量為4×8=32根。接收端天線共32根。天線波束水平與垂直方向分別為[-60，60]、[90，160]。在數(shù)字波束成形中設(shè)置SVD 預(yù)編碼，采用MMSE 接收機接收信息，在模擬波束成形中選擇最佳性能的波束生成模擬預(yù)編碼，其信號具備空域分布特性，能夠確保用戶獲得大規(guī)模天線陣列增益。數(shù)字預(yù)編碼根據(jù)信道信息對發(fā)射端信號進行預(yù)處理，動態(tài)調(diào)節(jié)功率和相位，以達到接收端功率增益的目的，提高用戶SINR。當城市宏小區(qū)配置256×32根天線時，可使用戶SINR 達到最大值，即提升20dB。

2.2 基于室內(nèi)熱點仿真的關(guān)鍵技術(shù)性能分析

在室內(nèi)熱點小區(qū)的基站端設(shè)置2個天線面板，每個天線面板上的天線數(shù)量為4×8=32根，共64根天線，接收端設(shè)置1個天線面板，共32根天線。在數(shù)字波束成形中設(shè)置SVD 預(yù)編碼，采用MMSE 接收機接收信息，在模擬波束成形中選擇最佳性能的波束生成模擬預(yù)編碼。通過對比城市宏小區(qū)仿真結(jié)果可知，由于室內(nèi)熱點小區(qū)仿真區(qū)域明顯偏小，所以在兩者波束相同的條件下，室內(nèi)熱點小區(qū)的波束精確度相對更高。然而，波束數(shù)量的增多會增加波束選擇算法的復(fù)雜程度，所以還需考慮算法因素來確定預(yù)編碼波束，以達到最佳的網(wǎng)絡(luò)性能提升效果。當室內(nèi)熱點小區(qū)配置64×32根天線時，可使用戶SINR 達到最大值，即提升25dB。

3 結(jié)束語

總而言之，天線配置方案對移動寬帶用戶的頻譜效率和信噪比能夠產(chǎn)生直接影響。通過采用massive-MIMO 技術(shù)組建大規(guī)模天線陣列，優(yōu)化設(shè)計天線配置方案，可滿足5G 增強型移動寬帶場景的應(yīng)用要求，大幅度提升用戶接收端的信噪比，保證大規(guī)模天線的性能。