5G多天線技術(shù)研究與實(shí)踐

趙云峰 凌威 武曉濤 戴寒怡 魏芹 程超

1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司宿遷分公司；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司

0 引言

我國(guó)已正式進(jìn)入5G時(shí)代。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將比4G網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)500-1000倍，典型用戶數(shù)據(jù)速率提升10-100倍，峰值傳輸速率可達(dá)10Gbps或更高，端到端時(shí)延縮短5-10倍，網(wǎng)絡(luò)綜合能效提升1000倍。這些性能的取得，主要依靠5G系統(tǒng)中的幾大關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模天線（Massive MIMO）、超密組網(wǎng)（UDN）、新空口（NR）等。本文重點(diǎn)研究超大規(guī)模多進(jìn)多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）天線及其權(quán)值應(yīng)用。

1 MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介

MIMO技術(shù)利用空間信道的多徑效應(yīng)，在發(fā)射端和接收端分別設(shè)置多個(gè)天線，通過(guò)分集或者復(fù)用的方式，獲取信道傳輸?shù)目煽啃院吞岣呦到y(tǒng)容量。MIMO技術(shù)早在4G時(shí)代就已經(jīng)被廣泛使用，TD-LTE廣泛支持的MIMO為8天線。5G中MIMO天線技術(shù)更加成熟，可以實(shí)現(xiàn)16/32/64/128天線，甚至更大規(guī)模。

2 Massive MIMO天線特性

2.1 分集特性

分集特性就是通過(guò)多端口重復(fù)發(fā)送相同數(shù)據(jù)來(lái)降低空間傳輸誤碼率，實(shí)現(xiàn)分集增益。分集特性在前幾代通信系統(tǒng)中應(yīng)用比較成熟，不是Massive MIMO的設(shè)計(jì)初衷。終端在多個(gè)天線（通道）重復(fù)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，分集特性如圖1所示。

圖1 MIMO分集的示意結(jié)構(gòu)

2.2 復(fù)用特性

根據(jù)香農(nóng)公式，一個(gè)通信系統(tǒng)的容量主要與該系統(tǒng)的帶寬和系統(tǒng)的信噪比有關(guān)。系統(tǒng)的帶寬不可能無(wú)限制地增加，也不可能靠無(wú)限制增加發(fā)射端的輸出功率來(lái)提高信噪比，這樣就導(dǎo)致系統(tǒng)容量受限。MIMO技術(shù)通過(guò)等效信道的增加，成倍地增加了系統(tǒng)容量?？臻g多信道擴(kuò)展后的香農(nóng)公式如式1所示。

其中，C為系統(tǒng)容量，W為帶寬，m為等效信道數(shù)，σ為信道平衡度，P為每信道接收功率，N為噪聲，I為干擾。根據(jù)該公式，發(fā)送端在T1時(shí)刻通過(guò)多信道（通道）同時(shí)發(fā)送多個(gè)信息，接收端分別接收每個(gè)信道（通道）上的信息，相對(duì)于分集接收中發(fā)送端和接收端的通信方式，系統(tǒng)容量得到成倍的增加。如圖2所示。

圖2 MIMO復(fù)用特性

2.3 波束賦形

波束賦形就是根據(jù)特定場(chǎng)景自適應(yīng)地調(diào)整天線陣列輻射圖的一種技術(shù)。傳統(tǒng)的天線通信方式是基站與手機(jī)間的單天線發(fā)射到單天線接收的電磁波傳輸，在沒(méi)有物理調(diào)節(jié)的情況下，其天線的輻射方位是固定的。在波束賦形技術(shù)中，基站側(cè)有多個(gè)天線，基站自動(dòng)調(diào)整各個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位，使其在某一位置形成電磁波有效疊加，相應(yīng)地，降低其他位置的電磁波信號(hào)強(qiáng)度，提高接收信號(hào)的質(zhì)量。如圖3所示。

圖3 廣波束覆蓋與波束賦形覆蓋

3 提升系統(tǒng)容量的方法

根據(jù)MIMO復(fù)用特性中的多信道香農(nóng)公式，提高系統(tǒng)容量的方法主要有3個(gè)：提高帶寬、增加信道和增加功率。

3GPP定義了5G頻率范圍（Frequency Range，F(xiàn)R）和帶寬。其中頻率范圍分為2個(gè)，即FR1（450MHz-6GHz）和FR2（24GHz-52GHZ），一般稱FR2為毫米波。一般小區(qū)分配的帶寬是固定的，Sub6G小區(qū)可以分配的最大帶寬為100MHz，無(wú)法通過(guò)無(wú)限制地增加系統(tǒng)帶寬提高系統(tǒng)容量。

再回到多信道香農(nóng)公式中，如何增加每信道接收功率（Pr）是提高系統(tǒng)容量的第三個(gè)研究方向。這里引入一個(gè)重要的天線理論公式——弗里斯傳輸公式，也被稱為功率傳輸方程。它將傳輸功率、天線增益、傳輸距離、波長(zhǎng)與接收功率聯(lián)系起來(lái)。如式2所示。

其中，Pr為接收天線功率，Pt為發(fā)射天線功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收終端的天線增益，λ為工作波長(zhǎng)，R為收發(fā)天線距離。Pt、λ、R、Gr和Gt基本受限于器件、資源和物理規(guī)律，無(wú)法有效地提升接收天線功率。波束賦形是通過(guò)調(diào)整天線權(quán)值改變天線陣列的輻射圖的技術(shù)，通過(guò)波束賦形，改變發(fā)射信號(hào)的相位，使其在終端接收點(diǎn)形成電磁波的有效疊加，產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)增益來(lái)克服損耗，從而達(dá)到提高接收信號(hào)強(qiáng)度的目的。

4 大規(guī)模MIMO權(quán)值設(shè)置與現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證

發(fā)射信號(hào)的調(diào)整改變了信號(hào)的輻射方向，每個(gè)天線陣子發(fā)射信號(hào)相位的改變有海量組合，從天線波形圖變化情況來(lái)看，主要是4個(gè)維度的變化：水平方向角（Az）、水平波瓣寬度（H）、垂直波瓣寬度（V）、電子下傾角（T），如圖4所示，其中θ表示水平方向角，δ表示下傾角。

圖4 3D方向與多波束

5G基于多天線技術(shù)引入廣播窄波束掃描，提供多樣化權(quán)值組合，滿足場(chǎng)景化覆蓋需求。場(chǎng)景化的5G廣播天線權(quán)值設(shè)置方案成為5G覆蓋研究的重要手段。根據(jù)中興區(qū)域5G站點(diǎn)覆蓋情況，選取了低層建筑、中層建筑、高層建筑等典型覆蓋場(chǎng)景，對(duì)同一場(chǎng)景設(shè)置不同的子波束權(quán)值，開(kāi)展CQT（Call Quality Test，定點(diǎn)質(zhì)量測(cè)試）和DT（Drive Test，路測(cè)）測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，給出典型場(chǎng)景下波束權(quán)值建議。

本文采用“[Aw][Hx][Vy][Tz]”記錄方法表示權(quán)值調(diào)整情況，如“A10V6”代表調(diào)整水平方位角10°、垂直波瓣寬度6°。

4.1 獨(dú)棟高層建筑場(chǎng)景

綜合來(lái)看，對(duì)于獨(dú)棟超高層建筑場(chǎng)景，H15V30權(quán)值室內(nèi)覆蓋效果最優(yōu)。如表1、表2所示。

表1 獨(dú)棟高層建筑權(quán)值DT驗(yàn)證結(jié)果

表2 獨(dú)棟高層建室內(nèi)CQT測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果

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4.2 連片高層建筑場(chǎng)景

DT測(cè)試范圍和結(jié)果與場(chǎng)景一相同。綜合來(lái)看，對(duì)于連片高層建筑場(chǎng)景，H65V30權(quán)值室內(nèi)覆蓋效果最優(yōu)。如表3、表4所示。

表3 連片高層建筑室內(nèi)CQT測(cè)試結(jié)果

表4 連片高層建筑室內(nèi)CQT測(cè)試結(jié)果

4.3 低層建筑場(chǎng)景

對(duì)于低層建筑場(chǎng)景，H30V15權(quán)值室內(nèi)覆蓋效果最優(yōu)。如表5所示。

表5 低層建筑場(chǎng)景室內(nèi)CQT測(cè)試結(jié)果

對(duì)于低層建筑場(chǎng)景，H45V15權(quán)值室外DT覆蓋效果最優(yōu)。如表6所示。

表6 低層建筑場(chǎng)景室外DT測(cè)試結(jié)果

對(duì)于低層建筑場(chǎng)景，綜合考慮室內(nèi)外覆蓋效果，建議選擇H45V15權(quán)值。

4.4 高低混合建筑場(chǎng)景

綜合來(lái)看，對(duì)于高低混合建筑場(chǎng)景，H30V30權(quán)值室內(nèi)覆蓋效果最優(yōu)。如表7所示。

表7 高低混合建筑場(chǎng)景室內(nèi)CQT測(cè)試結(jié)果

5 Massive MIMO天線權(quán)值應(yīng)用建議

根據(jù)典型場(chǎng)景設(shè)置不同權(quán)值的測(cè)試結(jié)果分析，如表8所示。建議：

（1）對(duì)于超高層建筑場(chǎng)景，如寫字樓、高層住宅，推薦H15V30權(quán)值；

（2）對(duì)于連片高層建筑場(chǎng)景，如連片寫字樓、高層住宅，推薦H65V30權(quán)值；

（3）對(duì)于低層建筑場(chǎng)景，如低層居民區(qū)，根據(jù)本次所選擇測(cè)試區(qū)域推薦H45V15權(quán)值，實(shí)際配置時(shí)可結(jié)合覆蓋區(qū)域需求選擇H65V7、H65V15和H45V15等權(quán)值；

（4）對(duì)于高低混合建筑場(chǎng)景，如寫字樓+低層居民區(qū)，根據(jù)本次所選擇測(cè)試區(qū)域，推薦H30V30權(quán)值，實(shí)際配置時(shí)可結(jié)合覆蓋區(qū)域需求選擇H65V30、H65V15和H30V30等權(quán)值。

表8 不同場(chǎng)景的推薦天線權(quán)值

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從MIMO原理上解釋了波束賦形對(duì)終端接收增益的提升，通過(guò)波束賦形和權(quán)值驗(yàn)證各種場(chǎng)景適用的天線權(quán)值，并給出選用建議，為5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化提供了理論支撐和實(shí)踐參考。