5G無(wú)源室分場(chǎng)景下的分布式MIMO研究與應(yīng)用

侯彥莊，和 靜，畢 猛，陳小奎，呂正春（.中國(guó)鐵塔股份有限公司，河南 鄭州 450000；.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著5G 時(shí)代的到來(lái)，包括云VR/AR、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智慧能源、無(wú)線醫(yī)療、無(wú)線家庭娛樂(lè)、聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)、社交網(wǎng)絡(luò)、個(gè)人AI 輔助和智慧城市在內(nèi)的十大5G 應(yīng)用場(chǎng)景，至少7 種應(yīng)用與室內(nèi)覆蓋直接相關(guān)，室內(nèi)覆蓋將是5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重點(diǎn)，同時(shí)由于5G 采用更高頻段，穿透損耗更大，室內(nèi)覆蓋將主要依靠室分系統(tǒng)完成。

5G 室分系統(tǒng)主要有2 種主流技術(shù)：一是數(shù)字化的有源室分，如常見(jiàn)華為的LampSite，中興的Qcell 等產(chǎn)品，通常4 路覆蓋，可以提供高速率、大容量，易安裝，便于維護(hù)，但成本造價(jià)普遍偏高；二是傳統(tǒng)的無(wú)源室分，RRU+無(wú)源器件形式，基于布線數(shù)量、施工成本考慮，通常采用雙路覆蓋，多家運(yùn)營(yíng)商共享，成本造價(jià)較低，但下行通常最大2流（RANK2），相比有源室分的下行最大4流（RANK4），提供的速率和容量均偏低。

目前5G雖然在中國(guó)已經(jīng)正式商用，但面對(duì)個(gè)人消費(fèi)者的應(yīng)用尚沒(méi)有形成規(guī)模，用戶數(shù)量較少，基于投資與收益比的考慮，針對(duì)普通的商務(wù)樓宇、隧道等場(chǎng)景，運(yùn)營(yíng)商普遍采用低成本的無(wú)源室分方案。針對(duì)無(wú)源室分低速率、低容量的現(xiàn)狀，結(jié)合分布式MIMO 提升速率和容量的特點(diǎn)，創(chuàng)新地提出了5G無(wú)源室分場(chǎng)景下的分布式MIMO 應(yīng)用方案，在不增加投資成本的前提下，以雙路的覆蓋實(shí)現(xiàn)4 流的效果，提升5G 無(wú)源室分覆蓋的速率、容量及用戶體驗(yàn)。

1 原理與可行性研究

所謂分布式MIMO，與基站的天線集中排列形成天線陣列進(jìn)行覆蓋的集中式MIMO 不同，它將基站的多個(gè)天線分散放置進(jìn)行覆蓋，如圖1所示。

圖1 集中式與分布式MIMO原理示意圖

由于分布式MIMO 的多個(gè)天線分別處于不同的地理位置，不同地理位置上的收發(fā)鏈路之間的信道相互獨(dú)立，從而能夠更加靈活地進(jìn)行覆蓋設(shè)計(jì)，增加覆蓋面積。不同地理位置的天線信號(hào)如果存在重疊，處于重疊區(qū)域的UE同時(shí)收到了不同地理位置的天線信號(hào)，基站應(yīng)該可以進(jìn)行更多流的數(shù)據(jù)調(diào)度，提升UE的下行速率及小區(qū)平均速率，但理論上這種情況是否可行需要具體分析。

眾所周知，基站是否能夠?qū)E進(jìn)行多流數(shù)據(jù)調(diào)度通常取決于UE 上報(bào)的RANK 值，U RANK 來(lái)自UE 對(duì)基站不同天線端口的下行參考信號(hào)的測(cè)量，如LTE 系統(tǒng)UE 測(cè)量RS 信號(hào)，5G 系統(tǒng)UE 測(cè)量CSI-RS 信號(hào)，根據(jù)測(cè)量到的不同端口參考信號(hào)的SINR和相關(guān)性，結(jié)合下行頻譜效率的考慮，選擇下行頻譜效率最高的RANK 上報(bào)，當(dāng)然如果RANK 不準(zhǔn)確，不能正確反映所處位置的下行信道質(zhì)量，將影響基站對(duì)UE 的調(diào)度結(jié)果，如誤碼率、重傳率較高，影響用戶速率和體驗(yàn)，所以RANK 的準(zhǔn)確性將是影響分布式MIMO 性能的關(guān)鍵，也是分布式MIMO應(yīng)用可行性的關(guān)鍵。

如圖2 所示，LTE 制式不同的天線端口發(fā)送的RS信號(hào)的位置不同，UE根據(jù)接收到的不同的通道信號(hào)即可以判斷具體是哪個(gè)端口的RS信號(hào)，這種情況下即使是分布式MIMO 場(chǎng)景，也能保證UE 測(cè)量RANK 的正確性。

圖2 LTE下行參考信號(hào)映射

而在5G 系統(tǒng)中，多個(gè)天線端口的CSI-RS 信號(hào)復(fù)用到一組資源單元（RE），不同的通道發(fā)射同樣的波束位圖，只是通過(guò)頻域/時(shí)域/碼域位置不同的RE 來(lái)區(qū)分不同的端口，所以UE只測(cè)量一個(gè)通道即可獲取多個(gè)端口的參考信號(hào)測(cè)量，從而即使UE只收到一個(gè)通道的信號(hào)也可能RANK 大于1，那么分布式MIMO 在5G 就無(wú)法應(yīng)用了嗎？答案是否定的。當(dāng)前主流5G 使用的是時(shí)分雙工（TDD），上下行信道是具備互易性的，基站可以通過(guò)UE 上行信道的測(cè)量來(lái)評(píng)估下行信道，5G 基站就可以通過(guò)那些能夠接收到UE 上行探測(cè)參考信號(hào)（SRS）通道的參考信號(hào)對(duì)下行信道的RANK 進(jìn)行判定，保證RANK 值的準(zhǔn)確性，如圖3 所示，使得5G 的分布式MIMO應(yīng)用具備了可行性。

圖3 基于上行SRS信號(hào)確定下行RANK

2 應(yīng)用方案

如圖4 所示，分布式MIMO 的應(yīng)用通常存在2 種部署方案。

圖4 分布式MIMO的2種應(yīng)用形式

a）1 個(gè)一體化的RRU 建立1 個(gè)nTnR 的物理小區(qū)，然后以n/2的通道連接不同天線放置在不同地理位置，從而在天線覆蓋重疊區(qū)域形成n流的MIMO。

b）2個(gè)獨(dú)立的RRU，建立了2個(gè)不同的（m/2）T（m/2）R 的物理小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的天線覆蓋不同的區(qū)域且存在覆蓋重疊，通過(guò)軟件改造將2 個(gè)小區(qū)合并成1 個(gè)mTmR 邏輯小區(qū)，在不同物理小區(qū)覆蓋的重疊區(qū)域形成m流的MIMO。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常n為2，m為4。

第1 種形式，RRU 能力高于線路能力時(shí)，如4T4R RRU 信源進(jìn)行2 路覆蓋，不浪費(fèi)通道資源的同時(shí)增加獲取4×4 MIMO的概率，提升用戶體驗(yàn)。

第2 種形式，當(dāng)存在同頻小區(qū)干擾時(shí)，通常是進(jìn)行小區(qū)合并（如組單頻網(wǎng)），這種單純的小區(qū)合并，雖然消除了同頻小區(qū)之間的干擾，但會(huì)導(dǎo)致容量減半，通過(guò)分布式MIMO 進(jìn)行小區(qū)合并，在消除干擾的同時(shí)，能夠減少對(duì)容量的影響（重疊區(qū)流數(shù)提升），但該場(chǎng)景通常需要購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品License支持功能實(shí)現(xiàn)，成本較高。

基于成本和收益的考慮，目前的主要應(yīng)用形式選擇第1 種，下面也針對(duì)第1 種應(yīng)用做相應(yīng)的研究和驗(yàn)證。

針對(duì)第1種形式的分布式MIMO有2種應(yīng)用場(chǎng)景。

a）如圖5 所示，由于天線本身存在主瓣和背瓣信號(hào)，對(duì)于相鄰兩層覆蓋中，將分布在上層和下層中的各支路信號(hào)重疊區(qū)作為分布式MIMO 區(qū)域，這種場(chǎng)景叫作錯(cuò)層分布式MIMO。

圖5 錯(cuò)層分布式MIMO應(yīng)用場(chǎng)景

b）如圖6 所示，不同支路的分布系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)覆蓋至相同區(qū)域后形成分布式MIMO 區(qū)域，這種場(chǎng)景叫作同層分布式MIMO。

圖6 同層分布式MIMO應(yīng)用場(chǎng)景

針對(duì)錯(cuò)層分布式MIMO，由于本身信號(hào)的穿透損耗，UE在不同支路覆蓋重疊區(qū)域接收到信號(hào)強(qiáng)度將存在差異，與同層分布式MIMO 相比，理論上效果會(huì)差一些。

3 驗(yàn)證結(jié)果

基于如圖7 所示的分布式MIMO 改造方式，將2T2R RRU 下的通道0 和通道1 輸出的A1 和A22 個(gè)支路改造成4T4R 下的通道0、通道1、通道2 和通道3 輸出的A1 區(qū)域（通道0 和1）和A2 區(qū)域（通道2 和3），在A1和A2覆蓋的重疊區(qū)域形成分布式MIMO。

圖7 測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)模型

將圖7中的測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)模型分別應(yīng)用于錯(cuò)層分布式MIMO 和同層分布式MIMO，如表1 和表2 所示，改造后RANK2 的比例下降，RANK3 和RANK4 的比例抬升明顯，而且測(cè)量確認(rèn)2個(gè)支路的下行RSRP差值小于20 dB左右就存在RANK增益。

表1 錯(cuò)層分布式MIMO應(yīng)用后的RANK值

表2 同層分布式MIMO應(yīng)用后的RANK值

RANK 的抬升帶來(lái)速率抬升，如表3 所示，相比應(yīng)用分布式MIMO 之前，錯(cuò)層分布式MIMO 應(yīng)用場(chǎng)景，下行峰值速率提升27%，下行平均速率提升15%；同層分布式MIMO 應(yīng)用場(chǎng)景，下行峰值速率提升56%，下行平均速率提升42%。

表3 分布式MIMO應(yīng)用效果

綜上所述，相比傳統(tǒng)無(wú)源室分應(yīng)用，分布式MIMO方案應(yīng)用能夠使平均速率提升15%～42%，從而提升小區(qū)平均吞吐率上限，在每個(gè)用戶需求的下行速率不變的前提下，能夠滿足更多用戶的速率需求，最終達(dá)到提升速率和容量的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G 無(wú)源室分場(chǎng)景下的分布式MIMO 應(yīng)用通過(guò)充分利用通道資源，以雙路覆蓋實(shí)現(xiàn)4流效果，在不需要過(guò)多增加軟硬件投資的情況下，使速率提升15%～42%，顯著提升網(wǎng)絡(luò)速率和容量，改善用戶感知，對(duì)推動(dòng)5G無(wú)源室分建設(shè)有著重要的意義。