5G分布式Massive MIMO在大型冬奧體育場館中的應用研究

曾 偉，鐘檢榮，范 君，肖 瑞（中國聯通北京分公司，北京 100038）

1 概述

2022 年2 月中國承辦舉世矚目的第24 屆冬季奧林匹克運動會，全世界冰雪運動員和冰雪愛好者齊聚一堂，共享冬奧盛事。在競技和觀賽之余，運動員和觀眾使用各類手機軟件對外分享賽事盛況。5G 網絡作為數據業(yè)務的重點承載網絡，具有高速率、短時延、大連接的特點。在冬奧體育場館中，人員的高密集性和業(yè)務的強并發(fā)性產生超強的容量壓力，使5G網絡面臨建網以來的一次大考。冬奧體育場館的5G 通信保障受到各方面的高度重視。5G 分布式Massive MIMO（DMM）室分系統(tǒng)，其頭端為分布式架構，調制解調是集中式處理，通過多天線聯合收發(fā)、聯合調度、多用戶資源復用等技術提升用戶性能和小區(qū)容量，是應對高密重載場景的有力武器。本文介紹了5G 分布式Massive MIMO 系統(tǒng)的特點，提出了分布式Massive MIMO小區(qū)規(guī)劃方法，探討了分布式Massive MIMO 在大型冬奧體育場館中的應用組網方案。

2 大型冬奧體育場館5G通信面臨的挑戰(zhàn)

為提供優(yōu)質的5G通信服務，大型冬奧體育場館的5G網絡面臨多項挑戰(zhàn)，包括但不限于以下幾點。

a）容量的壓力。典型的大型冬奧體育場館，一次性容納人數達十萬人。由于處于同一空間，關注的是同一賽事，因此業(yè)務并發(fā)性強。目前各類手機APP 尤其是視頻類APP 被廣泛使用，例如微信、抖音、快手等。常用的各類視頻軟件速率要求較高，一般下行達到4 Mbit/s、上行達到2 Mbit/s 才能實現較好的業(yè)務體驗。這幾個因素相疊加，給網絡容量帶來超強壓力。

b）干擾的平衡。由于冬奧賽事的重要性，要求對體育場館進行全覆蓋。同時，為了實現良好的業(yè)務感知，在進行全覆蓋的前提下，還要實現5G 同頻系統(tǒng)的低干擾。多數體育場館結構復雜，空曠區(qū)域較多，干擾控制難度大，因此需要在全覆蓋與低干擾間進行平衡。

c）賽事轉播的高需求。在2018 年的韓國平昌冬奧會上，媒體利用5G網絡進行了賽事的高清轉播。在2022 年北京冬奧會，中國的5G 網絡提供了優(yōu)質的賽事高清轉播。賽事高清轉播對5G 網絡有進一步的要求，包括更高的速率、更短的時延、更穩(wěn)定的網絡等。

3 5G分布式Massive MIMO特性介紹

3.1 分布式Massive MIMO概述

當前5G 室分在小區(qū)分裂方面存在幾大挑戰(zhàn)。從LTE異頻間隔組網到NR同頻組網，小區(qū)分裂后網絡干擾進一步增大，新型室分pRRU 極限分裂時，交替嚴重；同時同頻組網帶來性能嚴重惡化。另外，相對于LTE，5G 空載時峰值提升明顯，但分裂后峰均比落差大，經過仿真，極限劈裂后，單小區(qū)容量下降90%。

在此基礎上，5G Lampsite 發(fā)展了分布式Massive MIMO 技術，分布式Massive MIMO 小區(qū)是工作在相同頻段上的射頻模塊所覆蓋的（2～16）個4T4R 小區(qū)合并成的一個邏輯小區(qū)。

3.2 DMM關鍵技術及增益

分布式Massive MIMO 小區(qū)的特點是頭端為分布式架構，調制解調集中式處理（見圖1）。

圖1 分布式Massive MIMO原理圖

此架構關鍵技術如下。

a）消除了小區(qū)邊界，用戶移動無切換，實現UCNC（User Centric，No Cell）體驗。普通小區(qū)間移動，需要硬切換，導致業(yè)務中斷；分布式Massive MIMO 小區(qū)單小區(qū)覆蓋，無切換（見圖2）。

圖2 分布式小區(qū)無切換

b）通過多天線聯合收發(fā)，提升單用戶性能。普通射頻合路小區(qū)，下行復制發(fā)送，有效天線數始終為“4”；分布式Massive MIMO 小區(qū)，每個TRP 對應4 根有效天線，TRP 交疊區(qū)用戶可見8～16 根天線，能使用更準確的權值，用戶性能更優(yōu)（見圖3）。

圖3 分布式小區(qū)多天線聯合收發(fā)

c）通過聯合調度，徹底消除小區(qū)間干擾，提升邊緣用戶性能。普通小區(qū)間獨立調度，邊緣用戶受到鄰區(qū)干擾，無法使用高RANK、高調制，性能差；分布式Massive MIMO 小區(qū)統(tǒng)一進行調度，消除干擾，用戶可以使用高RANK、高調制，性能大幅提升（見圖4）。

圖4 分布式小區(qū)聯合調度

d）通過MU－MIMO（多用戶資源復用）技術，提升小區(qū)容量。普通小區(qū)分裂，可以實現資源復用，但小區(qū)間獨立調度、獨立權值設計，干擾嚴重；分布式Massive MIMO 小區(qū)，對多個用戶進行聯合權值設計，通過權值優(yōu)化降低用戶間干擾，實現更優(yōu)性能（見圖5）。分布式MIMO 的增益主要表現在非交疊區(qū)，實現空分復用MU－MIMO 增益，大幅提升Cell 容量；在交疊區(qū)域，獲得聯合Beamforming增益，大幅提升用戶體驗。

圖5 分布式小區(qū)多用戶資源復用

3.3 分布式Massive MIMO適用場景及組網方式

基于分布式Massive MIMO 小區(qū)的關鍵技術及增益，分布式Massive MIMO 特性適用于高密重載場景，例如相對空曠的機場值機、到達、安檢廳、大型場館等人流稠密，頻繁出現業(yè)務高峰的場景。

分布式Massive MIMO有2個典型部署方案。

方案1：相同TRP 下的pRRU 覆蓋區(qū)間隔部署，增大各TRP 間交疊區(qū)占比，多TRP 下pRRU 聯合波束賦型，提升交疊區(qū)用戶體驗速率和單用戶上網速率。

方案2：相同TRP 的pRRU 覆蓋區(qū)連續(xù)覆蓋，減少TRP 間交疊區(qū)占比；不同TRP 內的多個用戶間通過MU－MIMO 技術復用相同的射頻資源，大幅提升小區(qū)容量。對于冬奧大型體育場館，更關注區(qū)域總容量，即單位面積最大化，因此推薦采用方案2 來進行組網規(guī)劃。

以極限容量階段為例，每4 個pRRU 上的1 個NR TDD 載波組成1 個分布式Massive MIMO 小區(qū)，每pRRU 上的1 個NR TDD 載波獨立劃分為1個TRP。體育場館場景為容量場景，位置相鄰、覆蓋連續(xù)的pRRU劃分到同一個分布式Massive MIMO 小區(qū)。體育場館極限容量場景，每個pRRU 劃分為1 個TRP，外接定向天線天線覆蓋。以單個NR TDD載波組網、RHUB5965為例，每個RHUB 可以支持4 個TRP，如果考慮預留擴容至第2載波能力，建議的組網拓撲如圖6所示。

圖6 分布式Massive MIMO特性建議組網拓撲圖

由于每RHUB 和每個25G 光口均只支持4 個NR TDD 100M 4T4R TRP，考慮預留第2 載波擴容能力，因此需要雙鏈+2級RHUB級聯組網。

4 大型冬奧體育場館DMM組網方案介紹

4.1 DMM小區(qū)規(guī)劃

利用DMM 特性，容量規(guī)劃的方法與普通小區(qū)規(guī)劃的方法流程相同，差異點主要在于單小區(qū)容量的預估。

對于新建局點的高密重載場景區(qū)域，建議全部按照分布式Massive MIMO 特性進行組網規(guī)劃，確保即使初始開通時未開啟分布式Massive MIMO 特性的局點，也支持后續(xù)在不更改組網拓撲的前提下，平滑升級開通Massive MIMO特性。

從容量角度，建議每一個分布式Massive MIMO 小區(qū)內TRP 數≥4，以充分發(fā)揮單個分布式Massive MIMO小區(qū)支持上行8流、下行16流的規(guī)格能力。

當隨著小區(qū)劈裂，一個分布式Massive MIMO 小區(qū)內pRRU 數減少達到4 個時（配置4 個TRP），整體達到極限容量，不建議繼續(xù)劈裂小區(qū)，否則會導致小區(qū)容量下滑的幅度超過小區(qū)數增加的幅度，總容量不升反降。在此基礎上，擴容應通過增加載波（頻譜）或更換高性能窄波束天線進一步劈裂單頭端覆蓋范圍的方式。

初期低容量階段，如8 個及以上pRRU 共1個分布式Massive MIMO 小區(qū)，TRP數≥4（在基帶板、CPRI帶寬規(guī)格限制下，TRP 數越多越好），單小區(qū)下行為245 Mbit/s，上行為105 Mbit/s。

后續(xù)容量需求持續(xù)增加，扇區(qū)極限劈裂至4pRRU共小區(qū)、對應4個TRP 組網（受限于單小區(qū)僅支持上行8 流、下行16 流規(guī)格），單小區(qū)容量下行為150 Mbit/s，上行為68 Mbit/s。

RRC 用戶數規(guī)格：單分布式Massive MIMO 小區(qū)為1 200（20 MHz/30 MHz支持用戶數為400）。

表1給出了DMM小區(qū)數量評估方法。

表1 DMM小區(qū)數量評估表

4.2 TRP/pRRU小區(qū)個數規(guī)劃

4.2.1 分布式Massive MIMO 小區(qū)內TRP 個數對小區(qū)容量影響

一個分布式Massive MIMO 小區(qū)可以配置2～16 個TRP，每個TRP 對應一個射頻合路組，每個TRP 內pRRU 個數≤16。在頭端個數一定的情況下，通過減少每TRP 內頭端個數，增加TRP 個數，可以增加多用戶配對概率，提升小區(qū)容量。

基于覆蓋規(guī)劃確定的目標區(qū)域pRRU 個數和分布式Massive MIMO 的小區(qū)個數，可以得到每個分布式Massive MIMO 小區(qū)的pRRU 個數，則1 個分布式Massive MIMO 的TRP 可規(guī)劃個數≥總pRRU 個數/分布式Massive MIMO小區(qū)個數/16。

4.2.2 組網拓撲和產品規(guī)格對最大可規(guī)劃TRP 數目約束

對可規(guī)劃TRP個數產生約束的產品規(guī)格包括：

a）CRPI 帶寬，如NR TDD only 組網下，1 個25G 光口可以承載最大4個NR TDD 4T4R 100M帶寬的TRP。

b）RHUB 支持的TRP 規(guī)格，如移動和電聯版RHUB5963 支持的NR TDD 射頻合路TRP 個數分別為4個和6個。

c）pRRU 載波能力和pRRU 個數，對于單個NR TDD載波，可規(guī)劃的TRP個數≤pRRU個數。

4.3 分布式Massive MIMO實際組網方案

4.3.1 總體設計思路

該體育場館分為普通區(qū)域和看臺區(qū)域。普通區(qū)域包括辦公室、會議室、洗手間、休息區(qū)、場館通道等，這類區(qū)域人員較為分散，用普通新型室分進行覆蓋即可?？磁_區(qū)域為觀眾觀看比賽的區(qū)域，人員密度大，業(yè)務并發(fā)性強，為高密重載區(qū)域，需要重點保障容量，建議使用分布式Massive MIMO 組網覆蓋。以1層看臺區(qū)域為例說明分布式Massive MIMO 組網方案。假設1層看臺容納人員數量預估為23 000人，以上行1 Mbit/s速率要求和2.5 Mbit/s速率要求分別估算。

4.3.2 看臺區(qū)域分布式Massive MIMO 組網方案

在此高密重載場景下，配置LampSite 同頻段NR 3載波，分布式Massive MIMO 小區(qū)組網拓撲——雙CPRI鏈組網，NR Only。組網拓撲圖如圖7所示。

圖7 極限容量，同頻段3載波，4pRRU共分布式MassiveMIMO小區(qū)，雙鏈組網拓撲示意

按照同頻段3載波配置，極限容量場景，每BBU僅支持2 扇區(qū)×3 載波=6 個分布式Massive 小區(qū)。高密重載場景，建議1PRRU 為1TRP。極限劈裂至4PRRU 共1 個分布式Massive MIMO，下行總容量為150 Mbit/s，上行總容量為68 Mbit/s。

表2 給出了1 層看臺區(qū)域分布式Massive MIMO 小區(qū)數估算。1 層看臺區(qū)域預估23 000 人，按照上行1 Mbit/s 估算為17 個分布式Massive MIMO 小區(qū)，按照3載波計算17/3 約為6 個分布式Massive MIMO 扇區(qū)，建議每分布式Massive MIMO 小區(qū)TRP ≥4，達到分布式Massive MIMO效果。

表2 1層看臺區(qū)域分布式Massive MIMO小區(qū)數估算表

按照上行2.5 Mbit/s 估算為30 個分布式Massive MIMO 小區(qū)，按照3 載波計算30/3 為10 個分布式Massive MIMO 扇區(qū)，建議每分布式Massive MIMO 小區(qū)TRP ≥4，達到分布式Massive MIMO效果。

4.3.3 看臺區(qū)域天線選型

在普通區(qū)域人員較為分散，用普通新型室分進行覆蓋即可，直接采用內置型pRRU，在看臺區(qū)域由于用戶密度大、干擾控制要求高，需采用外置型pRRU+賦型天線的模式。

看臺區(qū)域包括重點密集區(qū)域和非重點密集區(qū)域。在重點密集區(qū)域，人員分布和業(yè)務分布比其他區(qū)域更為集中，需要重點保障。為保障容量需求，確保用戶感知受影響不嚴重，在重點密集區(qū)域部署20°×60°賦型天線，在非重點密集區(qū)域部署30°×30°賦型天線。20°×60°的賦型天線其水平波束更窄，適合用戶更加密集，小區(qū)劃分更小的情況，因此在重點密集區(qū)域部署（見圖8）。

圖8 看臺區(qū)域2種賦型天線覆蓋范圍

5 結束語

在冬奧大型體育場館中用戶和業(yè)務密集的看臺區(qū)域部署5G 分布式Massive MIMO，是應對高話務、高干擾的有效方案。分布式Massive MIMO 系統(tǒng)通過多天線聯合收發(fā)、聯合調度、多用戶資源復用等技術提升用戶性能和小區(qū)容量。本文提出的方案中1 個pRRU作為1個TRP，4TRP作為1個分布式Massive MIMO 小區(qū)，最大限度利用DMM 性能，提升系統(tǒng)容量和用戶速率。為配合容量提升和干擾控制，在看臺重點密集區(qū)域部署20°×60°天線，非重點密集區(qū)域部署30×30 天線。本方案可以借鑒到類似的5G 高密重載場景中，為用戶提供滿意的5G業(yè)務體驗。