Massive MIMO技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的運(yùn)用

韓金燕

摘要：在5G通信技術(shù)快速發(fā)展的時代，用戶對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)乃俾室笾饾u提高，移動通信企業(yè)為滿足用戶需求，試圖通過增加基站天線數(shù)目、應(yīng)用Massive MIMO天線技術(shù)以提高傳輸速率。文章根據(jù)權(quán)值優(yōu)化原理，將Massive MIMO關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于5G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以優(yōu)化無線網(wǎng)，最大限度地提升用戶覆蓋范圍，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，5G場景應(yīng)用Massive MIMO技術(shù)能夠減少人工干預(yù)，擴(kuò)大用戶覆蓋范圍，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效率。

關(guān)鍵詞：Massive MIMO技術(shù)；5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；權(quán)值

中圖分類號：TN711文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用能夠解決5G繞射能力差、室內(nèi)覆蓋深度不高的問題。由于5G在空間傳播損耗較大，室內(nèi)難以達(dá)到深度覆蓋，因此需要借助Massive MIMO技術(shù)改善5G覆蓋性能容量差的問題。為此，中國移動通過調(diào)整通道及天線權(quán)值，將居民區(qū)、高層樓和城區(qū)網(wǎng)格作為試點(diǎn)應(yīng)用Massive MIMO技術(shù)，目前已經(jīng)取得了較好的應(yīng)用效果。

1 Massive MIMO技術(shù)原理

克勞德·伍德·香濃在1948年提到了香濃定理C=Blog2（1+S/N），表明通信系統(tǒng)可以通過降低系統(tǒng)噪聲功率、強(qiáng)化天線發(fā)射功率、提高系統(tǒng)工作帶寬的方式，進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)整體容量。由此可見，為了提高系統(tǒng)信道容量，可以借助于多天線的技術(shù)提高空間維度資源。目前所采取的多天線場景，信道容量表達(dá)式可以計(jì)算出信道模型最大值，通過計(jì)算發(fā)射天線數(shù)量和接收天線數(shù)量之間的最小值獲取數(shù)據(jù)。文章圍繞multiple input和multiple output，通過多徑效應(yīng)的方式以擴(kuò)大通信系統(tǒng)內(nèi)部的整體容量。

馬賽塔在2010年提到了miui整體大規(guī)模形成的理論，此后Massive MIMO天線數(shù)量逐步增加，除此之外，還增加了垂直波束，結(jié)合波束賦形的方式強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)容量，提高頻譜效率，擴(kuò)大覆蓋性能，降低干擾?？梢姡煌膱鼍芭渲玫腗assive MIMO技術(shù)整體存在的波半角也不同。波半角主要包含下傾角、方向角、垂直波、半角水平，以此得到不同形態(tài)的波束，應(yīng)用于不同的場景，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋深度，確保數(shù)據(jù)傳輸效果。

1.1 Massive MIMO的技術(shù)分析

新一代移動通信技術(shù)以5G為主，5G的速率達(dá)到了10 GB/s，用戶體驗(yàn)效果較好，而且5G技術(shù)連接空中接口控制面延時只有1 ms。5G所提高的頻譜效率達(dá)到4G的10倍以上。與移動通信較早的技術(shù)相比，5G無線頻段基站信號空間傳播速度快。5G網(wǎng)絡(luò)中，Massive MIMO技術(shù)以更高的評估利用率、更優(yōu)的系統(tǒng)容量以及能抗多進(jìn)衰弱性等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行［1］。Massive MIMO技術(shù)為了滿足5G業(yè)務(wù)需求，利用基站布置天線規(guī)模，以此形成了對應(yīng)的天線陣結(jié)合波束成型技術(shù)。文章構(gòu)建多個目標(biāo)客戶的不同波數(shù)，降低波數(shù)之間出現(xiàn)的干擾，以此挖掘空間資源，有效利用寶貴的平帶資源空間，提升網(wǎng)絡(luò)容量。

1.1.1 多輸入多輸出的系統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)包含發(fā)射端和接收端兩種形式，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入和輸出。但是Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用打破了這種限制，全面提升了系統(tǒng)容量，其基本原理在于無線系統(tǒng)發(fā)射端。接收端可以借助發(fā)射天線、接收天線，有效應(yīng)用空間資源，形成多徑傳播方式。

1.1.2 波束賦形

波束賦形是Massive MIMO的主要特殊技術(shù)，通過結(jié)合不同路徑信號加權(quán)合并，以此改善接收端信噪比，使距離接收端較遠(yuǎn)也可以強(qiáng)化信號質(zhì)量。

1.1.3 設(shè)備形態(tài)

為提升系統(tǒng)性能，在5G無線基站要考慮Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用，使用大規(guī)模天線設(shè)備，最終支持用戶控件傳輸，達(dá)到提升5G系統(tǒng)頻譜效率的效果。針對Massive MIMO設(shè)備，形成每一個天線通道發(fā)射信號，以對應(yīng)控制相位和幅度，強(qiáng)化信號波束，達(dá)到無線傳播、補(bǔ)償損耗的目的，滿足基站小區(qū)覆蓋的需求［2］。

2 Massive MIMO天線應(yīng)用存在的問題

多類型的無線產(chǎn)品開發(fā)過程中，由于應(yīng)用場景不同，因此匹配難度較大。尤其是5G系統(tǒng)中，結(jié)合了Massive MIMO權(quán)值技術(shù)以豐富無線產(chǎn)品的各種形態(tài)。目前，多種設(shè)備形態(tài)包含2TR，4TR，8TR，32TR，64TR等方案，可見覆蓋能力本身存在著高低的水平偏差，且所呈現(xiàn)的角度也存在支持性的差異。在多樣化的無線產(chǎn)品中，引用Massive MIMO技術(shù)需要結(jié)合產(chǎn)品安裝的場景，以發(fā)揮設(shè)備的最大優(yōu)勢［3］。而場景又包含Massive MIMO技術(shù)，可應(yīng)用于高鐵、高樓大廈的辦公區(qū)域、大型廣場區(qū)域等，都需要結(jié)合場景配置設(shè)備。

2.1 傳統(tǒng)使用權(quán)值方案存在的問題較多

運(yùn)營商安裝設(shè)備之后，后期不會主動上門給客戶維修，缺乏設(shè)備維護(hù)的主動性，因此合成波的調(diào)整方案有限，為此需要從廠家購買license。由于設(shè)備運(yùn)營商缺乏對應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢，全靠廠家提供設(shè)備，而且單一廠家提供的條約工具并不能通用于其他設(shè)備，因此所采取的條約算法完全受廠家控制。由此可見，設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)營商采取的工作方案極為被動。

2.2 潛在權(quán)值計(jì)算方案存在規(guī)模大的難題

后期工作人員難以根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試，以Massive MIMO 64TR天線作為案例進(jìn)行分析，天線包含64個通道，結(jié)合參數(shù)對每個相位幅度的通道進(jìn)行配置，幅度范圍為［0，1］，相位為［0，360］，包含8個子波數(shù)，并且各波數(shù)形成了對應(yīng)的包絡(luò)Pattern。如果其中包含有100種子波數(shù)，那么，就會配置100×1.86E11種的配置方案，超出了人類腦力運(yùn)算范圍，因此，5G系統(tǒng)所采取的Massive MIMO技術(shù)在需人工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)試，但這一模式并不適用于后期5G系統(tǒng)［3］。

2.3 最優(yōu)權(quán)值人工調(diào)整難度大

Massive MIMO 64TR技術(shù)具體應(yīng)用過程中，在陣列中從一維擴(kuò)展到二維，以滿足天線方向控制形狀，既可以實(shí)現(xiàn)水平方向控制，也可以實(shí)現(xiàn)垂直方向控制，被稱之為3D波束賦形。由于用戶所在空間位置分布不同，利用3D波束賦形能夠?qū)⑿盘柧珳?zhǔn)地對準(zhǔn)目標(biāo)用戶群體，因此，采用Massive MIMO 64TR天線技術(shù)的水平垂直覆蓋能力更加靈活，提高了信道增益，更加徹底地覆蓋整個小區(qū)信號，擴(kuò)大廣播信道覆蓋能力［4］，在利用更寬的垂直波束增強(qiáng)高樓垂直覆蓋的同時，也能夠強(qiáng)化水平方面的場景覆蓋業(yè)務(wù)能力。

5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了SSB，也就是主同步、輔同步序列以及物理廣播信道，幾條參考信號共同組合在一起，形成了5G網(wǎng)絡(luò)的SSB波束發(fā)射方式，因此借助波束掃描可以從不同方向?qū)崿F(xiàn)多束能量定向投放到一個用戶位置，提升信號覆蓋率，降低干擾。對于5G而言，8個SSB都是可以調(diào)換位置的，用戶可根據(jù)自身動態(tài)的位置變化情況調(diào)整能量定投，減少干擾數(shù)據(jù)，而人工設(shè)置權(quán)值并不能適應(yīng)用戶位置變化的動態(tài)調(diào)整要求［5］，為此需要針對性地、精細(xì)化地調(diào)整最優(yōu)權(quán)值，并投入大量的人工成本，以提高技術(shù)的精準(zhǔn)性。

3 現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用Massive MIMO的分析

目前，中國移動配置了對應(yīng)的權(quán)值方案，確保通道在網(wǎng)管下發(fā)之后，增加每個通道的上位幅度，放寬直波束方位角下傾角和垂直波寬，以推動主體設(shè)備獲取廠家后期的主動維護(hù)，優(yōu)化5G無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效果。

3.1 基于通道級的Massive MIMO權(quán)值方案分析

在中國移動的支持下，運(yùn)營商配置網(wǎng)管側(cè)下發(fā)權(quán)值，從而調(diào)試干燥權(quán)值幅度，調(diào)試范圍為［0.1］，步長為0.1，而單通道的權(quán)值相位調(diào)試范圍為［-180，180］，步長是1。獲取更加靈活的配置后，結(jié)合業(yè)務(wù)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)上報給網(wǎng)管。綜合目前Massive MIMO天線優(yōu)化的靈活性和功能應(yīng)用的系統(tǒng)性，放寬了水平波束寬度，將其調(diào)試為4個擋位，將水平波束寬度劃分為4個擋位，而垂直波束定位3個擋位，生成不同波寬的波束，波束可以通過不同的掃描角、下傾角獲取掃描范圍，從而計(jì)算出共計(jì)148種子波數(shù)［6］。在華為64TR天線的應(yīng)用中，配置了148種子波數(shù)，后期還會增加各種波數(shù)，以此擴(kuò)大廠家在32TR和64TR天線的權(quán)值。

3.2 現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)驗(yàn)證分析

為了獲取Massive MIMO權(quán)值設(shè)置應(yīng)用效果，選取某一區(qū)域網(wǎng)絡(luò)作為典型場景展開驗(yàn)證，如居民區(qū)、高層樓或者城區(qū)的某一網(wǎng)格體系，針對這3個場景使用優(yōu)化后的Massive MIMO權(quán)值，主要針對各指標(biāo)進(jìn)行調(diào)試測量，最終發(fā)現(xiàn)下載速率、綜合覆蓋率以及調(diào)制方式得到提升和優(yōu)化。

城區(qū)網(wǎng)格試點(diǎn)區(qū)域涵蓋5G NR，共計(jì)191個5G小區(qū)，擴(kuò)到了575個覆蓋范圍。道路開展的便利測試主要針對1G～4G的道路覆蓋，居民區(qū)設(shè)置1個NR站點(diǎn)，安裝三角區(qū)組網(wǎng)，分別設(shè)置方位有3°，117°和240°，測試站點(diǎn)前后的主要指標(biāo)，最終發(fā)現(xiàn)調(diào)整之后的權(quán)值在網(wǎng)格、道路、5G綜合覆蓋當(dāng)中的速率提高到了1.79%［7］。調(diào)試方式注重上下行的比例，最終發(fā)現(xiàn)上下行均有所提升，在居民場景當(dāng)中，下行速率有所提升，關(guān)鍵指標(biāo)更加穩(wěn)定。

在高層樓宇上，借助5G站點(diǎn)垂直波束的覆蓋，測試高層定點(diǎn)位置的網(wǎng)速，結(jié)果表明，低層和高層垂直波束有所下降，整體網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有所改善，尤其是中層樓宇的覆蓋率提升了96.9%。通過對比高樓、居民區(qū)及道路網(wǎng)格區(qū)域的不同場景，5G速率測試結(jié)果進(jìn)一步顯示了Massive MIMO技術(shù)可以強(qiáng)化5G整體的覆蓋率，實(shí)現(xiàn)了高階調(diào)制、上傳、下載的關(guān)鍵性指標(biāo)的提升，可以進(jìn)一步拓展現(xiàn)行應(yīng)用規(guī)模。為此，應(yīng)制定Massive MIMO技術(shù)使用規(guī)范，以覆蓋各類型場景，與場景相匹配，進(jìn)一步發(fā)揮Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。

4 應(yīng)用Master memo技術(shù)提升5G網(wǎng)絡(luò)性能

4.1 應(yīng)用Master memo技術(shù)優(yōu)化天線射頻的陣列格局

Master memo技術(shù)結(jié)合天線射頻陣列格局，以此轉(zhuǎn)變5G基站的網(wǎng)絡(luò)性能，通過大規(guī)模多天線技術(shù)的應(yīng)用，借助不同維度確保5G頻譜實(shí)現(xiàn)利用率的全面提升。實(shí)際測試結(jié)果借助64通道，Master memo技術(shù)作為主流應(yīng)用，其中所采取的通道數(shù)越多，其對5G技術(shù)性能的要求也越高。然而，針對3.5 GHz頻段所存在的天線產(chǎn)品很難生產(chǎn)出小型化天線產(chǎn)品，因?yàn)榧纫紤]成本和天線產(chǎn)品性能，還要考慮與基站連接的難度。因此，針對3.5 GHz頻段所采取的商用5G基站要考慮的一系列問題，最終選擇64通道作為常用通道［8］。

結(jié)合不同場景所采取的方案存在部分差異。例如，在3.5 GHz頻段下，為規(guī)范5G網(wǎng)絡(luò)的有效部署，需要更大的發(fā)射頻率才能確保5G基站與終端連接，減少工作頻段因提升速率而導(dǎo)致的覆蓋面擴(kuò)大所造成的損失。因此，目前分析3GPP的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)3.5 GHz頻段的基站與手機(jī)終端對發(fā)射功率的要求普遍較高。

對具體產(chǎn)品技術(shù)的研究分析發(fā)現(xiàn)，商用的5G產(chǎn)品基站在下行64通道工作，如果帶寬是100 MHz，就可以達(dá)到200 W的發(fā)射功率。與4G相比，5G基站的發(fā)射功率已經(jīng)提升了1倍，達(dá)到了400 MW，可見5G工作狀態(tài)下頻段發(fā)射功率有所升高，網(wǎng)絡(luò)上行覆蓋存在損失［9］。為了彌補(bǔ)上行覆蓋受到限制的問題，目前5G利用空口技術(shù)以全面提升網(wǎng)絡(luò)性能，增強(qiáng)覆蓋能力，結(jié)合5G鏈路預(yù)算以及手機(jī)終端本身存在的發(fā)射功率的限制問題。目前，5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用過程中的覆蓋范圍往往受到上行限制，如果所安排部署的宏基站位于室外，用戶在室內(nèi)工作期間使用網(wǎng)絡(luò)會發(fā)現(xiàn)無線網(wǎng)信號在穿越墻體的過程中出現(xiàn)信號衰減的問題，從而縮小基站整體實(shí)際空間的覆蓋范圍。

由此可見，5G需要結(jié)合終端上行速率將其降低到2 MBTS，實(shí)現(xiàn)小區(qū)范圍內(nèi)的邊緣覆蓋，進(jìn)一步規(guī)范鏈路預(yù)算，以5G上行范圍在3.5 GHz的頻段達(dá)到200 m。如果尚未完成標(biāo)準(zhǔn)化的5G全新幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前要達(dá)到的上新覆蓋距離有待擴(kuò)大范圍。

通過對實(shí)際進(jìn)展情況與測試進(jìn)行分析判斷，基于Massive MIMO的5G基站可以有效提升無線信號流的復(fù)用，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，借助波束賦形方式增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際覆蓋能力。波形賦形技術(shù)主要調(diào)整天線增益空間分布位置，在發(fā)送信號時，能量集中指向一個目標(biāo)終端，以彌補(bǔ)信號在空間傳輸過程中存在的信號損耗，借助此類方法強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。由此可見，使用Massive MIMO技術(shù)的優(yōu)勢在于提升5G覆蓋范圍，擴(kuò)大5G容量，以此進(jìn)一步降低5G鏈路實(shí)際預(yù)算，降低高頻電網(wǎng)的成本。

目前，4G系統(tǒng)工作頻段低，不能大幅增加天線數(shù)量，從而限制終端峰值速率，由此可見，在空間復(fù)用、空間分級以及波速賦形技術(shù)合理應(yīng)用方面，進(jìn)一步提升基站覆蓋率，擴(kuò)大容量成為目前技術(shù)挖掘的關(guān)鍵點(diǎn)，由此借助Massive MIMO技術(shù)可以解決這一系列的問題。

4.2 應(yīng)用Master memo技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線權(quán)值的自動優(yōu)化

天線參數(shù)權(quán)值自動適應(yīng)是網(wǎng)絡(luò)權(quán)值實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整，對SSB調(diào)整信道狀態(tài)的信息實(shí)現(xiàn)擬合優(yōu)化，確保自動優(yōu)化功能能夠單獨(dú)部署，其中，SSB權(quán)值自動優(yōu)化是在用戶分布的情況下覆蓋用戶最多的，搜索預(yù)測多瓣寬度、方位下傾角。結(jié)合小區(qū)用戶的分布情況，統(tǒng)計(jì)與周圍小區(qū)是否存在干擾因素，實(shí)現(xiàn)自動化的適應(yīng)調(diào)整計(jì)算，能夠利用智能計(jì)算方法估算出廣播權(quán)值的最優(yōu)值，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)覆蓋。其中，對參數(shù)的測量主要測量用戶的位置信息分布情況生成測量報告，利用權(quán)值有效改善重疊覆蓋，進(jìn)一步降低干擾因素。

SSP與CSI權(quán)值擬合優(yōu)化與業(yè)務(wù)性能相關(guān)。參數(shù)包含CSI，除了優(yōu)化SSB的權(quán)值之外，CSI如果沒有聯(lián)動調(diào)整，需要人工調(diào)整。調(diào)整CSI權(quán)值，進(jìn)一步擬合SSB廣播權(quán)CSI 4個波束垂直排布，水平寬度50°，垂直寬度為6°。如果CSI的4個波束是水平角度，那么小區(qū)的SSB波束就要保持水平角度；如果CSI的4個波束是垂直角度，就需要參考小區(qū)整體SSB波束的垂直角度。

4.3 Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用方案

Massive MIMO天線權(quán)值涉及的自優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)包含6個關(guān)鍵點(diǎn)，主要是數(shù)據(jù)測量、優(yōu)化區(qū)域配置、權(quán)值生效、最優(yōu)權(quán)值估算、權(quán)值更新或回退、效果評估。權(quán)值自優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 權(quán)值自優(yōu)化流程

（1）優(yōu)化區(qū)域配置。結(jié)合操作界面進(jìn)行手動配置，或者結(jié)合重疊覆蓋度用戶與鄰居之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域配置優(yōu)化。

（2）數(shù)據(jù)測量。在廣播權(quán)值初始化過程中，首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在基站側(cè)獲取用戶的信號強(qiáng)度、所在位置、安裝路由的信息以及出現(xiàn)的信道損耗的信息，以獲取本小區(qū)與鄰區(qū)之間的信號接收、功率到達(dá)方向、波束成型等信息，結(jié)合場景采集一家用戶的多個信息。

（3）自由權(quán)值估算。在完成廣播權(quán)值自由化之后，結(jié)合數(shù)據(jù)樣本估算，以確保實(shí)現(xiàn)多樣化、精準(zhǔn)化、高效化。

（4）效果評估。效果評估主要對所完成的權(quán)值進(jìn)行評估，結(jié)合數(shù)據(jù)測量，通過蟻群搜索算法組合最優(yōu)權(quán)值，從而下發(fā)給基站自動生成新的權(quán)值。

在整體方案應(yīng)用實(shí)施過程中，最后權(quán)值估算要明確權(quán)值設(shè)置范圍，確保垂直維度層層之間形成7°夾角，而波束夾角與水平合成的寬度有關(guān)，如果水平合成波束寬度是90°，證明最終的夾角數(shù)不能調(diào)整；如果波束寬度為15°，那么，波束夾角取值范圍為［-40，40］。

5 結(jié)語

綜上可見，在無線通信技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，5G網(wǎng)絡(luò)性能可以借助Massive MIMO技術(shù)，確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，擴(kuò)大5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

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（編輯 王雪芬）