Massive MIMO在5G中的规划应用

徐 涛

Massive MIMO在5G中的规划应用

徐 涛

中睿通信规划设计有限公司，广东 广州 510000

Massive MIMO，即大规模的多输入多输出无线传输技术。这种技术在大量天线的使用条件下，可以获得众多和传统MIMO系统具有差异性的物理特性与传输特性，可以让4G系统再次提升量级。首先对Massive MIMO的特性予以阐述，然后结合实际试点案例，对Massive MIMO在5G的规划进行了分析，针对其应用效果展开了讨论，提出了几点应用建议以及在未来的应用中需要解决的主要问题。

Massive MIMO；5G；站址资源；天线选择技术

引言

无线通信在经过百余年的高速发展后，已经成为人们日常工作与生活中必不可少的一部分。新型移动互联网业务的崛起促使全球移动通信网络的容量得到明显提升。传统通信用户规模与类型将发生质的变化。在各行各业中，无线通信系统的依赖程度与需求程度将得到持续增加，这对于无线通信系统的发展是一种挑战，但对于Massive MIMO技术的应用、5G的研究和发展来说也是一种机遇。

1 Massive MIMO特性

Massive MIMO是未来5G通信革命性技术之一。现阶段，Massive MIMO系统具有两种模式：一是FDD模式；二是TDD模式。在FDD模式下，系统会利用差异化的频段完成数据传输工作，利用反馈可以得到下行链路信道状态信息。在TDD模式下，在信道互易性基础上，利用上行链路导频序列可以完成下行链路的信道估计工作[1]。现阶段，Massive MIMO系统的特性表现为3个方面：（1）可以降低用户间的干扰，在基站天线数量增加的条件下，用户间信道会逐渐趋于正交；（2）在没有额外系统带宽与发射功率前提条件下，Massive MIMO能够直接通过基站配置天线数量的增加方法来提升系统容量；（3）能够降低用户上行发送功耗，在系统吞吐率相同的条件下，基站端天线数量的提升与用户上行发送功耗的降低是具有一定关系的。

2 Massive MIMO在5G中的规划、应用

2.1 Massive MIMO在5G中的规划

2.1.1 试点背景

在规划背景方面，Massive MIMO技术可以提高较高维度的空分复用，具有更强的波束赋形能力。因此，在高业务场景中，对其进行使用将具有较好的适合性。结合当前现网业务进行分析，利用大数据统计可以发现，80%的业务流量大约是被20%的热点区域予以承载。在商业中心、城区CBD等核心区域，存在着热点更“热”的情况。与此同时，业务需求量与日俱增，用户趋于集中也使得深度覆盖不足、高楼遮挡等问题得以显现， 在5G中试点规划Massive MIMO技术具有重要意义。在本文中，其规划试点选在了具有代表意义的商业核心区域。

在频谱资源方面，IMT已经规划的频谱共计有687 MHz，FDD的频率共有342 MHz，TDD频率共计有345 MHz。现阶段，这些频谱资源不能够对未来可持续发展的需求予以满足。因此，在该5G系统中，进行规划时首先考虑了中低频谱。除此之外，在未来会进一步探索更高频段频谱资源的可行性。以5个国家进行对比，现阶段，5G组网能够优先采用还没有在我国予以广泛使用但已经做出规划的IMT频段，之后会进一步研究新IMT频段划分，如4.4～4.5 GHz、3.3～3.4 GHz等。就目前来看，我国已经将3.4～3.6 GHz的规划予以明确。因此，在3.5 GHz进行5G试点覆盖区的规划具有可行性。

在站址资源方面，覆盖和容量是站址需求的来源，应针对覆盖进行讨论。现阶段，4G网络锁采用的方式主要为TDD 2.6G 8T8R方式。在试点5G规划中，将采用的方式为TDD 3.5G 64T64R组网方式。在频段上，覆盖并没有取得有利地位，可是利用阵列天线，可以让信号得到增益，可以对频段进行有利补充。利用链路预算，可以得到在两种组网方式的使用情况下，其具有差异化的覆盖情况对比结果，结果如图1所示。

图1 不同信道覆盖差异对比图

结合图1，在不同信道覆盖下，主要覆盖平静为PUSCH信道，TDD 3.5G 64T64R的覆盖效果要比2.6G网络更好。所以，在这种组网模式之下。现有4G网络D频段需求与对网络覆盖需求进行保障的5G对站址资源基本相当[2]。

2.1.2试点区域及价值定位

该试点区域的面积约为2.54 km2，其中包含的商业主题区共有4个。依照市政规划，区域内部将包含一条商业交通干道。这也是一条商业风情和商业文化集中的景观道。该大道长度约为4.7 km，是本次5G试点规划的主要对象。在该区域内，无线环境主要为楼宇建筑，其层高变为2～8层，高层建筑相对较少。和商业发展定位进行结合，利用Massive MIMO在5G中的规划可以优化用户的上网体验，可以改造5G商业网络示范区。对覆盖用户规模进行设置，需要提取试点区域内的4G用户数峰值数据，对物理功能较为类似的某区域和某路进行参考，某区域的面积为0.373 km2，用户数量为1.8万户，密度为4.58万户/km2，某路的面积为10.191 km2，用户数量为32万户，密度为3.13万户/km2。结合此数据，对比该区域情况，可以做出预测，即商业热点区总用户数量大约会达到9.8万户，大约有0.97万用户可以享受到大道中的5G服务。

2.1.3 站址资源规划

结合不同的业务特点，可以对5G网络规划予以针对性地覆盖，其规划方式为宏站与小微站联合的异构网灵活组网方式。宏站是面覆盖的主要力量，小微站可以对容量高发区予以吸收。利用宏站，可以对上层网络进行整体覆盖。分析区域范围内的站点资源，可以发现物理宏站与小微站的数量分别为116个、60个，宏站之间的距离为265 m。对于规划的宏站需求来说，现阶段的宏站站址资源具有良好的满足效果，小微站主要利用街道路灯。最后，选定宏站与小微站数量分别为5个、36个，其选址结果为图2所示。

图2 Massive MIMO在5G的规划选址

结合图2，分析规划选址的仿真结果，4G和5G可以实现在该区域内的协同覆盖，其中5G的信号覆盖效果较好。

2.2 MassiveMIMO在5G的应用

2.2.1应用效果

与当前的普通8通道天线进行对比，Massive MIMO在5G中的应用可以在水平方向与垂直方向均取得较好的效果，其具体表现为更好的波束特性和更好的波束赋形效果。为分析波束赋形具体增益，需要对比8T8R和64T64R波瓣图，其对比图为图3。

图3 天线覆盖效果对比图

结合图3进行分析，可以发现在3dB下，8T8R设备的波束宽度是5.5°，64T64R的波束宽度是35°；在6dB下，8T8R设备的波束宽度是7°，64T64R的波束宽度是55°。在垂直方向，大部分角度的64T64R站点和8T8R站点相比都具有15 dB的波束赋形增益效果[3]。对业务特性进行分析，测试验证站点选择为已经建设完成的某一站点，测试内容为上传下载，测试终端共有8个。对比单站定点的应用结果，和4G宏站进行比较，可以发现64T64R站点的Massive MIMO在设备容量上有着明显提升，其单站小区下行吞吐量大约提升了2倍，上行吞吐量大约提升了2.7倍，其中下行325 Mbit/s，上行37 Mbit/s。与当前普遍使用的8T8R设备进行对比，可以发现Massive MIMO对差异化终端垂直面多波束具有良好的针对效果，可以让垂直面空分得以实现，让频谱效率得到提升，对于邻区干扰具有良好的规避效果，因为其本身的容量相对较大。因此，其可以在业务吸热上具有良好的效果，可以让用户业务使用感知得到提升。

2.2.2 应用建议

结合文中案例进行分析，为让案例具有更好的应用效果，还需要解决“高楼场景”“高校场景”等问题。小区资源当前并不能满足业务增长的需求，而利用Massive MIMO可以解决容量难题，对学生感知进行改善，这对于网络宣传效应的产生具有重要作用。对于4G业务过热区，可以利用Massive MIMO设备来让覆盖与业务吸收得到实现[4]。现阶段，为实现Massive MIMO在5G中的应用，还需要解决多个问题，如Massive MIMO的信道测量和预编码、Massive MIMO FDD系统下行导频设计、Massive MIMO下行系统信道估计和数据发射联合能效资源分配、成对用户Massive MIMO中继系统频谱效率的发挥性能、能效最优的Massive MIMO系统天线数和发射功率联合优化设计等。以测量及预编码为例进行分析。现阶段，其预编码主要可以分为线性预编码与非线性预编码两种形式。TDD制式具有上下行信道的互易性，会利用非基于码本方式完成预编码工作，对此需要解决码本的构建问题、理想预编码矩阵的选择问题。现阶段，很多商业系统都会采用应用线性编码，如ZF（Zero Forcing）、MF（Match Filter）等。在Massive MIMO中，ZF算法的应用较为广泛，其原理是对信道矩阵逆矩阵予以构建，然后在接收端左乘H逆矩阵进而使得信道影响得以消除，对接收端信号进行改写，可以将其列为：

对发送信号进行估值：

那么，二者的协方差可以列为：

除此之外，在Massive MIMO的5G应用中，还需要解决通信技术的安全问题。就当前业内研究成果而言，可以将其总结为3种主要方法：（1）波束赋形与方向调制技术；（2）基于稀疏阵的方向调制技术；（3）基于混合阵的方向调制技术。对比来看，基于混合天线阵的设计可以在射频端形成多波束，可以辐射通信信息，让发送的调制信号相位与幅度和方位参数具有紧密联系，可以让窃听方向接收信息发生扭曲，进而实现安全通信。

3 结论

综上所述，利用Massive MIMO技术可以完成5G的试点规划，利用场景、站址需求以及频率选取的分析，可以得到试点的基本参数。通过实例，可以发现在试点规划中利用异构组网方式能够取得良好的效果。现阶段，5G并未商用，Massive MIMO在5G中的规划与应用还需要解决诸多关键问题。天线选择、基于混合阵的方向调制等技术将是未来研究的主要方向。

[1]黄小光，董俊华，汪伟.采用Massive MIMO进行5G覆盖试点规划[J].电信工程技术与标准化，2017，30（8）：50-54.

[2]张中山，张成勇，吕少波.大规模MIMO关键技术及应用[J].中国科学：信息科学，2015，45（9）：1095-1110.

[3]戚晨皓，黄永明，金石.大规模MIMO系统研究进展[J].数据采集与处理，2015，30（3）：544-551.

[4]傅海阳，陈技江，曹士坷.MIMO系统和无线信道容量研究[J].电子学报，2011，39（10）：2221-2229.

The Planning and Application of Massive MIMO in 5G

Xu Tao

Zhongrui Communications Planning and Designing Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510000

Massive MIMO is a large-scale multi-input and multi-output wireless transmission technology. Under the condition of a large number of antennas, this technology can get many physical and transmission characteristics which are different from traditional MIMO systems, and enable the 4G system to increase the magnitude again. First, the characteristics of Massive MIMO are expounded. Then, combined with the actual pilot cases, the planning of Massive MIMO in 5G is analyzed, and the application effect is discussed. Several suggestions for application and main problems to be solved in future applications are put forward.

Massive MIMO; 5G; site resources; antenna selection technology

TN929.5

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1009-6434（2017）9-0004-04