采用Massive MIMO进行5G覆盖试点规划

黄小光，董俊华，汪伟，徐辉

（华信咨询设计研究院有限公司，杭州 310014）

采用Massive MIMO进行5G覆盖试点规划

黄小光，董俊华，汪伟，徐辉

（华信咨询设计研究院有限公司，杭州 310014）

本文对5G试点背景及相关技术进行介绍，通过频谱资源分析，确定采用3.5 GHz作为5G试点的主要频段；通过不同信道的链路预算分析，发现采用64T64R的Massive MIMO设备进行5G组网的站址需求与现有4G D频段组网相当；选定连续覆盖试点区域后，综合考虑试点区域特性及现有资源配置，最终形成试点区5G连续覆盖异构组网方案，并采用仿真技术对试点后的效果进行预估，在此基础上，对5G试点采用的新技术Massive MIMO效果进行验证，得出采用64T64R设备的小区容量是当前4G站点的3～4倍的结论，为新技术应用推广奠定基础，也为后续5G商用总结规划建设经验。

5G；Massive MIMO；仿真；吞吐量

ITU确定了IMT-2020（5G）的增强移动宽带场景(eMBB)，低功耗大连接场景(mMTC)和低时延高可靠场景(uRLLC)三大类应用场景，5G网络将提供更低时延、更高的峰值速率以及海量的连接数，将真正实现向超宽带+万物互联发展方向。要满足面向未来业务高速率低时延的发展需求，需要采用更先进的无线传输技术，5G将采用包括大规模天线阵列、超密集组网、高阶调制、非正交传输和全双工等关键技术。目前国内各通信企业及研发机构均已对5G技术进行全方位突破，如近期由华为主推的Polar码（极化码）被确定为5G短码信令标准等，为后续标准化工作奠定坚实基础。

为更好响应国家未来宽带战略、数字信息发展、万物互联互通发展需求，验证新技术特性，总结5G网络规划发展经验，推动打造中国自己5G技术标准研究，本文就目前国内已相对成熟5G技术成果，通过采用包括大规模天线（Massive MIMO）、超密集组网、高阶调制等在内的5G核心关键技术，以某商业交通干道为案例进行5G连续覆盖试商用网络规划。

1 5G覆盖试点背景

1.1 试点技术及场景

Massive MIMO是使用大规模阵列天线实现在三维空间产生灵活指向用户的非常窄的波束，通过精确的信道相关性估计、用户配对、干扰抑制赋形等，在有效抑制对复用用户干扰、不损失服务用户主瓣方向能量的前提下能够满足空域16流、32流或更多流进行复用，从而将频谱效率提升4～6倍。同时，由于更多用户可以在相同资源上并行传输，也进一步提升小区吞吐量及边缘用户速率。

由于Massive MIMO技术提供更高维度的空分复用、更强的波束赋形能力，适合在高业务场景下进行使用。从现网业务分布看，目前通过大数据统计可发现约20%的热点区域承载近80%的业务流量，且出现热点更热的现象，诸如城区CBD、商业中心等核心区域，一方面用户集中、业务需求量大，另一方面存在高楼遮挡、深度覆盖不足等问题，因此，采用Massive MIMO进行5G试点典型场景选定为数据业务热点区——商业核心区域。

图1 各国6GHz以下中低频频谱规划使用情况

1.2 频谱资源分析

IMT已规划频谱总计687 MHz，其中TDD频率总计345 MHz，FDD频率总计342 MHz ，现有的频谱资源无法满足未来发展需求，因此，5G系统优先考虑采用中低频频谱（6 GHz以下）进行规划，同时，未来进一步开拓研究更高频段（6 GHz以上）的频谱资源可行性。

对于6 GHz以下中低频频谱，5G组网可优先采用已经规划但在中国还未使用的（如3.4～3.6 GHz）IMT频段，后续进一步推动新的IMT频段划分，如3.3～3.4 GHz，4.4～4.5 GHz，4.6～4.99 GHz等。目前我国已明确将3.4～3.6 GHz规划用于5G试验，各国中低频频谱资源规划情况如图1所示。

因此，5G试点覆盖区主要采用3.5 GHz进行规划组网。

1.3 站址资源分析

站址需求主要来自于覆盖及容量两个方面，对于覆盖而言，由于目前4G网络采用TDD 2.6 G 8T8R方式，试点5G则采用TDD 3.5 G 64T64R组网方式，虽然在频段上3.5 G对覆盖处于劣势，但采用阵列天线带来的信号增益对频段劣势起到很好的补充效果，通过链路预算得到两种组网方式下不同信道覆盖情况对比效果如图2所示。

图2 不同组网模式下各信道的覆盖差异对比

从各信道的覆盖对比效果可以看出，PUSCH信道是主要覆盖瓶颈且TDD 3.5 G 64T64R覆盖效果略优于现有2.6 G网络(约1.3 dB)，因此，在该组网模式下，保障网络覆盖需求的5G对站址资源与现有4G网络D频段的需求相当。

2 5G新技术商用试点规划

2.1 试点区域概述

某商业热点区域面积约2.54 km2，包含4个商业主题功能区，区域定位为集商业、文化、时尚潮流的国际商贸中心展示区和亚太时尚潮流引领区。根据市政规划，区域内包含一条主要商业交通干道亦需通过改造，定位为集商业文化、商业风情等为一体的景观大道，目标是向国际著名商业大道看齐，该大道全长4.7 km，作为5G连续覆盖试点规划目标。区域总体情况及功能划分如图3所示。

图3 5G试商用区域分布及功能定位

从楼宇分布情况分析，该区域无线环境主要以中低层楼宇为主，其中2～8层建筑占比达到79%，9～20层的建筑占比15%，而1层建筑和20层以上建筑相对较少，分别占比1%和5%，其中，打造5G覆盖保障的景观大道为商业步行街，所处人流密集区，因此，5G试商用网络的规划目标主要是实现底层信号的连续覆盖及容量感知。

2.2 试点价值定位

规划战略价值：结合该试点区的商业发展定位，提供区域内信息化服务需求，提升用户上网感知体验；验证3.5 GHz频率网络覆盖效果，同时对诸如大规模天线阵列、超密集组网等5G关键技术应用效果进行实际验证，推动5G技术完善和发展；打造5G试商用网络连续覆盖示范区，总结5G网络规划建设及商用经验。

覆盖用户规模：提取试点片区内现有4G用户数峰值数据，同时参考与之具有相似物理功能的某路及某区域峰值用户数，综合作为用户规模分析的参考依据，研究分析得到的结论如表1所示。

表1 参考区域的用户分布情况

综合区域内现有4G用户规模及以上两参考区域综合情况，预测该商业热点区总用户数将达到9.8万，其中某大道可享受到5G优质服务的用户数为0.97万。

2.3 站址资源规划

5G网络规划需要根据不同的业务特点进行针对性覆盖，采用宏站+小微站的方式进行异构网灵活组网规划，面覆盖以宏站为主，微站补充，对于容量高发区利用小微站吸收容量。针对该试点区功能场景特性及业务高热点特性，上层网络选用宏站实现面整体覆盖，底层选用微站作为底层商铺深度覆盖补充及商场吸热。通过对区域内现有站点资源分析发现，该试点区内已有物理宏站116个，微站60个，宏站站间距265 m，根据前文分析可知，现有宏站站址资源可满足试点宏站需求，对于微站而言，可优先选择街道两旁的路灯杆，规划站高8～12 m，站间距100～200 m。

根据以上规划原则，可选定某大道5G试商用宏站5个，微站36个，对应站址规划结果及覆盖仿真效果如图4所示。

从仿真结果分析发现，试商用区域整体实现4G与5G协同覆盖，干道上(蓝色电平) 5G信号覆盖良好，试商用网络建成后，可进一步开展5G业务相关测试，评估新技术性能。

3 Massive MIMO效果验证及应用建议

在覆盖特性方面，与现有普通8通道天线相比，Massive MIMO不仅在水平方向有更佳的波束特性，更是在垂直方向提供了更佳的波束赋型效果，将8T8R与64T64R波瓣图进行叠加对比，效果如图5所示。

图4 5G站址规划结果及仿真效果评估

从波瓣图分析可以发现，64T64R设备3dB波束宽度大约为35°、6 dB波束宽度大约为55°，8T8R的3 dB波束宽度大约为5.5°、6 dB波束宽度大约为7°，而在垂直方向大部分角度下，64T64R站点相比传统8T8R站点均可获得近15 dB的业务波束赋形增益。

在业务特性方面，选用已经建成的某站点作为测试验证站点，采用8个终端在信号覆盖优良的地方进行定点上传下载测试，测试结果如图6所示。

图5 天线覆盖性能对比分析

从单站定点对比结果测试可以发现，相比传统普通4G宏站，采用64T64R的Massive MIMO设备容量有大幅提升，单站小区上行吞吐量提升2.7倍（上行37 Mbit/s），小区下行吞吐量提升2倍（下行325 Mbit/s）。

由此可知，相比现有8T8R设备，Massive MIMO可以针对不同终端的垂直面多波束，从而实现垂直面空分，不仅提升频谱效率，也有利于降低邻区间干扰；由于其具备大容量特性，不仅可以实现业务吸热，同时也提升用户的业务使用感知。因此，作为5G关键技术的Massive MIMO，可提前在现有4G网络中进行部署推广，建议场景如下。

（1）解决现有4G网络覆盖难题之“高楼场景”，以天线距楼约100 m、挂高30 m为例，8T8R约覆盖10层楼，而在同一位置采用Massive MIMO设备可覆盖约25层楼，通过多个波束对应不同楼层形成虚拟分区，实现空分复用、提升频谱效率、改善高楼用户感知。

图6 Massive MIMO站点容量提升测试结论

（2）解决现有4G网络容量难题之“高校场景”，高校属业务高度热点区，部分高校出现4G站址密集及容量满扩的情况下，小区资源依旧无法满足业务增长的需求，该场景尤其适宜规划采用Massive MIMO进行容量吸收，不仅解决了当前容量难题，也通过改善学生感知有利于产生网络宣传效应。

（3）对于部分区域现有4G业务过热区，站址资源及扩容条件有限的场景，建议采用Massive MIMO设备实现覆盖及业务吸收。

4 结束语

本文从采用Massive MIMO技术进行5G连续覆盖规划，通过对场景分析、频率选取、站址需求分析，得出了5G试点的基本参数建议，再以某区域内的一条主要道路为例，采用异构组网方式进行5G试点规划。通过仿真技术进而预判建设后的5G信号覆盖效果。针对Massive MIMO新技术，通过对天线分析及定点测试评估，得出该技术在覆盖及容量方面的能力效果，由于目前5G尚未商用，相关试点规划案例有利于进一步开展新技术测试评估，以及为未来5G网络规划建设积累总结经验。

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A case study of 5G network planning based on Massive MIMO

HUANG Xiao-guang, DONG Jun-hua, WANG Wei, XU Hui
(Huaxin Consulting Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

This paper introduces 5G experimental background and related technology. Through spectrum resource analysis, 3.5 GHz is determined to be used as the main frequency in 5G experiment. By the analysis link budget of different channel, it is found that site requirements of 5G network building which uses 64T64R Massive MIMO equipment is about the same as current 4G. Considering experimental area’s features and current resource allocation, 5G continuous coverage tridimensional network planning is formed, and the effect will be estimated by simulation technology. On this basis, the effect of new technology Massive MIMO used in 5G experiment is validated, and it draws a conclusion that the cell capacity which uses 64T64R equipment is 3～4 times of 4G sites. It builds the foundation for popularization and application of new technology, and also sums up the experience of planning and construction for further 5G commercial use.

5G; Massive MIMO; simulation; throughput

TN929.5

A

1008-5599（2017）08-0050-05

2017-01-12