在LTE网络部署Massive MIMO的策略分析

余扬尧，陈杨，杨芙蓉

在LTE网络部署Massive MIMO的策略分析

余扬尧，陈杨，杨芙蓉

（四川通信科研规划设计有限责任公司，四川 成都 610041）

从4G网络高流量区域容量需求出发，分析了采用Massive MIMO技术的4G基站对现有网络容量的提升效果，并结合Massive MIMO基站自身的物理特性，从设备安装及电源、传输配套等方面分析工程实施的难易程度，建议运营商将Massive MIMO基站作为4G网络向5G网络过渡时期的容量补充手段，只针对局部区域采用Massive MIMO基站来提高网络容量。

Massive MIMO 高流量区域容量解决 Pre 5G

1 引言

从2014年开始，国内三大运营商均完成LTE（Long Term Evolution，长期演进）网络的部署并商用，随着4G用户渗透率的不断提升以及“不限流”业务带来的数据吞吐量急速增长，校园、密集城区CBD（Central Business District，中央商务区）等流量热点区域的基站利用率出现了“超忙”状态。在网络容量扩容方面，除了充分利用频率资源叠加不同频点基站进行载波聚合扩容外，也可采用Massive MIMO等Pre 5G技术手段，通过空间分集的方式提升LTE网络的容量以及频谱使用效率。

本文从网络容量、网络覆盖、网络质量等方面分析Massive MIMO基站对4G网络性能指标的影响，同时结合Massive MIMO基站自身的物理特性从设备安装、电源配套、传输配套等方面分析工程实施的难易程度。建议运营商将Massive MIMO基站作为4G网络向5G网络演进过程中的一种容量补充手段。

2 Massive MIMO基站特性

2.1 功能特性

Massive MIMO基站内部集成了大规模阵列天线，通过32×32或者64×64天线阵列实现空间分集，满足多流数据的同时传输来提高系统容量。Massive MIMO基站同时采用波束赋形等技术，严格控制各波束的宽度，降低了波束间干扰。Massive MIMO与常规天线的比较如图1所示：

图1 Massive MIMO与常规天线的比较

2.2 硬件结构

Massive MIMO基站将RRU（Radio Remote Unit，射频拉远单元）设备与大规模阵列天线一体化，在设备内部连线实现RRU设备与天线之间的连接。Massive MIMO设备硬件结构如图2所示：

图2 Massive MIMO基站硬件框图

3 Massive MIMO基站测试分析

用Massive MIMO基站替换LTE基站的一个小区RRU设备，天线方位角、下倾角等工程参数与原有天线保持一致，从网络容量、网络覆盖、网络质量等方面进行对比测试及效果分析。

3.1 容量测试

（1）终端静止状态下的下行速率测试

将4个终端分置于Massive MIMO基站下4个不同的波束近点位置，测试UE终端的下行速率。

测试结果表明，单个终端的下载速率基本上稳定在80 Mb/s，4个终端总下行吞吐量达到310 Mb/s，Massive MIMO基站对现有LTE网络容量有明显提升。

（2）终端移动状态下的下行速率测试

将一个终端向其他终端移动，测试移动状态下UE终端的下载速率。

测试结果表明，当同一个波束下同时接入2个终端时，终端的下载速率变成原来的一半，其他波束下载速率维持稳定。

Massive MIMO基站容量测试如图3所示。

3.2 覆盖测试

图4 原LTE基站小区覆盖

3.3 质量测试

在Massive MIMO基站替换原有LTE小区前后，在相同测试区域对单小区覆盖SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比）数据进行采集并进行对比分析，以此评估Massive MIMO基站对信号质量的影响。原LTE基站小区质量如

图6所示，Massive MIMO基站小区质量如图7所示。

测试结果表明，Massive MIMO基站开通后SINR值较开通之前抬升了1.87 dB，网络质量与原RRU小区相比，基本持平。

3.4 小结

Massive MIMO基站对现有LTE网络容量有明显提升，Massive MIMO基站下，单波束的实测下行速率可达80 Mb/s，4个终端总下行吞吐量达到310 Mb/s，接近原4G单RRU小区下行吞吐量的3倍，在不增加频率资源的情况下，Massive MIMO基站可以通过空间分集有效提升系统容量。

在网络覆盖及网络质量方面，Massive MIMO基站与现网LTE基站相比，基本持平。

4 Massive MIMO基站应用分析

4.1 基站安装

在4G网络中，天线通常安装在塔桅上（包括楼顶支撑杆、地面快装塔、楼顶格构塔、地面三角塔、地面四方塔、美化树塔、美化灯杆塔等），常规天线的迎风面面积（天线高度×天线宽度）小于0.6 m2，重量小于15 kg。

Massive MIMO基站采用了大规模的天线阵列，共计128个天线阵子单元，天线阵子的大小与半波长成倍数关系。工作频段在1.8 GHz的Massive MIMO基站，由于1.8 GHz频段的半波长约为83 mm，128个天线阵子单元在天线平面上排列后天线的面积约为1 m（高）×0.7 m（宽），迎风面面积约为0.7 m2。Massive MIMO基站集成了RRU设备，设备重量约50 kg。

从塔桅安全角度出发，主要考虑设备的迎风面是否在塔桅的迎风面设计值范围以内。现网楼顶支撑杆大都是按一付天线最大迎风面积0.6 m2计算的杆体直径和配重，不能满足Massive MIMO基站迎风面0.7 m2的需求，因此对Massive MIMO基站需要重新进行塔桅设计并新建支撑杆。对于地面快装塔，由于本身格构架强度较弱也不建议新增Massive MIMO基站。其他塔桅类型需要根据塔桅原始设计文件中天线迎风面积的设计值并结合塔桅现状，由具备钢塔桅结构检测专业资质的机构出具钢塔桅结构强度、刚度、稳定性检测报告并根据Massive MIMO基站安装需求给出相应的塔桅加固解决方案。

4.2 电源配套

Massive MIMO基站集成了RRU设备，峰值功耗约为650 W，现网LTE 1.8G RRU峰值功耗约为450 W，因此需要将现网RRU设备连接的10 A的电源空开更换为16 A空开以满足Massive MIMO基站供电需求。

4.3 传输配套

按照现网LTE 1.8G单站的传输带宽取为185 Mb/s、双载波站的传输带宽取为370 Mb/s。根据LTE无线网中继传输的特点，LTE基站数据由IP-RAN承载，以GE传输为主。按照Massive MIMO基站的容量为现网的3倍进行测算，单站的传输带宽为546 Mb/s，现有IP-RAN设备可以满足Massive MIMO基站传输带宽需求。

4.4 小结

在工程实施中，由于1.8 GHz频段的Massive MIMO基站的迎风面积较大，需要通过新建楼顶支撑杆或者对现有塔桅进行评估及改造后才能进行安装。一方面在楼顶新增加支撑杆或进行塔桅改造的协调难度较大；另一方面委托相关专业机构对现有塔桅的强度、刚度及稳定性进行检测需另外支付较高的费用。相对于通过Massive MIMO基站扩容，采用LTE 2.1G RRU进行载波聚合扩容在工程实施上要容易很多，仅需要在基站上新增2.1G RRU并与原有1.8G RRU信号合路后接入原有天线即可，不涉及天线替换以及塔桅改造。

在现阶段1.8 GHz频段的Massive MIMO基站价格尚不明确的情况下，主要从施工难易度考虑，在LTE网络容量扩容时优先考虑采用LTE 2.1G基站进行容量扩容，仅对于已经实施了LTE 2.1G载波聚合仍然“超忙”的基站考虑采用Massive MIMO基站进行扩容。

5 结束语

Massive MIMO基站通过空间分集技术对基站容量有比较明显的提升，能有效解决业务流量超高区域的容量需求。但由于Massive MIMO基站在工程实施中需要进行塔桅新建、改造以及配套电源改造，施工难度较大，因此建议运营商将载波聚合作为容量扩容的主要手段，将Massive MIMO基站作为4G网络向5G网络过渡时期的容量补充手段，只对业务流量超高且通过载波聚合也不能满足容量需求的区域采用Massive MIMO基站来提高容量。

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Analysis on Massive MIMO Deployment Strategy in LTE Networks

YU Yangyao, CHEN Yang, YANG Furong
(Sichuan Communication Design Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

According to the capacity requirements of high-throughput areas in 4G networks, the capacity enhancement effect of existing networks for 4G base stations using Massive MIMO technology was analyzed. Combined with the physical characteristics of Massive MIMO base stations, the diffi culty of the engineering and implementation was addressed from aspects of equipment installation, power supply and transport. It was suggested that Massive MIMO base stations should be the supplementary means in the transition period from 4G networks to 5G networks. Massive MIMO base stations are only used in local areas to increase the network capacity.

Massive MIMO high-throughput area capacity solution Pre 5G

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.22.010

TN929.53

A

1006-1010(2017)22-0046-05

余扬尧,陈杨,杨芙蓉. 在LTE网络部署Massive MIMO的策略分析[J]. 移动通信, 2017,41(22): 46-50.

2017-09-07

刘妙 liumiao@mbcom.cn

余扬尧：学士毕业于西华大学，现任四川通信科研规划设计有限责任公司技术二部技术主管，目前主要从事无线网络规划及工程设计工作。参加过四川电信的PHS网络工程、四川电信无线村通450M工程、四川电信CDMA网络工程、四川电信LTE网络工程设计、四川电信LTE网络滚动规划等项目的无线网络规划设计工作。

陈杨：硕士毕业于电子科技大学，现任四川通信科研规划设计有限责任公司技术二部技术主管，目前从事无线网络规划工作，曾主持过云南移动2007年GSM网络规划、四川电信2009-2015年历年无线网络规划、四川铁塔公司2015年投资规划等重要项目。

杨芙蓉：硕士毕业于电子科技大学，现任四川通信科研规划设计有限责任公司技术二部高级咨询师，目前从事无线网络规划工作，曾主持过西藏移动“十二五规划”TDSCDMA专项规划、西藏电信2015年无线网滚动规划、四川电信2008-2014年历年无线网络规划、乐山市主城区信息基础设施专项规划等重要项目。