Massive MIMO提升LTE小区边缘性能

2018-12-13汤伟良

数字通信世界 2018年11期

汤伟良

（中国移动通信集团广东有限公司清远分公司，清远 511500）

1 引言

借助互联网技术的快速发展，各种各样的信息量在急剧增加，人们对移动通信业务的需求也在不断增长。随着4G网络的普及和推广，4G用户量和数据业务吞吐量迅速提升，特别是在热点地区和小区边缘地区，4G网络的网络容量，网络质量和网络覆盖等将面临进一步的挑战。

在4G系统小区中心，用户离基站近，其无线信号强，网络质量很高，用户性能也好。但在4G系统小区边缘，用户离基站远，其无线信号的能量与传播距离呈指数级快速下降，路径损耗高，信道衰落快，无线信号弱。同时，相邻小区在小区的交接处由于使用了相同的频谱资源，则会产生较强的小区间干扰。结果就是信号与干扰加噪声比（SINR）降低从而导致小区边缘用户性能的恶化。

根据香农定理C=B*log2(1+S/N)（C是信道支持的最大速度或者叫信道容量；B是信道的带宽；S是平均信号功率；N是平均噪声功率；S/N即信噪比），在带宽一定的情况下，通过提高信噪比可以有效提高信道容量。

Massive MIMO作为未来5G时代的核心技术之一，通过使用大规模天线阵列实现空间复用，可以满足更多流数据的同时传输，更多的小区中信道条件好的用户共享相同的时频资源，系统容量和频谱效率得到极大提高。同时，Massive MIMO通过使用大规模天线阵列实现波束赋形，同时从水平维度和垂直维度严格控制波束的宽度，有效的提高小区边缘用户的接收信噪比，从而有助于提高小区边缘用户的性能。

2 Massive MIMO和小区边缘性能

与传统的MIMO系统相比，Massive MIMO可以给小区边缘用户带来更高的波束赋形增益，从而能有效提升小区边缘用户的下行性能。Massive MIMO还可以给小区边缘用户带来更高的上行接收分集增益，提高基站接收机性能和抗干扰能力，从而能有效提升小区边缘用户的上行性能。

2.1 Massive MIMO波束赋形增益与小区边缘用户下行性能

波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，产生更强的信号增益来克服路损，从而能够获得明显的阵列增益，达到提高接收信号强度的目的。该技术的优势有两点：一是将发射能量汇集到用户所在位置，使其不向其他方向扩散；二是基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使天线的最佳发射方向跟随用户移动，保证终端在任何时候接收到的电磁波信号都处于有效叠加状态。因此，波束赋形技术在改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。

由于信道建模，天线阵列和基站实现的瓶颈，传统的MIMO只能限制在固定下倾角的水平面上进行网络覆盖。

对于传统的TD-LTE 8通道天线，一般一个天线由4个垂直的子阵列组成，每个垂直的子阵列有8个双极化天线单元共用两通道的信号，并通过固定或半动态方式调整天线相位，即电子调整天线下倾角以用于网络覆盖。在这种情况下，相同的射频信号以预定义的相位调整被馈送到天线的每个子阵列，且垂直波束被固定在整个带宽内。也就是说，动态空间处理仅适用于水平面内的独立天线。

Massive MIMO通过使用大规模天线阵列，将当前的水平维天线阵列扩展为同时支持水平维和垂直维的天线阵列，从而可以在水平维度的基础上，同时利用垂直维度的空域，将发射出去的信号形成更窄的波束，从而产生强方向性的辐射方向图并将其主瓣指向特定终端，因此能量能够更加准确地集中指向特定的终端。

此时，更窄的波束可以显著提高信号在传播过程中的空间分辨率，有利于降低不同波束之间的干扰，从而带来更高的波束赋形的增益，特别有助于提升小区边缘用户的性能，也能减少小区内用户之间的干扰和对相邻小区的干扰。

2.2 Massive MIMO接收分集增益与小区边缘用户上行性能

接收分集是在接收端使用比发射端更多的天线，由于存在不同的传输路径，接收端可以观察到多个不同的衰落信号，在接收端使用适当的方法，可以增加接收端的信噪比。

Massive MIMO通过使用大规模天线阵列，上行使用更多的接收天线，可提供更多上行接收信号样本，进行更精确的信道估计，提升基站接收机的性能和抗干扰能力，从而能有效提升小区边缘用户的上行性能。

3 Massive MIMO基站小区边缘效果验证

2018年3 月，广东移动清远分公司在城区使用Massive MIMO基站替换原有的8天线基站的一个小区RRU设备，使用相同发射功率（40W），天线方位角等工程参数与原有天线保持一致，下倾角独立优化调整。从小区边缘终端速率，小区边缘网络覆盖和小区边缘网络质量等方面进行对比测试和效果验证。该测试区域房屋密集，高楼较多，人流和车辆波动性大，周围信号复杂，干扰也较大。

3.1 小区边缘终端速率测试

（1）小区边缘下行速率对比测试：在相同小区边缘测试区域对单UE的下行峰值数据进行采集并做对比分析，以此来衡量Massive MIMO基站对小区边缘下行速率的影响。小区边缘选点标准：RSRP＜=-98 dBm，SINR ＜=12 dB。

RSRP（dBm） SINR（dB）下行速率（kb/s）8天线基站 -105.25 3.98 13172.29 Massive MIMO基站 -105.78 4.67 21083.83

测试结果小结：Massive MIMO小区边缘的平均下行速率达到21083.83kb/s，相对于8天线基站小区高出7911.54kb/s，增益接近60.06%。

（2）小区边缘上行速率对比测试：在相同小区边缘测试区域对单UE的上行速率进行采集并做对比分析，以此来衡量Massive MIMO基站对小区边缘上行速率的影响。小区边缘选点标准：RSRP ＜=-98 dBm，SINR ＜=12 dB。

RSRP（dBm） SINR（dB）上行速率（kb/s）8天线基站 -104.92 2.14 1519.90 Massive MIMO基站 -106.34 4.85 2501.25

测试结果小结：Massive MIMO小区边缘的平均上行速率达到2501.25kb/s，相对于8天线基站小区高出981.35kb/s，增益接近64.56%。

3.2 小区边缘移动测试

（1）小区边缘移动下行速率对比测试：在相同小区边缘测试区域对单UE的移动下行峰值数据进行采集并做对比分析，以此来衡量Massive MIMO基站对小区边缘移动下行速率的影响。由于该小区边缘覆盖区域的限制，适合连续移动测试的范围有限，小区边缘选点标准：RSRP ＜=-87 dBm，SINR ＜=14 dB.平均结果如下：