关于福州电信5G 室内分布式Massive MIMO 创新试点的研究

［陈金］

1 引言

5G 商用牌照发放2 年多来，我国5G 网络基础设施建设稳步推进，至2021 年末，国内各大运营商已基本上完成了县城以上的5G网络的广覆盖，同时也对机场、火车站、地铁、高校、大型场馆、大型商超等高流量高价值的室内场景进行了5G 室分覆盖。

随着5G 网络及5G 业务的不断发展，高流量高价值等重点室内场景对5G 网络在覆盖、容量、吞吐率、切换等方面都有着非比寻常的要求，如果仅仅采用传统优化手段处理，伴随着5G 终端用户的不断普及与发展，该类重点室内场景5G 网络后续必然会面临容量不足、速率体验不佳、用户投诉等问题，导致影响5G 业务运营。

本文以5G 分布式Massive MIMO 的创新理念和工作原理为基础，通过典型案例，研究验证了使用该方案与传统优化方案在覆盖、容量、吞吐率、切换等方面所展示的提升与增益情况，为今后5G 网络建设中使用该方案提供借鉴。

2 技术原理

2.1 分布式Massive MIMO 原理

5G 室内分布式Massive MIMO 技术将宏站Massive MIMO 技术理念引入到室内形成分布式、逻辑天线、空间隔离及空分复用等特性，通过联合波束赋形技术将重叠区域干扰变成增强信号，有效解决室内5G 小区重叠区域的干扰问题，加强了用户终端体验感知，如图1 所示。MUMIMO 技术通过空间隔离实现pRRU 的多波束空分复用，上下行用户配对将小区容量显著提升。

图1 分布式Massive MIMO 创新理念

高流量高价值等重点室内场景，通过小区分裂的传统扩容方式，由于NR 同频部署导致的小区间严重的干扰，可能出现小区分裂后，区域内容量没有增加甚至降低的情况。通过将工作在相同频段上的射频模块所覆盖的n 个连续覆盖的4T4R 小区，合并为一个4nT4nR 的小区来消除小区边界，降低小区间干扰，如图2 所示。合并后形成的Massive MIMO 小区可以通过MU-MIMO 功能来提升系统的上下行容量和频谱效率。

图2 化干扰为增强信号，通过联合Beamforming 和多用户MIMO 提升容量与体验

启用分布式Massive MIMO 功能后，gNodeB 通过测量UE 在多个TRP 下的SRS RSRP 差值来识别交叠区用户。当UE 处于交叠区，多个TRP 对该交叠区用户的业务信道数据进行联合传输，提升UE 吞吐率。对于非交叠区用户，当NRDUCellAlgoSwitch.MuMimoSwitch下的子开关“UL_MU_MIMO_SW”或“DL_MU_MIMO_SW”打开时，多个TRP 的波束可以空分复用同一个PUSCH 或PDSCH 时频资源，复用最大层数，如表1 所示。

表1 多用户空分复用的最大层数

2.2 TRP 概念

分布式Massive MIMO 特性中TRP 规格与普通NR TDD 小区TRP 规格（1 个TRP 内支持的射频合路pRRU 数、支持的TRx 数、CPRI 带宽消耗等）相同，差异点在于包含1 个主TRP 和2～15 个从TRP，从TRP 需要通过配置“主TRP 标识”参数关联到主TRP。

为了描述方便，合并后的小区叫做分布式Massive MIMO 小区。

一个分布式Massive MIMO 小区需要通过MML 命令ADD NRDUCELLTRP 来添加多个TRP，当前支持合并的TRP 个数为2 到8，其中一个为主TRP、其他的均为从TRP，只有主TRP 需要指定基带设备，从TRP 仅包含射频信息，主从TRP 共用相同的基带设备。主TRP 通过NRDU Cell Trp.TrpType 为“MASTER_DM_MIMO”来指定，从TRP 添加时需要将NRDUCellTrp.TrpType 为“SLAVE”，并且通过NRDUCellTrp.MasterTrpId 指定主TRP。分布式Massive MIMO 小区是否生效还需要通过NRDUCellAlgoSwitch.DmMimoSwitch 的子开关“DM_MIMO_SERVICE_SWITCH”来配置。

3 应用场景

3.1 ToC 场景

高流量高价值等重点室内场景，典型场景包括机场、火车站、地铁、高校、大型场馆、大型商超等，其特点人流稠密，频繁出现业务高峰。

对规划的挑战：单小区容量不足，多小区干扰严重。

对运营的挑战：多为品牌、口碑场景，网络问题容易造成用户投诉，严重可能导致用户流失。

3.2 ToB 场景

行业应用需要大上行、下行网络条件，典型场景包括高清直播、远程医疗、高端制造等，对上下行容量大、数据速率稳定等有强烈需求。

容量挑战场景：影像传送，机器视觉检测等应用，要求上行容量500 Mbit/s～2 Gbit/s，下行容量300 Mbit/s～1 Gbit/s以上。

4 设备要求

硬件要求：以华为5G 设备为例，如表2 所示。

表2 设备硬件选型与性能表

DMM 小区规格：

（1）单DMM 小区支持TRP 收发通道4T4R；

（2）单DMM 小区支持TRP 个数：2～16；

（3）单DMM 小区上、下行流数 DL/UL：16/8（2:3配比除外）；

（4）单DMM 小区连接用户数：1200/Cell；

终端配套：需要终端支持天选，本文选取如表3 所示的这些终端作为测试终端：

表3 终端型号表

5 实施案例

福州电信选取苏宁广场二期1、2 层作为5G 分布式Massive MIMO 作为创新试点进行验证，共涉及PRRU 数量23 个，覆盖面积7 287 m²。

开通前：苏宁广场二期三层划分为一个数字化室分小区；

开通后：苏宁广场二期三层划分为1 个室分Massive MIMO 小区，小区共划分为8 个TRP，如图3、图4 所示。

图3 1F 的TRP 划分图

图4 2FTRP 划分图

6 指标对比

6.1 MU 测试结果对比

测试点位：1FPRRU01、1FPRRU05、2FPRRU01、2FPR- RU06，4 个用户同时在4 个点位测试，如图5、图6 所示。

图5 测试点位图1

图6 测试点位图2

测试结果：

下载：小区下行吞吐率均值为3.7 Gbit/s，峰值达到3.8 Gbit/s，较整改前774.09 Mbit/s提升4.82倍，如表4所示。

表4 下载吞吐量对比表

上传：小区上行吞吐率均值为837.70 Mbit/s，峰值达到853.21 Mbit/s，较整改前的257.19 Mbit/s 提升3.26 倍，如表5 所示。

表5 上传吞吐量对比表

6.2 SU 测试结果对比

整改前后下载整体指标对比

下载：

整改前：PDCP 层下载速率均值为637 Mbit/s，其中高于1 000 Mbit/s 的比例仅为5.16%；

整改后：PDCP 层下载速率：均值为1.06 Gbit/s，其中高于1 000 Mbit/s 的比例为71.55%。

测试详细对比如图7 所示。

图7 PDCP 层下载速率对比图

上传：

整改前：PDCP 层上传速率均值为257 Mbit/s；

整改后：PDCP 层上传速率均值为332 Mbit/s。

测试详细对比如图8 所示。

图8 PDCP 层上传速率对比图

7 结论

本文基于5G 分布式Massive MIMO 的创新理念和工作原理，通过对台江苏宁广场二期5G 室分进行整改及测试，测试验证效果达到整改预期，整体提升效果如下：

MU 测试：多用户小区下行吞吐率达到3.7 Gbit/s，相对于普通小区提升了4.8 倍，小区上行吞吐率达到837.70 Mbit/s，相对于普通小区提升了3.26 倍。

SU 测试：单用户下行平均速率达到1.16 Gbit/s，相比开通前提升82%，上行平均速率达到336 Mbit/s，相比开通前提升31%。

有了上述理论原理与实际应用案例，今后5G 网络建设或完善过程中，可以结合现场覆盖环境，设计使用该方案进行覆盖，来提升5G 小区容量与用户体验。