5G传统双流室分实现下行四流MIMO方案研究

陆 璐 钱国宝

1.中国移动通信集团江苏有限公司盐城分公司；2.扬州大学

0 引言

随着无线通信技术的发展，用户对手机信号的强弱、上网速率、时延感知越来越敏感。用户的主要活动范围在室内，大部分流量是在室内环境中产生，室内的覆盖问题一直以来都是运营商亟待解决的问题，这主要是因为室分不同于宏站，其覆盖范围小、针对性强，一次性投资经常难以满足用户的需求。本研究介绍了一种双流+错层覆盖的低成本、高性能的室分覆盖解决方案，利用上下楼层间的信号同时给用户提供服务，从而降低一半的单层投资成本。而在用户感知上，由于上下楼层可以同时提供服务，其上网速率、时延感知可以得到较大提升。

1 研究背景

无线通信的室分覆盖建设模式已经在大量的文献中得到研究，其作为室分场景的解决方案是一个主要的研究分支。大部分研究使室分的性能方面得到了提高，但对于低成本室分系统的研究相对较少，且缺少对建设成本方面的考量。

当前，5G室分部署方式主要有三种方案：（1）传统室分双路方案；（2）传统单路室分错层MIMO方案（MIMO，Multiple Input Multiple Output，多入多出技术，一种多天线解决方案，可以实现空分复用的能力，从而提高空口传输能力）；（3）新型室分方案。其中，新型室分方案和传统室分双路方案的双流效果较好，一般可实现Rank2及以上占比达到90%以上（Rank，即秩，在5G系统中对应空分复用层数，即可能采用的下行传输流数）。传统单路室分错层MIMO方案的双流效果较差，受现场环境影响较大，Rank2占比一般在0%到60%之间。

在此背景下，本研究在确保5G用户感知的前提下，开展5G传统双流室分场景下实现Rank4占比提升研究工作，提高下行至四流传输，提高用户的5G网络感知和5G网络满意度，从而找到一个低成本、高效益的室分覆盖建设解决方案。

2 数据描述

本研究所用数据源分别来自设计院、网管中心OMC、现场测试输出软件Probe。

如图1所示，室分设计图纸为某设计院应中国移动要求对目标室分进行覆盖建设的设计图纸，并通过相关的审计。从设计图纸中我们可以得到目标室分覆盖的走线分布、设备安装位置等信息。通过这些信息可以获知可能的优化提升空间，从而提出针对性的优化解决方案。

网管中心，主要提供实际覆盖小区的逻辑数据和用于方案评估的KPI指标数据，逻辑数据有小区CGI（Cell Global Identity，小区全球标识）、RRU（Remote Radio Unit，射频拉远单元）、射频通道、小区功率等。KPI（Key Performance Indicator，关键性能指标）指标数据有接通率、掉线率、切换成功率、RANK2以上占比等。

现场实测数据，主要提供现场测试的RSRP（Reference Signal Receiver Power，参考信号接收功率）、SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比）、RANK等指标数据。用于目标方案的前后验证，以确认目标方案的影响，评估目标方案的可行性。

3 系统设计

3.1 基本原理

传统室分系统的部署方式一般为单流部署，其天馈系统无法满足多流的部署要求。在5G上，主要通过传统室分错层部署的方式，启动双流，但性能较室外宏站或者新型室分明显低了很多，主要原因是物理条件限制导致其在SU-MIMO模式下，用户依然无法超过2流的数据限制。为了降低部署要求，并实现大于2流的传输目标，采用平层双流+错层覆盖的方式，使得上下层间可以形成大于2流的传输条件，构成4流传输条件。并通过MU-MIMO使得各个RRU之间构成空分条件，从而实现小区吞吐能力的成倍提升。

MIMO（Multiple Input Multiple Output）是一种成倍提升系统频谱效率的技术，它泛指在发送端和接收端采用多根天线，并辅助一定的信号处理技术来完成通信。MIMO提升系统频谱效率的能力和天线数目强相关。5G宏站使用大规模天线阵技术来提升空分能力，室分场景只能通过提升通道数来实现。

MIMO通过综合使用信号处理技术可以获得接收分集、波束赋形、空间复用等增益，提升系统容量，提升频谱效率。上行接收分集原理如图2所示。

图2 上行接收分集原理图

UE发送的信号x经过不同的信道到达gNodeB的M根天线r1-rM，gNodeB对各路接收信号分别乘以权值wi，然后对各天线上的信号进行合并，得到信号y。合并后的信号可以表示为：y=W（Hx+N）。其中，W=（w1……wM）为各天线的接收权值组成的1*M维的向量；H=（h1……hM）T为M*1空间信道矩阵。hi为信道系数，上标T表示转置运算。信号经历信道后幅度和相位都会发生变化，信号乘以信道系数得到经历信道后的信号；N=（n1……nM）T为各天线接收到的噪声组成的M*1维的向量；x：发送信号。下行波束赋形是指gNodeB侧发射信号经过加权后，形成带有方向性的窄波束。

加权原理如图3所示，待传输的信号，在不同的天线逻辑端口用不同的权值（w1……wM）进行加权，实现信号幅度和相位的改变。多天线发射，输出的信号叠加后呈现出一定的方向性，指向UE。天线越多，波束越窄，也可以更灵活的控制波束的方向。

图3 加权示意图

图3中权值（w1……wM）需要根据下行信道情况计算得到，用于改变波束宽度和方向。

计算权值有两种不同的方法：通过SRS（Sounding Reference Signal）计算权值的过程，权值简称为SRS权；通过PMI（Precoding Matrix Indication）计算权值的过程，权值简称为PMI权。

对于TDD低频小区，天线数为4T4R及以上时，gNodeB支持下行SRS权与PMI权自适应功能，即自适应地选择采用SRS权或PMI权，使权值可以更准确地反映业务信道的质量，可以提升边缘用户的下行用户吞吐率；天线数为4T4R以下时，固定采用PMI权，不支持SRS权。

通过显著增加收发天线，获得更高的阵列、分集、波束赋形增益，提升小区覆盖，从而可以提升用户上行平均吞吐率和用户下行平均吞吐率。

3.2 方案设计

方案分析流程如图4所示。

图4 方案设计流程图

该方案依赖于传统室分，目的是将传统室分的能力提高到和室外宏站相当的速率水平。依赖于厂家的硬件特性，需要实现RRU双拼功能。目前，华为厂家21A版本可以实现2个RRU双拼（此时，不支持小区合并），如图5所示。

图5 双拼方案示意图

具体方案如下：

（1）选取试点目标

选取宝龙广场南侧进行方案试点。该小区的设计图，如图6所示。

图6 宝龙广场室内分布设计图

（2）试点条件核定

宝龙广场南侧区域经现场测试核实为1个小区，小区名：盐城-亭湖-宝龙城市广场购物中心C区传统室分-H5M-2661，小区下挂8台RRU（初步判断为每层2台RRU，分别覆盖B区、C区南部）。

（3）改造方案

C区 东 南：1F和3F双 拼 为Sector0，2F和4F双 拼 为Sector1；

C区 西 南：1F和3F双 拼 为Sector2，2F和4F双 拼 为Sector3；

C区东南和西南共计涉及4个双拼扇区，最后将4个双拼扇区合并到1个小区。

3.3 方案部署

站型要求：3900&5900系列基站，其中3900系列基站要求BBU为BBU3910。DBS3900&5900 LampSite基 站，其 中DBS3900 LampSite基站要求BBU为BBU3910。

单板要求：UBBPg。射频要求：RRU5150-D。

小区要求：两个RRU支持的频率范围和收发天线数相同。支持两个同型号的2R RRU拼成4R的SUL小区。支持两个同型号的2T2R RRU或两个同型号的2T4R RRU拼成4T4R的小区；支持两个同型号的4T4R RRU拼成8T8R的FDD P天线小区。

两个RRU的CPRI光纤长度差不能超过2km。两个RRU的CPRI光纤只支持连接到同一个制式的基带板。两个RRU只能采用星型或级联组网。对于级联组网，总的拉远距离不超过20km。

软件要求：V100R017C00SPC150或以上版本。

本方案选取宝龙广场C区东南，仅实施1F2F方案试点（目的是验证方案的可行性和增益）。

为了避免原有小区影响，新创建一个小区，作为试点小区，规划数据如表1所示。

表1 宝龙广场C区小区规划数据

改造涉及到MO数据的删除与添加。数据配置过程主要是去激活源小区，然后对TRP数据进行改造，添加新小区数据，最后将TRP和新小区绑定并激活。

4 结果

对上述的部署方案进行效果评估，从网管性能指标及现场测试数据两个方面考量。其中，网管性能指标是站在网络侧角度进行方案有效性评估，而现场测试则是站在用户的角度对方案的实际感知能力做性能评估。由网络侧、用户侧的双重评估结果来综合评判方案的性能。

4.1 网管指标

如表2所示，由于改造区域只涉及改造前小区的四分之一，其流量存在明显收缩，但其业务量明显大于改造前的四分之一。也就是说流量相较改造前无明显波动。改造后无线接通率、无线掉线率、切换成功率整体指标平稳，变化不大。

表2 改造前后指标变化

如图7所示，小区改造前只有Rank1、Rank2占比，无Rank3、Rank4占比，即无3流及以上空分。改造后，Rank3占比高达47.88%，Rank4占比也占到20.53%，3流及以上空分复用明显。

图7 改造前后Rank变化

4.2 测试指标

现场采用客户感知体验系统（感知App）和SpeedTest5g两款测试软件进行CQT测试。

如表3所示，传统双流室分场景下，在5个点位进行测试，结果显示传统室分场景在感知App软件测试平均下载速率688.35 Mbps，平均上传速率80.36Mbps；SpeedTest5g软件测试平均下载速率717.20 Mbps，平均上传速率90.21 Mbps。

表3 改造前上传、下载速率遍历测试数据

如表4所示，传统双流室分+错层MIMO场景下，在同样5个点位进行测试，感知App软件测试平均下载速率927.03Mbps，平均上传速率83.60Mbps；SpeedTest5g软件测试平均下载速率1092.95 Mbps，平均上传速率94.18Mbps。

表4 改造后上传、下载速率遍历测试数据

如表5所示，对比纯传统双流室分和传统室分+错层MIMO方案，后者在下行方向增益明显，感知App软件测试增益高达34.67%，SpeedTest5g软件测试增益高达52.39%；上行增益相对较小，但两款软件测试均有小幅抬升约4%。

表5 改造前后上传、下载速率平均变化

Index感知App SpeedTest5g上传 下载 上传 下载增益 4.03% 34.67% 4.40% 52.39%

5G传统双流室分+错层MIMO覆盖方案可以实现传统室分下行4流，下载速率至少提升30%以上，可以大幅提升小区的下行感知能力，增强用户对网络的感知。通过本次下行四流MIMO方案研究，有效指引5G传统室分的后期建设，在保证用户感知的前提下，实现降本增效的目标。

5 结束语

本研究提出了一种双流+错层覆盖的室分覆盖解决方案。为了更好地降低网络成本，通过调整室分的无源分布系统的拓扑结构，以及小区和RRU的绑定关系，实现了一种低成本、高性能的解决方案，对中低容量需求的室分场景信号覆盖提供了数据支撑和有价值参考。