Massive MIMO技术在5G网络优化中的运用

2023-05-24韩金燕

无线互联科技 2023年5期

韩金燕

摘要：在5G通信技术快速发展的时代，用户对网络数据信息传输的速率要求逐渐提高，移动通信企业为满足用户需求，试图通过增加基站天线数目、应用Massive MIMO天线技术以提高传输速率。文章根据权值优化原理，将Massive MIMO关键技术应用于5G通信网络系统，以优化无线网，最大限度地提升用户覆盖范围，强化网络传输性能。实验验证发现，5G场景应用Massive MIMO技术能够减少人工干预，扩大用户覆盖范围，强化网络优化效率。

关键词：Massive MIMO技术；5G网络优化；权值

中图分类号：TN711文献标志码：A

0 引言

Massive MIMO技术的应用能够解决5G绕射能力差、室内覆盖深度不高的问题。由于5G在空间传播损耗较大，室内难以达到深度覆盖，因此需要借助Massive MIMO技术改善5G覆盖性能容量差的问题。为此，中国移动通过调整通道及天线权值，将居民区、高层楼和城区网格作为试点应用Massive MIMO技术，目前已经取得了较好的应用效果。

1 Massive MIMO技术原理

克劳德·伍德·香浓在1948年提到了香浓定理C=Blog2（1+S/N），表明通信系统可以通过降低系统噪声功率、强化天线发射功率、提高系统工作带宽的方式，进一步扩大系统整体容量。由此可见，为了提高系统信道容量，可以借助于多天线的技术提高空间维度资源。目前所采取的多天线场景，信道容量表达式可以计算出信道模型最大值，通过计算发射天线数量和接收天线数量之间的最小值获取数据。文章围绕multiple input和multiple output，通过多径效应的方式以扩大通信系统内部的整体容量。

马赛塔在2010年提到了miui整体大规模形成的理论，此后Massive MIMO天线数量逐步增加，除此之外，还增加了垂直波束，结合波束赋形的方式强化网络容量，提高频谱效率，扩大覆盖性能，降低干扰。可见，不同的场景配置的Massive MIMO技术整体存在的波半角也不同。波半角主要包含下倾角、方向角、垂直波、半角水平，以此得到不同形态的波束，应用于不同的场景，强化网络覆盖深度，确保数据传输效果。

1.1 Massive MIMO的技术分析

新一代移动通信技术以5G为主，5G的速率达到了10 GB/s，用户体验效果较好，而且5G技术连接空中接口控制面延时只有1 ms。5G所提高的频谱效率达到4G的10倍以上。与移动通信较早的技术相比，5G无线频段基站信号空间传播速度快。5G网络中，Massive MIMO技术以更高的评估利用率、更优的系统容量以及能抗多进衰弱性等优势而广泛应用于网络运行［1］。Massive MIMO技术为了满足5G业务需求，利用基站布置天线规模，以此形成了对应的天线阵结合波束成型技术。文章构建多个目标客户的不同波数，降低波数之间出现的干扰，以此挖掘空间资源，有效利用宝贵的平带资源空间，提升网络容量。

1.1.1 多输入多输出的系统

无线通信系统包含发射端和接收端两种形式，以实现系统的输入和输出。但是Massive MIMO技术的应用打破了这种限制，全面提升了系统容量，其基本原理在于无线系统发射端。接收端可以借助发射天线、接收天线，有效应用空间资源，形成多径传播方式。

1.1.2 波束赋形

波束赋形是Massive MIMO的主要特殊技术，通过结合不同路径信号加权合并，以此改善接收端信噪比，使距离接收端较远也可以强化信号质量。

1.1.3 设备形态

为提升系统性能，在5G无线基站要考虑Massive MIMO技术的应用，使用大规模天线设备，最终支持用户控件传输，达到提升5G系统频谱效率的效果。针对Massive MIMO设备，形成每一个天线通道发射信号，以对应控制相位和幅度，强化信号波束，达到无线传播、补偿损耗的目的，满足基站小区覆盖的需求［2］。

2 Massive MIMO天线应用存在的问题

多类型的无线产品开发过程中，由于应用场景不同，因此匹配难度较大。尤其是5G系统中，结合了Massive MIMO权值技术以丰富无线产品的各种形态。目前，多种设备形态包含2TR，4TR，8TR，32TR，64TR等方案，可见覆盖能力本身存在着高低的水平偏差，且所呈现的角度也存在支持性的差异。在多样化的无线产品中，引用Massive MIMO技术需要结合产品安装的场景，以发挥设备的最大优势［3］。而场景又包含Massive MIMO技术，可应用于高铁、高楼大厦的办公区域、大型广场区域等，都需要结合场景配置设备。

2.1 传统使用权值方案存在的问题较多

运营商安装设备之后，后期不会主动上门给客户维修，缺乏设备维护的主动性，因此合成波的调整方案有限，为此需要从厂家购买license。由于设备运营商缺乏对应的技术优势，全靠厂家提供设备，而且单一厂家提供的条约工具并不能通用于其他设备，因此所采取的条约算法完全受厂家控制。由此可见，设备系统运营商采取的工作方案极为被动。

2.2 潜在权值计算方案存在规模大的难题

后期工作人员难以根据工作经验进行调试，以Massive MIMO 64TR天线作为案例进行分析，天线包含64个通道，结合参数对每个相位幅度的通道进行配置，幅度范围为［0，1］，相位為［0，360］，包含8个子波数，并且各波数形成了对应的包络Pattern。如果其中包含有100种子波数，那么，就会配置100×1.86E11种的配置方案，超出了人类脑力运算范围，因此，5G系统所采取的Massive MIMO技术在需人工经验的基础上进行调试，但这一模式并不适用于后期5G系统［3］。

2.3 最优权值人工调整难度大

Massive MIMO 64TR技术具体应用过程中，在阵列中从一维扩展到二维，以满足天线方向控制形状，既可以实现水平方向控制，也可以实现垂直方向控制，被称之为3D波束赋形。由于用户所在空间位置分布不同，利用3D波束赋形能够将信号精准地对准目标用户群体，因此，采用Massive MIMO 64TR天线技术的水平垂直覆盖能力更加灵活，提高了信道增益，更加彻底地覆盖整个小区信号，扩大广播信道覆盖能力［4］，在利用更宽的垂直波束增强高楼垂直覆盖的同时，也能夠强化水平方面的场景覆盖业务能力。

5G网络构成了SSB，也就是主同步、辅同步序列以及物理广播信道，几条参考信号共同组合在一起，形成了5G网络的SSB波束发射方式，因此借助波束扫描可以从不同方向实现多束能量定向投放到一个用户位置，提升信号覆盖率，降低干扰。对于5G而言，8个SSB都是可以调换位置的，用户可根据自身动态的位置变化情况调整能量定投，减少干扰数据，而人工设置权值并不能适应用户位置变化的动态调整要求［5］，为此需要针对性地、精细化地调整最优权值，并投入大量的人工成本，以提高技术的精准性。

3 现行网络应用Massive MIMO的分析

目前，中国移动配置了对应的权值方案，确保通道在网管下发之后，增加每个通道的上位幅度，放宽直波束方位角下倾角和垂直波宽，以推动主体设备获取厂家后期的主动维护，优化5G无线网络应用效果。

3.1 基于通道级的Massive MIMO权值方案分析

在中国移动的支持下，运营商配置网管侧下发权值，从而调试干燥权值幅度，调试范围为［0.1］，步长为0.1，而单通道的权值相位调试范围为［-180，180］，步长是1。获取更加灵活的配置后，结合业务量指标的统计上报给网管。综合目前Massive MIMO天线优化的灵活性和功能应用的系统性，放宽了水平波束宽度，将其调试为4个挡位，将水平波束宽度划分为4个挡位，而垂直波束定位3个挡位，生成不同波宽的波束，波束可以通过不同的扫描角、下倾角获取扫描范围，从而计算出共计148种子波数［6］。在华为64TR天线的应用中，配置了148种子波数，后期还会增加各种波数，以此扩大厂家在32TR和64TR天线的权值。

3.2 现网试点验证分析

为了获取Massive MIMO权值设置应用效果，选取某一区域网络作为典型场景展开验证，如居民区、高层楼或者城区的某一网格体系，针对这3个场景使用优化后的Massive MIMO权值，主要针对各指标进行调试测量，最终发现下载速率、综合覆盖率以及调制方式得到提升和优化。

城区网格试点区域涵盖5G NR，共计191个5G小区，扩到了575个覆盖范围。道路开展的便利测试主要针对1G～4G的道路覆盖，居民区设置1个NR站点，安装三角区组网，分别设置方位有3°，117°和240°，测试站点前后的主要指标，最终发现调整之后的权值在网格、道路、5G综合覆盖当中的速率提高到了1.79%［7］。调试方式注重上下行的比例，最终发现上下行均有所提升，在居民场景当中，下行速率有所提升，关键指标更加稳定。

在高层楼宇上，借助5G站点垂直波束的覆盖，测试高层定点位置的网速，结果表明，低层和高层垂直波束有所下降，整体网络质量有所改善，尤其是中层楼宇的覆盖率提升了96.9%。通过对比高楼、居民区及道路网格区域的不同场景，5G速率测试结果进一步显示了Massive MIMO技术可以强化5G整体的覆盖率，实现了高阶调制、上传、下载的关键性指标的提升，可以进一步拓展现行应用规模。为此，应制定Massive MIMO技术使用规范，以覆盖各类型场景，与场景相匹配，进一步发挥Massive MIMO技术的应用优势。

4 应用Master memo技术提升5G网络性能

4.1 应用Master memo技术优化天线射频的阵列格局

Master memo技术结合天线射频阵列格局，以此转变5G基站的网络性能，通过大规模多天线技术的应用，借助不同维度确保5G频谱实现利用率的全面提升。实际测试结果借助64通道，Master memo技术作为主流应用，其中所采取的通道数越多，其对5G技术性能的要求也越高。然而，针对3.5 GHz频段所存在的天线产品很难生产出小型化天线产品，因为既要考虑成本和天线产品性能，还要考虑与基站连接的难度。因此，针对3.5 GHz频段所采取的商用5G基站要考虑的一系列问题，最终选择64通道作为常用通道［8］。

结合不同场景所采取的方案存在部分差异。例如，在3.5 GHz频段下，为规范5G网络的有效部署，需要更大的发射频率才能确保5G基站与终端连接，减少工作频段因提升速率而导致的覆盖面扩大所造成的损失。因此，目前分析3GPP的标准进展，发现3.5 GHz频段的基站与手机终端对发射功率的要求普遍较高。

对具体产品技术的研究分析发现，商用的5G产品基站在下行64通道工作，如果带宽是100 MHz，就可以达到200 W的发射功率。与4G相比，5G基站的发射功率已经提升了1倍，达到了400 MW，可见5G工作状态下频段发射功率有所升高，网络上行覆盖存在损失［9］。为了弥补上行覆盖受到限制的问题，目前5G利用空口技术以全面提升网络性能，增强覆盖能力，结合5G链路预算以及手机终端本身存在的发射功率的限制问题。目前，5G网络实际应用过程中的覆盖范围往往受到上行限制，如果所安排部署的宏基站位于室外，用户在室内工作期间使用网络会发现无线网信号在穿越墙体的过程中出现信号衰减的问题，从而缩小基站整体实际空间的覆盖范围。

由此可见，5G需要结合终端上行速率将其降低到2 MBTS，实现小区范围内的边缘覆盖，进一步规范链路预算，以5G上行范围在3.5 GHz的频段达到200 m。如果尚未完成标准化的5G全新帧结构设计，目前要达到的上新覆盖距离有待扩大范围。

通过对实际进展情况与测试进行分析判断，基于Massive MIMO的5G基站可以有效提升无线信号流的复用，扩大网络容量，借助波束赋形方式增强网络实际覆盖能力。波形赋形技术主要调整天线增益空间分布位置，在发送信号时，能量集中指向一个目标终端，以弥补信号在空间传输过程中存在的信号损耗，借助此类方法强化网络覆盖能力。由此可见，使用Massive MIMO技术的优势在于提升5G覆盖范围，扩大5G容量，以此进一步降低5G链路实际预算，降低高频电网的成本。

目前，4G系统工作频段低，不能大幅增加天线数量，从而限制终端峰值速率，由此可见，在空间复用、空间分级以及波速赋形技术合理应用方面，进一步提升基站覆盖率，扩大容量成为目前技术挖掘的关键点，由此借助Massive MIMO技术可以解决这一系列的问题。

4.2 应用Master memo技术实现天线权值的自动优化

天线参数权值自动适应是网络权值实现优化调整，对SSB调整信道状态的信息实现拟合优化，确保自动优化功能能够单独部署，其中，SSB权值自动优化是在用户分布的情况下覆盖用户最多的，搜索预测多瓣宽度、方位下倾角。结合小区用户的分布情况，统计与周围小区是否存在干扰因素，实现自动化的适应调整计算，能够利用智能计算方法估算出广播权值的最优值，以实现最优覆盖。其中，对参数的测量主要测量用户的位置信息分布情况生成测量报告，利用权值有效改善重叠覆盖，进一步降低干扰因素。

SSP与CSI权值拟合优化与业务性能相关。参数包含CSI，除了优化SSB的权值之外，CSI如果没有联动调整，需要人工调整。调整CSI权值，进一步拟合SSB广播权CSI 4个波束垂直排布，水平宽度50°，垂直宽度为6°。如果CSI的4个波束是水平角度，那么小区的SSB波束就要保持水平角度；如果CSI的4个波束是垂直角度，就需要参考小区整体SSB波束的垂直角度。

4.3 Massive MIMO技术的应用方案

Massive MIMO天线权值涉及的自优化关键技术包含6个关键点，主要是数据测量、优化区域配置、权值生效、最优权值估算、权值更新或回退、效果评估。权值自优化流程如图1所示。

图1 权值自优化流程

（1）优化区域配置。结合操作界面进行手动配置，或者结合重叠覆盖度用户与邻居之间的关系，实现区域配置优化。

（2）数据测量。在广播权值初始化过程中，首先要对数据进行采集，在基站侧获取用户的信号强度、所在位置、安装路由的信息以及出现的信道损耗的信息，以获取本小区与邻区之间的信号接收、功率到达方向、波束成型等信息，结合场景采集一家用户的多个信息。

（3）自由权值估算。在完成广播权值自由化之后，结合数据样本估算，以确保实现多样化、精准化、高效化。

（4）效果评估。效果评估主要对所完成的权值进行评估，结合数据测量，通过蚁群搜索算法组合最优权值，从而下发给基站自动生成新的权值。

在整体方案应用实施过程中，最后权值估算要明确权值设置范围，确保垂直维度层层之间形成7°夹角，而波束夹角与水平合成的宽度有关，如果水平合成波束宽度是90°，证明最终的夹角数不能调整；如果波束宽度为15°，那么，波束夹角取值范围为［-40，40］。

5 结语

综上可见，在无线通信技术不断发展的过程中，5G网络性能可以借助Massive MIMO技术，确保网络稳定性，扩大5G网络的覆盖范围。

参考文献

［1］曾伟，钟检荣，范君，等.5G分布式Massive MIMO在大型冬奥体育场馆中的应用研究［J］.邮电设计技术，2022（7）：44-49.