刘东升，王建斌

（1.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2.中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310001）

0 引言

当前，国内各大运营商都积极部署5G 商用网络。Massive MIMO(Massive Multi Input Multi Output，大规模多入多出) 天线技术是5G 最重要的关键技术之一，与4G 天线部署有着较大的区别。Massive MIMO 天线的合理部署能够显著提升网络容量，增加频谱效率，增加覆盖范围。本文在分析Massive MIMO 关键技术的基础上，针对不同场景的特点，给出了针对性的5G MIMO 天线部署建议，无论在网络规划理论方面还是工程实践方面都具有积极的现实意义。

1 5G 大规模MIMO 特点

5G 网络架构和设备形态较4G 都有较大变化，其中最核心的变化是天线端的差异。5G 无线网络分为有源天线单元 AAU 和BBU，其中5G AAU 整合了4G RRU 和天线的功能。

5G AAU 采用具有大规模 MIMO 功能的天线形态，而5G 高频的特性使得Massive MIMO 天线尺寸得以减小，使得射频单元和天线的集成更具工程可操作性，目前集成射频单元RRU 和天线的AAU 已经成为业界共识。

MIMO 信道模型:

其中，x：接收信号；s:发射信号。

传输速率:

其中，I：单位矩阵；nr：接收天线数；nt：发射天线数；G：通道矩阵

5G Massive MIMO 系统的空间维度与现有4G MIMO 系统相比显著提高，能深度挖掘空间维度资源，使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上利用大规模MIMO 提供的空间维度与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力，从而在无法进一步增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。

图1 5G MIMO 和4G MIMO 功能对比

5G Massive MIMO 系统更多的振子数量可形成更窄的波束，集中辐射于目标空间目标区域，从而使基站与UE 之间的射频传输链路上的质量更好，减少天线空间辐射功率的无用衰耗。

5G Massive MIMO 系统具有强健的性能。由于基站侧通道数目远大于UE 侧，系统具有很高的空间自由度和抗干扰能力；随着通道数的增加，高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响也将进一步减少。

表1 5G MIMO 和4G MIMO 波束赋形能力对比

3 5G Massive MIMO 应用场景化研究

3.1 5G Massive MIMO 天线选型

由于5G 网络采用Massive MIMO 天线，可以利用天线的特性根据覆盖场景需求进行天线参数选择。典型的MIMO 天线振子排布如图2 所示：

其中64T64R/32T32R 属于5G Massive MIMO 新技术工艺，而16T16R/8T8R 属于4G 传统技术工艺。考虑到赋形增益、移相器插损等，64T64R/32T32R较16T16R 的增益提升在5dB 以上。

5G Massive MIMO 天线选型，除了考虑增益，还应考虑波束赋形特性。在当前5G 网络建设中，常用的是64T64R、32T32R 和8T8R MIMO 天线。典型的32T32R 天线有2 个垂直维度，1 维度覆盖小区边缘；2 维度提升近点深度覆盖；典型的64T64R 天线有4 个垂直维度，1 维度覆盖小区边缘，2、3、4 维度根据深度覆盖和减少干扰需要精细化调整。因此，64T64R 天线非常适合容量要求高、可能产生较大干扰的密集城区，以及纵向覆盖要求较高的高楼场景。根据相应Massive MIMO天线特性，当前5G 建设典型场景的设置建议如下：

密集城区和CBD 区域楼宇密集，高楼林立；业务容量需求最大。建议采用64T64R 天线进行波束赋型，开启单用户/多用户多流，大幅提升容量、改善高楼内覆盖、控制干扰。区域内高楼通过垂直维度波束增强内部覆盖。

一般城区根据业务容量需求分析针对性选择64T64R 或 32T32R 天线。

高铁等线覆盖场景传播环境相对简单，Massive MIMO优势并不明显，建议采用8T8R天线进行覆盖。

3.2 5G Massive MIMO 广播信道波束配置

对于5G 广播信道、公共控制信道，5G Massive MIMO 天线的波束赋形采取静态预设权值的方式，对于UE(User Equipment，用户终端设备)专用信道采用可变动态权值的方式。

图2 5G MIMO 振子排布示意图

小区覆盖的用户分布是不均匀的，特别是高层建筑物较多的密集城区。用户的立体分布随建筑物而变化，这就需要将天线的能量集中于这些用户密集的高价值区域，以提升用户的整体体验，获得更好的投资回报。4G 天线通过宽波束进行方位角和下倾角的整体调整。

5G 广播信道波束配置，就是指对5G 广播信道的水平波束宽度、垂直波束宽度、下倾角、方位角等进行规划。工程规划中，可以结合4G 现网MR(Measurement Report，测量报告)和5m 高精度电子地图确定的目标区域，对广播信道波束进行精确配置和优化。

5G 广播信道通常采用7 或8 个子波束进行小区范围内轮询扫描。对于2.6 GHz 频段、5 ms 单周期结构最大可支持8 个子波束；3.5 GHz 频段、2.5 ms 双周期结构最大可支持7 个子波束。

图3 5G SSB 广播信道轮询示意图

对于城市复杂环境，简单的广播信道轮询没有明显优势，为了更好地体现波束赋形的优势，不同场景BBP (Broadcast Beam Pattern,广播信道波束模式) 配置建议如下：

1.配置垂直宽波束进行高楼深度覆盖

使用垂直面覆盖比较宽(建议垂直半波宽度20°以上)的波束，从而提升垂直覆盖范围；水平半波宽度一般不超过60°。

图4 5G MIMO 高楼垂直波束分层覆盖

2.配置中等宽度波束覆盖商业区

商业区广场、高楼、中低楼错落，传播环境复杂、干扰较大。

图5 5G MIMO 城市商业区道路多波束覆盖

建议使用水平中等宽度波束+垂直窄波束或中等宽度波束，收缩小区的水平覆盖范围(建议水平波束半波宽度90°以下)，减少邻区干扰的影响，提升容量。

3.配置宽波束+窄波束覆盖广场区域

对于大型广场和场馆近点使用宽波束(建议水平波束半波宽度90°以上)，保证接入；远点使用高增益窄波束，提升覆盖。

4 案例分析

为了进一步验证MIMO 部署的策略，选择密集市区CBD 典型场景进行5G 不同的Massive MIMO天线进行仿真分析。选取区域场景如下：

图6 密集市区场景示意图

区域为典型CBD 区域，共约0.5 平方公里。区域内100m 以上高楼林立，还有裙楼、广场，主要为高端办公楼和大型商业中心，人流密集，数据流量需求极高。

该区域设置5 套5G 基站，现采用64T64R 和32T32R 分别进行SS-RSRP 覆盖预测。工程和网络参数设置如下：

表2 5G Massive MIMO 案例工程参数

32T32R 和64T64R 对于高楼覆盖的仿真结果对比如下：

图7 5G MIMO 32T32R 和64T64R 高楼深度覆盖效果对比图（图例下同）

图8 5G MIMO 32T32R 和64T64R 高楼深度覆盖率对比图

仿真结果显示，由于64T64R 较32T32R 多两个垂直维度，因此中高楼层的深度覆盖有显著的优势。

在使用64T64R Massive MIMO 的基础上，为了进一步加强高楼的覆盖，对广播信道波束进行配置，设置4 个垂直波束，垂直半宽达到25°。SS-RSRP仿真结果如下，高楼的内部覆盖进一步增强。

当然，在实际工程建设中，高端商务区域的重要楼宇往往会采用室分系统进行覆盖，此处主要目的为验证不同Massive MIMO 天线设置的效果。对于区域内整体室外覆盖的情况，仿真结果如下：

图7 5G MIMO 64T64R+Broadcast Beam Pattern 高楼深度覆盖效果图

图9 5G MIMO 32T32R/64T64R/64T64R+广播信道波束配置覆盖效果图

图10 5G MIMO 32T32R/64T64R/64TR+广播信道波束配置密集市区覆盖率

密集市区无线传播环境复杂，相比较32T32R MIMO，64T64R MIMO 的覆盖提升效果明显，≥-75dBm 以上区域覆盖率提升9%。针对重点业务需求区域进一步采用广播信道波束配置(Broadcast Beam Pattern)后，≥-75dBm 以上覆盖率进一步提升6%，整体覆盖率进一步提升。

64T64R 相比32T32R 有着更好的深度覆盖、垂直覆盖能力，更有利于吸收热点区域的话务；同时采用广播信道波束配置(Broadcast Beam Pattern)后，覆盖能力进一步提升。

基于以上分析，在当前5G 网络工程建设中，可针对不同场景相应设置5G Massive MIMO 天线和广播信道波束，有效提升密集城区覆盖。

表3 5G MIMO 部署策略建议

5 结语

当前国内主要城市城区已经部署了5G 网络，覆盖城区热点业务区域。5G 无线网络与4G 网络最根本的区别之一就是5G Massive MIMO 技术的运用。5G 网络由于初期频段在sub 6GHz，后期达到毫米波频段，相比4G 网络其高频段的覆盖能力的差距在相当程度上依靠Massive MIMO 天线技术来补偿。

在工程建设中如何更充分地发挥5G Massive MIMO 分集、复用、3D 波束赋型的能力，解决覆盖、容量、干扰问题，是5G 无线网络规划、建设和优化面临的重大挑战。

针对以上背景，本文结合现网情况和技术演进，分析了5G Massive MIMO 天线的选择、广播信道波束配置等问题，提出了针对不同场景的天线选型和波束配置建议，并选取典型场景进行仿真分析验证，为5G 无线网络规划、建设和优化提供了有意的参考。