Massive MIMO在5G网络中的应用探析

2022-01-20李忠良关靓华湖南省邮电规划设计院有限公司湖南长沙406中南林业科技大学涉外学院湖南长沙40威胜集团有限公司湖南长沙4005

通信电源技术 2021年15期

卓锦，李忠良，关靓华（.湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南长沙 406；.中南林业科技大学涉外学院，湖南长沙 40；.威胜集团有限公司，湖南长沙 4005）

0 引言

超大带宽、超高速率是5G的一个重要标签，为了满足更大的带宽需求，5G采用C波段和毫米波进行组网，但高频组网将面临着更大的穿透损耗和更小的覆盖距离等问题。更大的穿透损耗意味着室内深度覆盖将不足，单站覆盖距离更小意味着需要更多的基站，因此5G网络也面临着建设成本高、建设难度大等一系列问题。Massive MIMO技术的出现较好地弥补了5G覆盖上的难题，提升了5G单站覆盖效果。

实际建设中，随着5G网络大规模部署推进，5G网络的深度覆盖及感知等问题逐渐凸显，尤其是高层住宅区、商业密集区，如何更好、更充分地利用Massive MIMO提升覆盖率成为5G网络建设与优化中的一个重要问题。本文也将结合工程实际测试探索Massive MIMO在网络建设中的功效，以便为5G建设和优化提供参考。

1 Massive MIMO技术特点

Massive MIMO是5G的关键技术之一，其通过集成大规模天线阵列实现更多的收发通道，通过控制天线阵列中辐射单元的馈电线位来改变方向图形状，具有高增益、高能量效率以及高空间分辨率等特点，其主要优势体现在以下3个方面。

1.1 提升容量

Massive MIMO通过挖掘空间维度资源，利用空分特性降低不同终端间的信道相关性，从而使多个用户可以在同一时频资源上与基站同时进行通信，大幅度提高了频谱效率。此外，下行通过MU-BF技术、上行通过MU-MIMO技术将多个用户进行并发配对，较4G网络极大地提升了通信容量。

1.2 增强覆盖

5G Massive MIMO中，广播信道采用窄波束发射，相较于3G、4G的宽波束发射，窄波束具有能量集中、控制更精准等特点。通过波束赋形可集中辐射于更小的目标区域，提升信号传输中的能量效率，增强覆盖能力。

1.3 抗干扰强

5G采用三维波束赋形，波束在水平方向和垂直方向都可进行调整。窄波束跟随目标终端进行调节，覆盖目标更精准，对其他终端的干扰更低。此外，由于天线数目远大于UE数目，因此系统空间自由度较高、抗干扰能力更强。

2 Massive MIMO应用分析

实际工程中，Massive MIMO的应用常与场景化联系一起。5G Massive MIMO不同于传统的固定波束方式，其窄波束可在水平和垂直方向进行调节。对于不同的水平波瓣、垂直波瓣、下倾角等参数的组合将对应一种Pattern，根据天线设备的不同，5G Massive MIMO也对应多种Pattern，这也是场景化定制的原因[1]。例如广场场景追求更宽广的覆盖，可选择水平波瓣宽度大的Pattern类型；而高楼场景追求垂直方向上的更大覆盖，则可选择垂直波瓣宽度大的Pattern类型。

2.1 场景特点分析

不同覆盖场景具有不同特点，这就要求在通信建设中因地制宜，采用多样化的手段来满足网络覆盖需求。5G Massive MIMO工程应用中，Pattern的选择是一项重要工作，需要根据覆盖场景合理分析覆盖目标、场景特点等，合理规划方位角、下倾角、水平波瓣宽度以及垂直波瓣宽度等[2]。

2.2 水平及垂直波瓣宽度测算

为了选择最适配场景的Pattern以达到更好的覆盖效果，需要结合覆盖场景、基站位置等因素对Pattern相关参数进行规划。工程中可结合覆盖目标高度、宽度、基站距目标物距离以及天线挂高等参数进行测算，方法如图1和图2所示。

图1 水平波瓣宽度测算方法

图2 垂直波瓣宽度测算方法

通过对上述相关参数进行测量，则可较准确计算出覆盖场景理想的水平和垂直波瓣宽度，为下一步确定Pattern模式奠定基础。

2.3 Pattern模式选择

确定好Pattern相关参数后，结合设备类型提供可选择的Pattern模式，确定最适合覆盖场景的模式，详见表1。

表1 Pattern模式

3 实例分析

通过一个工程实例分析如何选择5G Massive MIMO 中Pattern，验证其对网络覆盖效果的改善情况。

3.1 方案描述

覆盖目标恒基凯旋门为砖混结构高层居民楼，经现场勘察楼高约105 m、楼宽约65 m、基站距覆盖目标约180 m且天线挂高约30 m。当前MIMO配置为典型方式（Pattern 0），经测试建筑物内覆盖效果不佳，室内深度覆盖不足。覆盖环境如图3所示。

图3 覆盖环境

典型MIMO配置适合广覆盖场景，此处覆盖目标为高层建筑，典型配置未能达到最佳覆盖效果。根据测算，水平波瓣宽度约为20°，垂直波瓣宽度约32°。该基站采用华为64T64R设备，设备提供的Pattern模式如表1所示。

结合上述对水平及垂直波瓣宽度测算情况，选择Pattern 14较合适。

3.2 方案验证

经对高、中、低楼层窗口、走廊及电梯进行定点测试，典型配置（Pattern 0）与优化模式（Pattern 14）下的定点测试结果如表2所示。

表2 定点测试结果

经统计，测试楼层的整体情况如表3所示。

表3 测试楼层的整体情况

从以上测试可知，Pattern14下SS-RSRP和SSSINR指标都优于典型配置，网络覆盖得到增强，上行和下行速率也有显著提升，网络感知更好。综上，合理利用Massive MIMO可提升用户感知，工程建设与优化中应加强对相关参数的规划，因地制宜选择合适的Pattern，使5G网络覆盖更好，体验更优[3-5]。