5G來臨 對(duì)于Massive MIMO的優(yōu)化思路探討

1、Massive MIMO的產(chǎn)生背景與影響

不斷提高空中接口吞吐率，是移動(dòng)通信無線技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力和目標(biāo)。5G下行峰值速率將達(dá)到20 Gbit/s，下行用戶體驗(yàn)速率將達(dá)到100 Mbit/s，并且需要提供相對(duì)于LTE 20倍的小區(qū)容量和十分之一的空口時(shí)延。為了解決5G在峰值速率以及系統(tǒng)容量方面的挑戰(zhàn)，需要從各個(gè)方面對(duì)技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)，而Massive MIMO就是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它使用大規(guī)模陣列天線，增強(qiáng)了空間維度的解析能力和使用效率。與傳統(tǒng)的天線相比，Massive MIMO的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

a） 通信容量提升。Massive MIMO具備波束空間復(fù)用的特性，充分利用空分的維度降低了不同終端之間的信道相關(guān)性，增強(qiáng)了多用戶MIMO技術(shù)，極大地提升了頻譜效率。下行通過MU-BF（Multi-user beamforming）技術(shù)，將多個(gè)用戶進(jìn)行并發(fā)配對(duì)。和LTE的8T8R相比，理論容量可以提升5~8倍；上行通過MU-MIMO技術(shù)，將多個(gè)用戶進(jìn)行配對(duì)調(diào)度，和8T8R相比，理論容量可以提升4~6倍。

b） 覆蓋能力提升。5G使用毫米波等高頻頻段進(jìn)行部署。在高頻場景下，無線電波衍射能力下降，穿透損耗大大增加，而Massive MIMO能夠生成高增益、可調(diào)節(jié)的賦形波束，從而明顯改善信號(hào)覆蓋。在5G通信中，廣播信道采用窄波束發(fā)射，廣播波束賦型是5G相對(duì)于4G的一個(gè)重大改變，通過多個(gè)窄波束取代原有的寬波束，可以很好地增強(qiáng)廣播信道的覆蓋能力。在同等水平波寬的情況下，8T8R垂直波寬為6.5°，Massive MIMO可以定制垂直波寬，最大垂直波寬達(dá)35°，波寬提升5.3倍，高樓覆蓋水平可以提升9~15 dB。圖1表述了Massive MIMO與4G系統(tǒng)的8T8R垂直覆蓋能力的差異。

圖1、Massive MIMO與4G系統(tǒng)的8T8R垂直覆蓋能力

c） 抗干擾能力提升。自適應(yīng)三維波束賦形可以有效對(duì)抗下行干擾。4G系統(tǒng)的波束賦形，波束只能在水平方向跟隨目標(biāo)終端調(diào)整方向，開通3D-BF（三維波束賦形）特性后，窄波束在水平方向和垂直方向都能隨著目標(biāo)終端的位置進(jìn)行調(diào)整，始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)終端，從而使目標(biāo)終端獲得更好的覆蓋，且波束較窄，可以降低干擾。同時(shí)，上行波束跟蹤可以降低上行干擾。UE在移動(dòng)過程中，根據(jù)下行廣播波束的變化，gNB 可以同時(shí)調(diào)整上行的波束，實(shí)現(xiàn)上行波束跟蹤，可以有效降低上行干擾。

2、Massive MIMO的關(guān)鍵技術(shù)流程

Massive MIMO 相對(duì)于傳統(tǒng)MIMO能夠有效提升性能的硬件基礎(chǔ)就是大規(guī)模陣列天線。其主要原理是基于相控陣天線，相控陣天線通過控制陣列天線中輻射單元的饋電線位來改變方向圖形狀，其突出優(yōu)點(diǎn)是增益高，能夠準(zhǔn)確控制波束方向，波束無慣性，并且能夠在覆蓋范圍內(nèi)同時(shí)跟蹤多個(gè)用戶。下面討論一下Massive MIMO的2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 波束賦形

射頻信號(hào)經(jīng)過基站加權(quán)后，形成了指向終端的窄帶波束，這就是波束賦形（簡稱BF）。NR Sub6G多天線下行各信道默認(rèn)支持自適應(yīng)三維波束賦形，窄波束在水平方向和垂直方向都能隨著目標(biāo)終端的位置進(jìn)行調(diào)整以形成更窄的波束，精準(zhǔn)地指向用戶，提升覆蓋性能。

波束賦形的關(guān)鍵流程中，首先考慮自由空間中電磁波的遠(yuǎn)場輻射情況。如果能夠根據(jù)信道條件適當(dāng)?shù)乜刂泼總€(gè)陣元的加權(quán)系數(shù)，就能在增強(qiáng)期望方向信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能降低對(duì)非期望方向的干擾。從原理上分析，振元的數(shù)量越多，波束的方向性就能做到越精確（見圖2）。

圖2、天線陣元的增多可以加強(qiáng)波束賦形定向窄波束的性能

權(quán)值計(jì)算是5G Massive MIMO充分發(fā)揮作用的關(guān)鍵步驟，是指gNodeB基于下行信道特征計(jì)算出一個(gè)向量，用于改變波束形狀和方向。計(jì)算權(quán)值的關(guān)鍵輸入是獲取下行信道特征，有2種不同的獲取下行信道特征的方法。

a）gNodeB通過獲取UE上行信道的探測參考信號(hào)（SRS），根據(jù)互易性原理計(jì)算出對(duì)應(yīng)下行信道的特征并計(jì)算Massive MIMO的權(quán)值。

b）gNodeB基于UE上行反饋的預(yù)編碼矩陣指示（PMI）選擇最佳的權(quán)值。

相對(duì)于SRS賦權(quán)，PMI賦權(quán)可以提升小區(qū)邊緣的權(quán)值計(jì)算準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升邊緣用戶的速率，后續(xù)測試分析也會(huì)進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論。

加權(quán)是指gNodeB計(jì)算出權(quán)值后，將權(quán)值與待發(fā)射的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量相乘，從而達(dá)到調(diào)整波束的寬度和方向的目的。

Massive MIMO天線波束分為靜態(tài)波束和動(dòng)態(tài)波束，基于SRS加權(quán)或PMI加權(quán)獲得的波束一般稱為動(dòng)態(tài)波束。SS Block及PDCCH中小區(qū)級(jí)數(shù)據(jù)、CSI-RS采用小區(qū)級(jí)靜態(tài)波束，采用時(shí)分掃描的方式；PDSCH中用戶數(shù)據(jù)采用用戶級(jí)動(dòng)態(tài)波束，根據(jù)用戶的信道環(huán)境實(shí)時(shí)賦形。圖3示意了依據(jù)SRS或者PMI對(duì)5G Massive MIMO進(jìn)行賦權(quán)的流程。

圖3、依據(jù)SRS或者PMI對(duì)5G Massive MIMO進(jìn)行賦權(quán)的流程示意圖

2.2 多流傳輸

Massive MIMO技術(shù)除了波束賦形是關(guān)鍵技術(shù)之外，為了提高用戶傳輸速率，多流傳輸技術(shù)也必不可少。

a） 下行用戶多流傳輸。Massive MIMO技術(shù)支持單用戶在下行同時(shí)支持多流數(shù)據(jù)傳輸，單用戶最大下行數(shù)據(jù)流數(shù)取決于gNodeB發(fā)射天線數(shù)和終端接收天線數(shù)中的相對(duì)較小值。如圖4所示，單用戶下行在gNodeB 64T64R的情況下，2T4R的UE下行最大可同時(shí)支持4流的數(shù)據(jù)傳輸。

圖4、單用戶下行多流示意圖

b） 上行用戶多流傳輸。Massive MIMO技術(shù)支持單用戶在上行同時(shí)支持多流數(shù)據(jù)傳輸，單用戶最大上行數(shù)據(jù)流數(shù)取決于gNodeB接收天線數(shù)和UE發(fā)射天線數(shù)中的相對(duì)較小值。如圖5所示，單用戶上行在gNodeB 64T64R的情況下，2T4R的UE上行最大可同時(shí)支持2流的數(shù)據(jù)傳輸。

圖5、單用戶上行多流示意圖

3、Pre-5G多天線與5G Massive MIMO聯(lián)系與區(qū)別

本文中的Pre-5G多天線技術(shù)主要是指LTE FDD、TD-LTE系統(tǒng)中應(yīng)用的多天線技術(shù)，比如TD-LTE部署的8T8R技術(shù)，以及在部分城市得到部署的LTE FDD的16T16R或者32T32R技術(shù)。后續(xù)將對(duì)比Pre-5G多天線與5G Massive MIMO聯(lián)系與區(qū)別，以更好地理解多天線技術(shù)的特點(diǎn)，為將要研討的測試分析和優(yōu)化思路提供參考。

3.1 5G NR與LTE廣播機(jī)制的異同點(diǎn)

4G廣播信道無完備的波束賦形方案，在普通覆蓋場景，廣播信道覆蓋弱于業(yè)務(wù)信道，未能充分發(fā)揮MIMO天線的增益。在高樓覆蓋場景，水平面無法完全覆蓋一個(gè)小區(qū)。

5G NR改進(jìn)了LTE時(shí)期基于寬波束的廣播機(jī)制，采用窄波束輪詢掃描覆蓋整個(gè)小區(qū)的機(jī)制。SSB的時(shí)頻配置相當(dāng)靈活，即可以通過波束協(xié)調(diào)來配置各小區(qū)SSB時(shí)頻域位置保持相同，也可以設(shè)置各小區(qū)SSB隨機(jī)發(fā)送，同時(shí)針對(duì)不同的覆蓋場景也可以采用不同的波束數(shù)。因此可以根據(jù)不同場景配置不同的廣播波束，以匹配多種多樣的覆蓋場景，比如樓宇場景、廣場場景等。

3.2 5G NR與LTE覆蓋評(píng)價(jià)的異同點(diǎn)

4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)可以使用類似鄰區(qū)50%負(fù)荷下小區(qū)特定參考信號(hào)接收功率（CRS-RSRP）、小區(qū)特定參考信號(hào)信干噪比（CRS-SINR）達(dá)到一定水平來衡量。而5G NR定義了輔同步信號(hào)（SSS）/信道質(zhì)量指示參考信號(hào)（CSI-RS）替代了小區(qū)特定參考信號(hào)（CRS），但是CSI-RSCP/CSI-SINR只有連接態(tài)才可以得到，于是可考慮采用SSS評(píng)價(jià)5G覆蓋。需要注意的是SSB時(shí)域和頻域配置會(huì)影響SINR，廣播波束數(shù)會(huì)影響RSRP，因此還需要進(jìn)一步驗(yàn)證覆蓋的評(píng)價(jià)方式和產(chǎn)生的影響。

3.3 5G NR并發(fā)流數(shù)遠(yuǎn)高于4G

LTE TM9的解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）端口數(shù)為8，5G NR的DMRS端口數(shù)增加到32，用于控制信道和數(shù)據(jù)信道的相關(guān)解調(diào)。5G NR的DMRS正交端口數(shù)遠(yuǎn)多于LTE，小區(qū)支持單用戶或者多用戶的MIMO，可實(shí)現(xiàn)下行24流、上行12流。

3.4 5G借助Massive MIMO有效降低干擾

前文已經(jīng)介紹，5G Massive MIMO具有較多的天線單元，為干擾控制提供更多選擇，從而實(shí)現(xiàn)更好效果。5G Massive MIMO引入更多天線陣子，陣子數(shù)越多，波束越窄，可實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向2個(gè)維度針對(duì)用戶的精準(zhǔn)跟蹤，降低來自其他用戶的干擾。NR下行控制信道通過時(shí)域/頻域的靈活配置，降低干擾；上行多通道相比LTE 8T8R的抗干擾能力也有所提升。表1是LTE和NR各個(gè)信道的波束配置對(duì)比情況，可以看到NR的波束掃描和賦形已經(jīng)應(yīng)用到了多數(shù)信道。

表1、LTE和NR各個(gè)信道的波束配置對(duì)比

4、廣播波束配置及小區(qū)性能分析

4.1 系統(tǒng)配置與場景設(shè)計(jì)

下面將結(jié)合具體測試結(jié)果，分析廣播波束的部署與優(yōu)化原則。測試中5G系統(tǒng)的關(guān)鍵配置信息如表2所示。

表2、5G測試配置情況

考慮到Massive MIMO具備場景化立體波束的覆蓋能力，設(shè)計(jì)水平方向覆蓋能力驗(yàn)證和垂直方向覆蓋能力驗(yàn)證2種場景：水平方向覆蓋能力從近乎垂直的2條道路進(jìn)行路測分析；垂直方向覆蓋能力選取5G小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)一棟居民樓的12層進(jìn)行驗(yàn)證分析。

4.2 測試結(jié)果與分析

表3為選取幾種主要的波束配置條件下，水平方向路面測試的情況。

表3、不同廣播波束配置條件下水平方向路面性能

表4為幾種典型波束配置情況下，在居民樓高層位置測試的結(jié)果。

表4、不同廣播波束配置條件下垂直方向覆蓋情況

對(duì)表3和表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以得到以下部署和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

a） 波束配置1的特點(diǎn)是遠(yuǎn)點(diǎn)增益較高，可以同時(shí)保證近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)用戶的較好性能，比較適合城區(qū)室外連續(xù)覆蓋組網(wǎng)的需求。

b） 波束配置2的特點(diǎn)是水平覆蓋范圍有限，遠(yuǎn)點(diǎn)的覆蓋性能較差；但是該配置的系統(tǒng)開銷較低，用戶近點(diǎn)下行峰值速率較高，適合于精準(zhǔn)覆蓋感知需求較高的競爭力區(qū)域。

c） 波束配置3的特點(diǎn)是垂直面提供了較好的覆蓋能力，但是水平波束增益下降。規(guī)劃階段不宜使用，建議作為優(yōu)化手段使用，適合于城鎮(zhèn)環(huán)境水平和垂直都有覆蓋需求的場景。

d） 波束配置4的特點(diǎn)是水平面提供了更遠(yuǎn)的覆蓋能力；相對(duì)于配置1，垂直面波束寬度更窄，提高了單波束增益。適用于遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋要求較高的場景，建議作為水平方向覆蓋的優(yōu)化技術(shù)手段使用。

e） 波束配置5的特點(diǎn)是水平覆蓋范圍較小，但垂直覆蓋范圍更大。適用于水平方向沒有很大角度擴(kuò)展要求，但是垂直面有較大角度擴(kuò)展要求的場景，建議作為垂直方向覆蓋的優(yōu)化技術(shù)手段使用。

f） 波束配置6的特點(diǎn)是水平方向波束較窄，強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)水平方向的遠(yuǎn)距離覆蓋能力以及增強(qiáng)垂直方向大角度擴(kuò)展的覆蓋能力。適用于高層寫字樓或者是居民樓的深度覆蓋場景。

5、業(yè)務(wù)波束配置及小區(qū)性能分析

5.1 系統(tǒng)配置方案

Massive MIMO可以選擇對(duì)業(yè)務(wù)信道的波束進(jìn)行動(dòng)態(tài)賦權(quán)，也可以選擇固定基于SRS賦權(quán)或者固定使用PMI賦權(quán)。

動(dòng)態(tài)賦權(quán)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案是，當(dāng)用戶上行SNR較大時(shí)，基于SRS計(jì)算波束賦形的權(quán)值；在SNR較小時(shí)，基于PMI計(jì)算波束賦形的權(quán)值。相對(duì)于SRS賦權(quán)，遠(yuǎn)點(diǎn)基于PMI賦權(quán)可以提升權(quán)值準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升邊緣用戶的速率。如圖6所示，SRS SNR大于ThSRS，基于SRS賦權(quán)；SRS SNR小于ThPMI，基于PMI賦權(quán)。當(dāng)用戶的SRS SNR在ThSRS和ThPMI之間時(shí)，該用戶權(quán)保持不變。各個(gè)閾值發(fā)生作用的區(qū)間如圖6所示。

圖6、Massive MIMO動(dòng)態(tài)賦權(quán)閾值示意圖

5.2 測試結(jié)果與分析

表5是針對(duì)業(yè)務(wù)波束的不同配置驗(yàn)證測試結(jié)果。

表5、不同業(yè)務(wù)波束配置條件下水平方向路面性能

由表5測試結(jié)果結(jié)合系統(tǒng)原理，可以得到以下結(jié)論。

a） 固定使用PMI賦權(quán)的特點(diǎn)是小區(qū)近點(diǎn)及遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋性能均為良好，但是同時(shí)覆蓋半徑比場景1要大，說明垂直方向的增益比場景1高，適用于高樓覆蓋場景。

b） 固定使用SRS賦權(quán)的特點(diǎn)是近端用戶體驗(yàn)較好，遠(yuǎn)端用戶體驗(yàn)較差，業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)波束覆蓋范圍受限。

c） 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)賦權(quán)的特點(diǎn)是小區(qū)近點(diǎn)及遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋性能良好，覆蓋半徑較長，業(yè)務(wù)速率保持平穩(wěn)，可以保證較好的用戶體驗(yàn)。