5G來臨 對于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，是移動通信無線技術發(fā)展的動力和目標。5G下行峰值速率將達到20 Gbit/s，下行用戶體驗速率將達到100 Mbit/s，并且需要提供相對于LTE 20倍的小區(qū)容量和十分之一的空口時延。為了解決5G在峰值速率以及系統(tǒng)容量方面的挑戰(zhàn)，需要從各個方面對技術進行增強，而Massive MIMO就是其中的關鍵技術之一，它使用大規(guī)模陣列天線，增強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個方面。

a） 通信容量提升。Massive MIMO具備波束空間復用的特性，充分利用空分的維度降低了不同終端之間的信道相關性，增強了多用戶MIMO技術，極大地提升了頻譜效率。下行通過MU-BF（Multi-user beamforming）技術，將多個用戶進行并發(fā)配對。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，將多個用戶進行配對調(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相對于4G的一個重大改變，通過多個窄波束取代原有的寬波束，可以很好地增強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。自適應三維波束賦形可以有效對抗下行干擾。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終端的位置進行調(diào)整，始終對準目標終端，從而使目標終端獲得更好的覆蓋，且波束較窄，可以降低干擾。同時，上行波束跟蹤可以降低上行干擾。UE在移動過程中，根據(jù)下行廣播波束的變化，gNB 可以同時調(diào)整上行的波束，實現(xiàn)上行波束跟蹤，可以有效降低上行干擾。

2、Massive MIMO的關鍵技術流程

Massive MIMO 相對于傳統(tǒng)MIMO能夠有效提升性能的硬件基礎就是大規(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)點是增益高，能夠準確控制波束方向，波束無慣性，并且能夠在覆蓋范圍內(nèi)同時跟蹤多個用戶。下面討論一下Massive MIMO的2個關鍵技術。

2.1 波束賦形

射頻信號經(jīng)過基站加權后，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支持自適應三維波束賦形，窄波束在水平方向和垂直方向都能隨著目標終端的位置進行調(diào)整以形成更窄的波束，精準地指向用戶，提升覆蓋性能。

波束賦形的關鍵流程中，首先考慮自由空間中電磁波的遠場輻射情況。如果能夠根據(jù)信道條件適當?shù)乜刂泼總€陣元的加權系數(shù)，就能在增強期望方向信號強度的同時，盡可能降低對非期望方向的干擾。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波束賦形定向窄波束的性能

權值計算是5G Massive MIMO充分發(fā)揮作用的關鍵步驟，是指gNodeB基于下行信道特征計算出一個向量，用于改變波束形狀和方向。計算權值的關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（SRS），根據(jù)互易性原理計算出對應下行信道的特征并計算Massive MIMO的權值。

b）gNodeB基于UE上行反饋的預編碼矩陣指示（PMI）選擇最佳的權值。

相對于SRS賦權，PMI賦權可以提升小區(qū)邊緣的權值計算準確性，進而提升邊緣用戶的速率，后續(xù)測試分析也會進一步驗證這一結論。

加權是指gNodeB計算出權值后，將權值與待發(fā)射的數(shù)據(jù)進行矢量相乘，從而達到調(diào)整波束的寬度和方向的目的。

Massive MIMO天線波束分為靜態(tài)波束和動態(tài)波束，基于SRS加權或PMI加權獲得的波束一般稱為動態(tài)波束。SS Block及PDCCH中小區(qū)級數(shù)據(jù)、CSI-RS采用小區(qū)級靜態(tài)波束，采用時分掃描的方式；PDSCH中用戶數(shù)據(jù)采用用戶級動態(tài)波束，根據(jù)用戶的信道環(huán)境實時賦形。圖3示意了依據(jù)SRS或者PMI對5G Massive MIMO進行賦權的流程。

圖3、依據(jù)SRS或者PMI對5G Massive MIMO進行賦權的流程示意圖

2.2 多流傳輸

Massive MIMO技術除了波束賦形是關鍵技術之外，為了提高用戶傳輸速率，多流傳輸技術也必不可少。

a） 下行用戶多流傳輸。Massive MIMO技術支持單用戶在下行同時支持多流數(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技術支持單用戶在上行同時支持多流數(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多天線技術主要是指LTE FDD、TD-LTE系統(tǒng)中應用的多天線技術，比如TD-LTE部署的8T8R技術，以及在部分城市得到部署的LTE FDD的16T16R或者32T32R技術。后續(xù)將對比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的特點，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廣播機制的異同點

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小區(qū)。

5G NR改進了LTE時期基于寬波束的廣播機制，采用窄波束輪詢掃描覆蓋整個小區(qū)的機制。SSB的時頻配置相當靈活，即可以通過波束協(xié)調(diào)來配置各小區(qū)SSB時頻域位置保持相同，也可以設置各小區(qū)SSB隨機發(fā)送，同時針對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覆蓋評價的異同點

4G網(wǎng)絡覆蓋標準可以使用類似鄰區(qū)50%負荷下小區(qū)特定參考信號接收功率（CRS-RSRP）、小區(qū)特定參考信號信干噪比（CRS-SINR）達到一定水平來衡量。而5G NR定義了輔同步信號（SSS）/信道質(zhì)量指示參考信號（CSI-RS）替代了小區(qū)特定參考信號（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評價5G覆蓋。需要注意的是SSB時域和頻域配置會影響SINR，廣播波束數(shù)會影響RSRP，因此還需要進一步驗證覆蓋的評價方式和產(chǎn)生的影響。

3.3 5G NR并發(fā)流數(shù)遠高于4G

LTE TM9的解調(diào)參考信號（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)信道的相關解調(diào)。5G NR的DMRS正交端口數(shù)遠多于LTE，小區(qū)支持單用戶或者多用戶的MIMO，可實現(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，可實現(xiàn)水平方向和垂直方向2個維度針對用戶的精準跟蹤，降低來自其他用戶的干擾。NR下行控制信道通過時域/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各個信道的波束配置對比情況，可以看到NR的波束掃描和賦形已經(jīng)應用到了多數(shù)信道。

表1、LTE和NR各個信道的波束配置對比

4、廣播波束配置及小區(qū)性能分析

4.1 系統(tǒng)配置與場景設計

下面將結合具體測試結果，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，設計水平方向覆蓋能力驗證和垂直方向覆蓋能力驗證2種場景：水平方向覆蓋能力從近乎垂直的2條道路進行路測分析；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層進行驗證分析。

4.2 測試結果與分析

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果。

表4、不同廣播波束配置條件下垂直方向覆蓋情況

對表3和表4的數(shù)據(jù)進行綜合分析，可以得到以下部署和優(yōu)化經(jīng)驗。

a） 波束配置1的特點是遠點增益較高，可以同時保證近點和遠點用戶的較好性能，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的特點是水平覆蓋范圍有限，遠點的覆蓋性能較差；但是該配置的系統(tǒng)開銷較低，用戶近點下行峰值速率較高，適合于精準覆蓋感知需求較高的競爭力區(qū)域。

c） 波束配置3的特點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的特點是水平面提供了更遠的覆蓋能力；相對于配置1，垂直面波束寬度更窄，提高了單波束增益。適用于遠點覆蓋要求較高的場景，建議作為水平方向覆蓋的優(yōu)化技術手段使用。

e） 波束配置5的特點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展要求，但是垂直面有較大角度擴展要求的場景，建議作為垂直方向覆蓋的優(yōu)化技術手段使用。

f） 波束配置6的特點是水平方向波束較窄，強調(diào)增強水平方向的遠距離覆蓋能力以及增強垂直方向大角度擴展的覆蓋能力。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可以選擇對業(yè)務信道的波束進行動態(tài)賦權，也可以選擇固定基于SRS賦權或者固定使用PMI賦權。

動態(tài)賦權的技術實現(xiàn)方案是，當用戶上行SNR較大時，基于SRS計算波束賦形的權值；在SNR較小時，基于PMI計算波束賦形的權值。相對于SRS賦權，遠點基于PMI賦權可以提升權值準確性，進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；SRS SNR小于ThPMI，基于PMI賦權。當用戶的SRS SNR在ThSRS和ThPMI之間時，該用戶權保持不變。各個閾值發(fā)生作用的區(qū)間如圖6所示。

圖6、Massive MIMO動態(tài)賦權閾值示意圖

5.2 測試結果與分析

表5是針對業(yè)務波束的不同配置驗證測試結果。

表5、不同業(yè)務波束配置條件下水平方向路面性能

由表5測試結果結合系統(tǒng)原理，可以得到以下結論。

a） 固定使用PMI賦權的特點是小區(qū)近點及遠點覆蓋性能均為良好，但是同時覆蓋半徑比場景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賦權的特點是近端用戶體驗較好，遠端用戶體驗較差，業(yè)務動態(tài)波束覆蓋范圍受限。

c） 自適應動態(tài)賦權的特點是小區(qū)近點及遠點覆蓋性能良好，覆蓋半徑較長，業(yè)務速率保持平穩(wěn)，可以保證較好的用戶體驗。