Massive MIMO技术4G化应用研究

陈勇辉，汪玉琳，陈其铭

(1中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司，广州 510623；2 中国移动通信集团广东有限公司，广州 510623)

1 背景

随着中国移动4G网络覆盖的完善，4G用户正快速增长，从互联网热门视频网站的资源来看，720 P及以上分辨率的视频资源已经逐步成为主流；从终端市场来看，1080 P的分辨率是中端机型基本配置、高端智能机中2K屏也已在普及；随着大流量大视频的到来，4G网络核心热点区域的容量压力将进一步加剧。与此同时，中国移动缺乏优质的低频段频率资源来改善深度覆盖，F频段在负责深度覆盖的时候会带来边缘用户占用大量的码资源，而F频段仅30 MHz的频率资源将很快到达瓶颈，导致网络质量、速率受到明显影响。为了应对网络即将面临的挑战，需要研究在近中期能尽可能兼容现有终端和网络，能充分利用已有站址和频率等资源，大幅提升网络容量的新技术。

2 Massive MIMO技术

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量；它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量。根据空时映射方法的不同，MIMO技术大致可以分为两类：空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。空间复用技术是将要传送的数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。

Massive MIMO（大规模MIMO）基站配置大量的天线数目通常有几十、几百甚至几千根，是现有MIMO系统天线数目的1-2个数量级以上，是下一代移动蜂窝网通信（5G）中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。Massive MIMO显著提高了系统的空间分辨率，能够深度挖掘空间维度资源、提升频谱资源在多个用户之间的复用能力；它可以形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，构建高效通信系统；当基站天线数目远大于UE数目时， 系统具有很高的空间自由度、抗干扰能力，提高了系统的鲁棒性能。

Massive MIMO技术的4G化应用中，需要考虑与现网已有设备、终端的兼容性，目前的4G系统，由于工作在较低频段，难以在终端中大幅增加天线数量，从而导致终端峰值速率提升能力受限；主要是通过空间分集、空间复用和波束赋形等技术，重点挖掘增强基站覆盖、提升基站容量（吞吐量）和提高服务质量（服务用户的速率，尤其是边缘用户）等方面的能力。

（1） 下行精准波束赋形：波束赋形是利用空间信道的强相关性以及波的干涉技术，通过调整天线阵元的输出，从而产生强方向性的辐射方向图并将其主瓣指向终端，从而提高接收信噪比、减小干扰，增加系统的吞吐量和覆盖范围。Massive MIMO通过大规模的天线系统，让波束宽度更窄、下行业务赋型能量更为集中、干扰更小，空分能力更强。

（2） 上行增强接收分集：上行使用更多接收天线，可提供更多上行接收信号样本，进行更精确的信道估计，从而提升接收机性能和抗干扰能力。通过高阶空域滤波，精确估计上行空间信道，通过选择最优的合并权值，提升用户信号信噪比，增强接收性能。

（3） 波束三维可调：通过大规模天线振子的应用，除在水平方向外，在垂直方向上也分为多个通道进行赋形处理，从而同时具备水平和垂直方向的波束调节能力，通过更多的空分维度和多流技术，同时服务更多用户、提升频谱效率和小区吞吐量。

3 Massive MIMO技术的4G化应用情况

3.1 标准进度及模式对比

LTE网络从一开始的R8版本就引入MIMO技术并不断增强，在R12版本完成了Massive MIMO技术的信道建模，并计划在R13、R14版本完成技术方案研究、评估和标准化工作。Massive MIMO由于天线端口非常多，基站整站或射频部分（RRU+天线）需上移到天线合成一体进行构建，由于以下原因，Massive MIMO在TD-LTE的应用大幅领先于FDD LTE。

（1） 由于TDD制式设备射频部分不需双工器，故设备尺寸可以比FDD制式做得更小，便于站点实现和商用。

（2） FDD LTE的Massive MIMO实现存在无源交调问题，技术上有瓶颈。

（3） TD-LTE的Massive MIMO实现不需要制定新的协议支持，FDD LTE却需要并增加20%的导频开销。

（4） TD-LTE的终端无需改动，FDD LTE的终端需要支持新的协议增加测量处理资源、老终端无法支持。

TD-LTE在实现Massive MIMO上，通过发挥制式及信道互易性优势，可降低产业链综合成本30%以上，国内领先的华为、中兴等设备厂家，已经率先完成了TD-LTE制式下Massive MIMO样机的生产并开展了外场测试。

3.2 产品情况

由于Massive MIMO采用了大规模天线技术，传统的RRU、天线分离的产品形式基本不可行；从目前不同厂家的产品实现来看，既有采用BBU+RRU+天线整站集成一体的形式，也有RRU+天线射频部分一体、BBU与射频部分分离的形式；产品（需外挂桅杆高处部分）体积比传统FAD天线大超过50%、重量达到FAD天线的3倍以上；虽然部分厂家设备支持60MHz带宽，但目前样机均只支持单载波；多天线方面基本实现了64T64R或128T128R。表1为不同厂家Massive MIMO设备及与传统宏站对比。

3.3 试点测试效果

根据Massive MIMO不同天线数对性能影响的理论分析，128T128R对比64T64R所能带来的性能提升相对有限；根据某室外测试场景（加扰50%）对128T128R、64T64R和8T8R的吞吐量对比测试：下行128T128R相对64T64R增益约15%，相对8T8R增益约476%，上行128T128R相对64T64R几乎没有增益，相对8T8R增益116%；可见，相比128T128R，64T64R的Massive MIMO产品可获得大部分增益。

表1 不同厂家Massive MIMO设备及与传统宏站对比

下面通过对Massive MIMO（64T64R、20 MHz）产品在不同场景、相同环境下与传统8天线（8T8R、20 MHz）宏站小区的试点测试效果进行对比分析。

3.3.1 广覆盖单UE定点上下行测试

在广覆盖单UE定点覆盖性能测试中，Ma MIMO相比8天线宏站小区：近点（RSRP＞-90的下行平均增益为1%，上行平均增益0.76点（-110 dBm＜RSRP＜-90 dBm）的下行平均为38.9% ，上行平均增益为120.1%；远点（RSRP＜-110 dBm）的下行平均增益为142.1%，上行平均增益为356.8%；可见Massive MIMO在中、远点能带来较高的性能增益。

3.3.2 广覆盖单UE移动上下行测试

在广覆盖UE低速移动（车速小于30 km/h）的测试场景中，Massive MIMO相比8天线宏站小区上下行覆盖基本一致，速率均有所提升：下行速率均值达到40.5 Mbit/s、提升15%，下行速率低于5 Mbit/s测试点仅4%、占比少11%；上行速率均值达到提升30%、上行速率低于2 Mbit/s的测试点仅5%、占比少10%，性能提升明显。

3.3.3 广覆盖多UE场景下的容量测试

广覆盖多UE均匀分布场景（8个UE近中远2/4/2分布）的容量测试中，Massive MIMO相比8天线宏站小区，下行吞吐量增长4倍、上行吞吐量增长1.7倍；多UE集中分布场景（8用户分2组、分布在两个中点），Massive MIMO相比8天线宏站，下行吞吐量增长1.3倍、上行吞吐量增长1.5倍；可见在UE分散的情况下Massive MIMO能获得更高的性能增益。

3.3.4 建筑覆盖场景测试

在建筑覆盖场景的测试中，为充分验证Massive MIMO的性能，在高楼密集区域选择高、宽、深度合楼宇，这样周边干扰易被楼宇隔离、无线多径丰散、空间相干性低，测试中小区吞吐量平均达到bit/s，是8天线宏站小区峰值吞吐量的5.9倍。位于楼宇深处的测试中，Massive MIMO上行吞吐量约3 Mbit/s，达到8T8R覆盖下速率的17倍，上行覆盖能力显著提升。

从上述试点测试情况可见，Massive MIMO显示出了精准的下行波束赋形能力，很好的上行解调能力和用户分辨率，波束三维可调大幅提升小区容量和频谱效率；对于好点（信道质量高）的UE性能提升较低，对位于中点、远点（边缘）的用户感知提升较大；在UE分散的情况下，有利于三维波束赋形和用户区分，可充分发挥Massive MIMO的优势。

4 存在问题及解决措施

虽然Massive MIMO在4G化的应用测试中显示出优越的性能，但目前的技术和产品实现仍然存在不少问题，部分技术问题影响了性能的提升，部分产品问题影响了可商用能力，也有部分产业链等的问题影响了设备造价等。

4.1 基站架构

目前不同厂家的产品实现中，既有BBU独立、RRU与天线一体的分布式架构，也有BBU、RRU和天线三者集成的一体化架构，如表2所示，总体上分布式架构在组网灵活性、资源协同、维护、标准演进等方面比较具有优势，是Massive MIMO基站未来的优选架构。

4.2 信道功率和控制资源不足

受限于天馈部分安装尺寸要求，Massive MIMO天线增益低于现网8T8R天线，由于广播信道、控制信道不支持波束赋形，Massive MIMO基站覆盖成为瓶颈，在采用D频段、相同发射功率的现网8T8R设备和Massive MIMO设备对比中，不考虑波束赋形增益的情况下， Massive MIMO广播、控制信道覆盖落后0.7 dB；控制信道覆盖差带来的直接后果是CCE高聚集级别的占比提升，在Massive MIMO基站多层复用、单TTI调度用户数增加的背景下，将导致PDCCH调度资源快速受限；若要增加Massive MIMO基站覆盖能力以及匹配业务信道覆盖，同时提升深度覆盖控制信道解调能力，需要加大输出功率和自适应广播覆盖波束来适配增强不同场景下的控制信道覆盖。

4.3 其它问题

（1）随着天线数量的增加，基站效率、容量进一步优化提升，同时基带复杂度亦成指数增长，64T64R相比8T8R的基带处理复杂度增加了近15倍，限制了产品能力、提升了产品造价。

（2）在采用分布式架构时，20MHz、64T64R的Massive MIMO扇区，BBU与射频单元之间的CPRI接口带宽需求接近60 Gbit/s，考虑到未来多载波和大带宽支持，除了需要配置100 Gbit/s光模块，还需要对CPRI信号进行压缩以提升带宽利用率。

（3）Massive MIMO多天线的特点需要采用大量小型化功放器件，但目前产业链积累不够，功放效率低、有待进一步提升。

（4）受器件性能影响，目前各厂家提供的测试样机均只支持单载波，产品体积和重量大，发射功率低、集成度低，仍有较大优化提升空间。

（5）Massive MIMO业务波束增益高，小区边缘波束碰撞干扰强烈，成片规模组网、扇区间协同、站间协同等有待进一步验证和提升。

5 总结

通过本文的研究可见，4G网络通过采用Massive MIMO技术，既能与现有网络、终端兼容，又能通过下行精准波束赋形、上行增强接收分集和波束三维可调等关键技术，大幅提升频谱效率、小区容量和服务质量（尤其是边缘用户体验速率），解决下一阶段4G网络运营中的痛点。从目前试验测试来看，楼宇覆盖、大容量、UE相对分散的场景，是Massive MIMO技术4G化应用的较优场景，特别是在UE相对静止以及位于中、远点时，性能提升尤其明显。但同时也应看到，相关产品和技术成熟度仍然较低，目前还面临多个技术问题未解决，需通过进一步试验、测试改进，需要产业链多方协同推进、加快商用进程。

表2 分布式和一体化架构对比

[1] 周杰等. 三维空间MIMO信道接收天线阵列互耦效应及系统容量分析[J]. 通信学报，2012(6).

[2] 孟蕊. Massive MIMO收发技术联合设计研究[D]. 北京：北京邮电大学，2015.

[3] 杨中豪, 等. 面向5G通信的Massive MIMO技术研究[J]. 中国新通信，2015(14).