5G Massive MIMO天馈建设方案探讨

1 引言

近两年5G成为全社会全行业关注的焦点，3GPP于2018年已完成5G R15标准（主要面向eMBB场景），计划2019年完成5G R16标准（面向eMBB、mMTC、uRLLC三大场景），目前中国正在前期开展各项5G试验的基础上全力发展5G。2019年6月25日中国移动发布5G+计划：2019年将建设超过5万个5G基站，在超过50个城市实现5G商用服务；2020年将进一步扩大网络覆盖范围，在全国所有地级以上城市提供5G商用服务。随着5G网络离我们越来越近，5G网络建设尤其是5G网络天馈建设将成为各项工作的重点。与4G网络相比，5G网络引入了Massive MIMO技术，在保证5G高速率能力的同时，也带来了5G天馈建设方案的挑战。

2 5G Massive MIMO原理及产品形态

Massive MIMO也即大规模天线技术，是5G物理层关键技术之一，它通过在基站收发信机上使用大数量（如128/192等）的阵列天线实现了更大的无线数据流量和连接可靠性。相比于以前的单/双极化天线及4/8通道天线，Massive MIMO能够通过空域、时域、频域、极化域等不同的维度提升频谱和能量的利用效率；3D波束赋形和信道预估技术可以自适应地调整各天线阵子的相位和功率，显著提高系统的波束指向准确性，在增强用户信号的同时降低小区内自干扰、邻区干扰，是提升用户信号载干比的关键技术。

简单来讲，Massive MIMO凭借大规模天线，有3个增益：在水平和垂直两个维度动态调整信号方向，形成信号能量更集中、方向更精准的波束，带来覆盖上的增益和干扰抑制增益，同时支持更多用户在相同时频资源上并行传输，带来空分复用增益，64通道能够支持16～32流数据传输。从目前5G试验网的测试数据看，采用Massive MIMO的5G基站平均下载速率至少可以达到普通4G基站的10倍以上，如图1所示。

图1 5G Massive MIMO波束赋形示意图

Massive MIMO技术经过这两年的发展已经比较成熟，目前5G产品形态主要聚焦于128阵子/192阵子、64通道/32通道的AAU（或AAS）产品，后续还会推出与4G类似的8通道RRU+天线产品。5G AAU实现了原4G RRU与天线的一体化，垂直高度比4G 8通道天线小，水平长度比4G 8通道天线稍长，典型尺寸垂直高度约1米，水平长度约0.45米，因省了RRU，整体尺寸和占用的空间相比4G有优势。5G Massive MIMO天线典型内部结构如图2所示。

图2 5G Massive MIMO 64通道天线内部结构示意图

其中，天线阵子排列为为8列×4行×2极化，阵子数与天线幅面尺寸、频段、排布间距相关，在频段和阵元排布间距确定的前提下，天线阵子数越多，天线物理增益越大；水平阵子间距一般为0.5λ，垂直阵子间距一般为0.7～1λ。Massive MIMO中能够并行传输的“路”称为一个通道，每个通道连接独立的功率放大器（PA），同时驱动3个天线阵子。

不同天线阵子数与通道数的天线内部形态对比如图3所示。

图3 不同天线阵子数与通道数的天线内部形态

3 5G Massive MIMO天馈建设挑战和建设总体原则

5G Massive MIMO天线迎风面积与4G 8通道天线基本相当，但重量较大，综合考虑5G Massive MIMO天线迎风面积、重量以及在杆塔上的安装位置，建议5G Massive MIMO天线采用独立抱杆安装方式，抱杆直径60～120 mm，壁厚4 mm。但随着以往2G、4G以及NBIoT网络的建设，目前各运营商网络系统多、天线多，而城市天面安装空间十分有限，天面环境非常复杂，物业敏感度也越来越高，将为5G Massive MIMO天馈建设带来巨大挑战。

为保证5G Massive MIMO天线能独立抱杆安装，更多的需要腾挪现网天线、改造现网天馈，结合现场实际情况以及减少租金成本的角度考虑，总体建设原则如下：

（1）拆除无效天线：若原抱杆上有无效天线（如TDS独立天线，G网改造后未拆除的老旧天线等），应优先拆除无效天线，空出抱杆资源安装5G Massive MIMO天线；

（2）腾挪现网天线/RRU：充分利用现网资源，在同一根抱杆上腾挪（上下或左右微调）现网天线或RRU，空出位置安装5G Massive MIMO天线；

（3）利旧空余抱杆：利用现有空余抱杆安装5G Massive MIMO天线；

（4）现网天馈改造：采用4 488、2 222、2 288等多频多端口天线整合现有的2/4G系统，空出抱杆安装5G Massive MIMO天线；

（5）新增天面抱杆：新增抱杆或采用微配套方式自建。

以上总体建设原则优先级从高到低，其中现网天馈改造和新增天面抱杆的优先级不分先后。

4 5G Massive MIMO天馈改造方案

在以上5G Massive MIMO天馈建设总体原则中，前3种情况相对比较少见，现网天馈改造是5G Massive MIMO比较常见的建设方式，但也是相对技术比较复杂的方式。以下将对5G Massive MIMO天馈改造方案进行深入探讨。

4.1 天馈改造方案

对于中国移动，现网天馈如何改造需要考虑两个问题：一是现网系统的天线类型及数量，二是本期5G系统是否需要反向开通4G Massive MIMO。对于第一个问题是显而易见的，天馈现状决定了具体改造方案。对于第二个问题，2018年12月6日工信部向中国移动、中国电信、中国联通发放了5G系统中低频段试验频率使用许可，划分2 515～2 675 MHz共160 M给中国移动用于4/5G网络建设、4.9 GHz共100 M用于5G网络建设。针对2.6G频段，中国移动要求5G无线主设备支持160 M频宽，意味着产品在2 515～2 675 MHz上支持4/5G混模，所以5G无线主设备可以反向开通4G Massive MIMO，因此在讨论具体天馈建设原则时需区分是否要反向开通4G Massive MIMO。如果反向开通4G Massive MIMO，则原先4G天馈可以拆除，5G天馈根据拆除情况选择如何建设；如果不反向开通4G Massive MIMO，则原4G天馈与5G天馈同时存在。

回过来讨论第一个问题，研究现网天馈改造方案的传统方法是排列组合现网各系统天线类型及合路情况，评判如何合路以空出一个安装位置给5G天馈，按照目前中国移动的天馈系统，排列组合可以得出上百种方案，过于复杂和庞大，不利于实际的网络规划设计，可操作性差，因此我们必须以简化的思维寻找解决方案。考虑到2018年中国移动经过GNF网络改造后，现网天馈主要分为两种类型：一种是4G类型的天线（FD系统2通道/8通道），一种是GNF类型的天线（2+2、4+4、2288、4488等），因此先分成这2种场景，然后每种场景再以天线的端口数进行细化考虑，而不是以系统数进行考虑，将大大降低排列组合的数量。同时进一步考虑，将4G天线类型和GFN天线类型作为横竖两个维度进行交叉查询，而不是直接排列组合，可以速查各种天馈改造方案，简单快捷，可操作性极强。

综合以上，具体的天馈改造方案如下：

（1）5G系统反向开通4G Massive MIMO时

将4G场景天线划分为：单F频段2通道天线即“单F2（无D）”，单F频段8通道天线即“单F8（无D）”，D频段独立天线即“D独立”，F和D频段2通道合路天线即“F、D2通道合路”，F和D频段8通道合路天线即“F、D8通道合路”；将GNF场景天线划分为：2+2天线（包括900+1800系统天线或纯900系统天线或纯1 800系统天线）、4+4天线（包括900+1 800系统天线或纯900系统天线或纯1 800系统天线）、2+4天线（包括900+1 800系统天线或纯900系统天线或纯1800系统天线）、1800*2天线（只含1800系统天线，无900系统天线）、900*2天线（只含900系统天线，无1800系统天线）等，典型的速查改造方案如表1所示。

表1 5G Massive MIMO天馈改造方案速查表

以GNF场景是2+2天线为例，或为900+1800系统，或为纯900系统，或为1800系统，这里不再单独考虑属于什么系统，而只考虑天线的端口类型，此时，如果原4G系统采用的是F、D8通道合路天线，那么本次天馈改造方案是：将GNF天线和4G天线换成2288天线并合路，空出一根抱杆安装5G Massive MIMO天线即可，改造示意如图4所示。

图4 现网天馈改造示例

表1中没有考虑GNF场景是4488天线、2288天线、2222天线，以及现网采用集束天线、排气管天线和其他特型天线、灯杆等通信杆的情况，这些情况下只能通过新增抱杆的方式安装5G Massive MIMO天线。

（2）5G系统不反向开通4G Massive MIMO时

此时，只需将表1中4G场景D独立对应的情况，天馈改造方案全部改成新增抱杆即可，其他均与5G系统反向开通4G Massive MIMO时的方案一致，这里不再赘述。

4.2 下倾设计问题

在天馈改造完毕设置5G天线下倾时，应优先使用机械下倾，杜绝出现0°机械下倾的情况，为后续网络优化调整下倾角预留空间。因多数情况下5G系统与4G系统共建，所以当前5G Massive MIMO天线的下倾主要继承原4G系统天线的下倾，但是5G Massive MIMO天线增益大于4G天线，并且数据信道垂直波束宽度远大于4G系统，因此可能形成越区覆盖，5G下倾理论应比4G下倾大，后续需继续研究5G Massive MIMO天线的下倾设计问题。

5 结束语

随着5G网络建设的逐步推进，5G天馈建设将成为各项工作的重点。本文主要讨论5G Massive MIMO天线形态、5G天馈建设面临的挑战，结合实际情况分析5G天馈建设总体原则以及具体改造方案，为后续大规模5G网络建设提供一定的参考意义。