5G多天线技术研究与实践

赵云峰 凌威 武晓涛 戴寒怡 魏芹 程超

1.中国移动通信集团江苏有限公司宿迁分公司；2.中国移动通信集团江苏有限公司

0 引言

我国已正式进入5G时代。据预测，未来5G网络的移动数据流量将比4G网络增长500-1000倍，典型用户数据速率提升10-100倍，峰值传输速率可达10Gbps或更高，端到端时延缩短5-10倍，网络综合能效提升1000倍。这些性能的取得，主要依靠5G系统中的几大关键技术：大规模天线（Massive MIMO）、超密组网（UDN）、新空口（NR）等。本文重点研究超大规模多进多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）天线及其权值应用。

1 MIMO技术简介

MIMO技术利用空间信道的多径效应，在发射端和接收端分别设置多个天线，通过分集或者复用的方式，获取信道传输的可靠性和提高系统容量。MIMO技术早在4G时代就已经被广泛使用，TD-LTE广泛支持的MIMO为8天线。5G中MIMO天线技术更加成熟，可以实现16/32/64/128天线，甚至更大规模。

2 Massive MIMO天线特性

2.1 分集特性

分集特性就是通过多端口重复发送相同数据来降低空间传输误码率，实现分集增益。分集特性在前几代通信系统中应用比较成熟，不是Massive MIMO的设计初衷。终端在多个天线（通道）重复发送相同的数据，分集特性如图1所示。

图1 MIMO分集的示意结构

2.2 复用特性

根据香农公式，一个通信系统的容量主要与该系统的带宽和系统的信噪比有关。系统的带宽不可能无限制地增加，也不可能靠无限制增加发射端的输出功率来提高信噪比，这样就导致系统容量受限。MIMO技术通过等效信道的增加，成倍地增加了系统容量。空间多信道扩展后的香农公式如式1所示。

其中，C为系统容量，W为带宽，m为等效信道数，σ为信道平衡度，P为每信道接收功率，N为噪声，I为干扰。根据该公式，发送端在T1时刻通过多信道（通道）同时发送多个信息，接收端分别接收每个信道（通道）上的信息，相对于分集接收中发送端和接收端的通信方式，系统容量得到成倍的增加。如图2所示。

图2 MIMO复用特性

2.3 波束赋形

波束赋形就是根据特定场景自适应地调整天线阵列辐射图的一种技术。传统的天线通信方式是基站与手机间的单天线发射到单天线接收的电磁波传输，在没有物理调节的情况下，其天线的辐射方位是固定的。在波束赋形技术中，基站侧有多个天线，基站自动调整各个天线发射信号的相位，使其在某一位置形成电磁波有效叠加，相应地，降低其他位置的电磁波信号强度，提高接收信号的质量。如图3所示。

图3 广波束覆盖与波束赋形覆盖

3 提升系统容量的方法

根据MIMO复用特性中的多信道香农公式，提高系统容量的方法主要有3个：提高带宽、增加信道和增加功率。

3GPP定义了5G频率范围（Frequency Range，FR）和带宽。其中频率范围分为2个，即FR1（450MHz-6GHz）和FR2（24GHz-52GHZ），一般称FR2为毫米波。一般小区分配的带宽是固定的，Sub6G小区可以分配的最大带宽为100MHz，无法通过无限制地增加系统带宽提高系统容量。

再回到多信道香农公式中，如何增加每信道接收功率（Pr）是提高系统容量的第三个研究方向。这里引入一个重要的天线理论公式——弗里斯传输公式，也被称为功率传输方程。它将传输功率、天线增益、传输距离、波长与接收功率联系起来。如式2所示。

其中，Pr为接收天线功率，Pt为发射天线功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收终端的天线增益，λ为工作波长，R为收发天线距离。Pt、λ、R、Gr和Gt基本受限于器件、资源和物理规律，无法有效地提升接收天线功率。波束赋形是通过调整天线权值改变天线阵列的辐射图的技术，通过波束赋形，改变发射信号的相位，使其在终端接收点形成电磁波的有效叠加，产生更强的信号增益来克服损耗，从而达到提高接收信号强度的目的。

4 大规模MIMO权值设置与现网验证

发射信号的调整改变了信号的辐射方向，每个天线阵子发射信号相位的改变有海量组合，从天线波形图变化情况来看，主要是4个维度的变化：水平方向角（Az）、水平波瓣宽度（H）、垂直波瓣宽度（V）、电子下倾角（T），如图4所示，其中θ表示水平方向角，δ表示下倾角。

图4 3D方向与多波束

5G基于多天线技术引入广播窄波束扫描，提供多样化权值组合，满足场景化覆盖需求。场景化的5G广播天线权值设置方案成为5G覆盖研究的重要手段。根据中兴区域5G站点覆盖情况，选取了低层建筑、中层建筑、高层建筑等典型覆盖场景，对同一场景设置不同的子波束权值，开展CQT（Call Quality Test，定点质量测试）和DT（Drive Test，路测）测试，并根据测试结果对比分析，给出典型场景下波束权值建议。

本文采用“[Aw][Hx][Vy][Tz]”记录方法表示权值调整情况，如“A10V6”代表调整水平方位角10°、垂直波瓣宽度6°。

4.1 独栋高层建筑场景

综合来看，对于独栋超高层建筑场景，H15V30权值室内覆盖效果最优。如表1、表2所示。

表1 独栋高层建筑权值DT验证结果

表2 独栋高层建室内CQT测试验证结果

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4.2 连片高层建筑场景

DT测试范围和结果与场景一相同。综合来看，对于连片高层建筑场景，H65V30权值室内覆盖效果最优。如表3、表4所示。

表3 连片高层建筑室内CQT测试结果

表4 连片高层建筑室内CQT测试结果

4.3 低层建筑场景

对于低层建筑场景，H30V15权值室内覆盖效果最优。如表5所示。

表5 低层建筑场景室内CQT测试结果

对于低层建筑场景，H45V15权值室外DT覆盖效果最优。如表6所示。

表6 低层建筑场景室外DT测试结果

对于低层建筑场景，综合考虑室内外覆盖效果，建议选择H45V15权值。

4.4 高低混合建筑场景

综合来看，对于高低混合建筑场景，H30V30权值室内覆盖效果最优。如表7所示。

表7 高低混合建筑场景室内CQT测试结果

5 Massive MIMO天线权值应用建议

根据典型场景设置不同权值的测试结果分析，如表8所示。建议：

（1）对于超高层建筑场景，如写字楼、高层住宅，推荐H15V30权值；

（2）对于连片高层建筑场景，如连片写字楼、高层住宅，推荐H65V30权值；

（3）对于低层建筑场景，如低层居民区，根据本次所选择测试区域推荐H45V15权值，实际配置时可结合覆盖区域需求选择H65V7、H65V15和H45V15等权值；

（4）对于高低混合建筑场景，如写字楼+低层居民区，根据本次所选择测试区域，推荐H30V30权值，实际配置时可结合覆盖区域需求选择H65V30、H65V15和H30V30等权值。

表8 不同场景的推荐天线权值

6 结束语

本文从MIMO原理上解释了波束赋形对终端接收增益的提升，通过波束赋形和权值验证各种场景适用的天线权值，并给出选用建议，为5G网络规划和优化提供了理论支撑和实践参考。