Massive MIMO技术在5G网络优化中的应用研究

张叶江，杨晓康，张 婧，尹以雁

（中国移动通信集团云南有限公司无线优化中心，云南 昆明 650041）

0 引言

5G技术是新一代移动通信技术，其5G峰值速率超过10Gb/s，用户体验速率可达到100Mb/s，空中接口控制面时延在1 ms左右，频谱效率要比4G提升10倍以上[1-2]。与前几代移动通信技术相比，5G无线频段较高，基站信号在空间传播损耗较大，且其绕射能力差，难以满足室内深度覆盖[3]。因此，需要一种新的天线解决方案，以改善基站覆盖性能和容量能力， Massive MIMO技术就是一种有效的解决方案。

1 Massive M IMO技术原理

1948年，克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）在《通讯的数学原理》中提出了著名的香农定理C=B log2（1+S/N）。香农定理表明提高通信系统的工作带宽、增加天线发射功率及降低系统噪声功率，都能提升系统信道容量[4]。其中，多天线技术可以充分利用空间维度资源，成倍提升系统信道容量。多天线场景下信道容量表达式为C=min（m，n）B log2（1+S/N），min（m，n）为信道模型秩的最大值，取发射天线数量m和接收天线数量n中的最小值。MIMO（Multiple Input Multiple Output，多进多出）是多天线技术的主要形式， MIMO系统利用多径效应提升通信系统的容量[5]。

2010年，Marzetta提 出 大 规 模MIMO（Massive MIMO）理论。Massive MIMO天线数量扩增至64 天线，并增加了垂直波束，与波束赋形相结合，具有覆盖性能强、频谱效率高、网络容量大、小区干扰小等优势[6-7]。采用Massive MIMO技术，天线在不同Pattern配置下拥有不同的水平波瓣角、垂直波瓣角、方向角和下倾角，就会得到不同形态的波束，从而可以实现道路、高楼、广场等各类不同的场景用不同的广播波束进行覆盖，达到最佳的覆盖效果。

2 Mssive MIMO天线使用中存在的问题

无线产品多样化，与具体应用场景匹配难度大。5G引入Massive MIMO权值技术后，其无线产品形态更加丰富。目前有64TR、32TR、8TR、4TR和2TR等多种设备形态，覆盖能力有些较高有些偏低，各类产品对水平波瓣角、垂直波瓣角、数字方位角、数字下倾角等支持程度差异也很大[8]。无线产品的多样化，客观上会导致Massive MIMO技术与覆盖场景（如高楼、广场、CBD、高铁等）有效匹配的难度增加，难以发挥设备最大性能优势。

已有权值方案弊端多，运营商缺乏运维主动权。目前华为仅提供17种场景合成波束的调整方案，中兴则提供14种场景的合成波束的调整方案。对于超出厂家已有方案外的调整，就需要向厂家购买Lisence，价格上几乎由厂家主导，运营商议价能力较弱，被设备厂家牵着鼻子走。且单一厂家提供的调优工具无法通用，一个厂家需要一种调优工具，调优算法完全掌握在厂家手中，运营商工作非常被动。

潜在权值方案数量大，人工经验难以满足实践需要。以64TR天线为例，该类天线有64个通道，天线参数最终对每个通道的幅度和相位进行配置， 其中幅度范围是[0，1]，相位范围是[0，360），一个小区有8个子波束，8个子波束的包络即是一个pattern（即合成波束）。假设有100种子波束，则每个小区可有N=C（8， 100）=1.86e11种配置，很显然这已经明显超出人类脑力运算能力了[9]。以“人工经验+上站+电调”为主的传统天馈调整模式已难以适应5G 网络运维需求[10]。

3 Massive MIMO现网应用分析

中国移动提出了基于通道的权值配置方案，可通过网管侧下发，为每个通道配置幅度和相位，确定每个子波束的水平波宽、垂直波宽、下倾角、方位角，并将此功能纳入企标中，推动主设备厂家支持， 以提升5G无线网络优化效果。

3.1 基于通道级的Massive MIMO权值方案介绍

在中国移动推动下，目前华为、中兴、大唐、爱立信、诺基亚已支持运营商在网管侧下发权值进行配置。单通道权值的幅度可调范围为[0，1]，步长为0.1；单通道权值的相位可调范围为[-180，180]，步长为1，极化自由也支持灵活配置。在支持SSB波束级统计方面，华为、中兴、大唐已支持SSB波束级用户数、业务量、RSRP、TA等指标统计，并可上报到网管。在自定义子波束方面，根据Massive MIMO 天线辐射特性、优化灵活性和系统功能实现，水平波束波束宽度定义15°/30°/60°/90°四个档位，垂直波束宽度定义6°/12°/24°三个档位，生成11组不同波宽的波束集。每个波束可以具备不同的扫描角和下倾角，扫描范围及下倾范围等同于业务波束覆盖范围，总计共定义了148种子波束。目前，中兴及华为64TR天线的符合148种子波束的权值配置要求。后续中国移动会定义更多子波束，并推动实现全部厂家实现64TR和32TR的天线权值。

3.2 现网试点验证分析

为验证基于通道级的Massive MIMO权值设置效果，分别选取一片城区网格、一个居民区和一栋高层楼宇三种典型场景开展。试点结果表明，三类场景对Massive MIMO权值优化后，综合覆盖率、PDCP层下载速率及调制方式等均有明显改善。

城区网格试点区域全部共191个5G NR宏站， 含675个5G小区，覆盖面积约58.2km2，对区域内1～4级道路开展遍历测试。居民区内由一个NR 站点覆盖，三扇区组网，站点AAU挂高30 m，方位分别为3°、117°和240°。分别对试点前后的主要指标进行测试，测试结果表明：权值调整后，网格道路5G综合覆盖率提升1.79%，PDCP层上行速率提升106.24 Mb/s，PDCP层下行速率提升52.22 Mb/s，调制方式方面上下行256QAM的比例均有明显提升；居民区场景PDCP层下行速率提升42.37 Mb/s，覆盖等其余关键指标保持稳定。

表1 网格道路与居民区调整前后测试统计表

选择某高层楼宇，该楼宇采用某5G站点垂直波束覆盖，分别对低中高层进行定点测试测试。测试结果表明，除一些指标低层和高层略有下降外，楼宇整体网络质量明显改善，尤其是中层提升明显，其覆盖提升96.90%，PDCP层下行速率提升567.58 Mb/s，下行256QAM提升74.39%。

表2 高层楼宇调整前后高中低层测试统计表

城区网格道路、居民区及高楼三个场景测试结果表明，Massive MIMO技术有利于提升5G网络覆盖、SINR、上传下载及高阶调制占比等关键性能指标，有必要加大在现网中的应用规模。另外，需要加快制定Massive MIMO技术在各类覆盖场景中的使用规范，确保Massive MIMO技术与具体覆盖场景匹配，发挥该技术的最大价值。

4 结束语

Massive MIMO技术凭借其覆盖性能强、频谱效率高、网络容量大、小区干扰小等优势，将会在未来5G网络优化中发挥重要作用。与此同时也应看到，基于通道级的权值配置方案，由于其可能的权值配置方案总数数量级庞大，单纯依靠传统人工经验的方式已不能满足工作实践要求，基于人工智能的Massive MIMO权值配置方案将成为未来演进方向。