5G分布式Massive MIMO在大型冬奥体育场馆中的应用研究

曾 伟，钟检荣，范 君，肖 瑞（中国联通北京分公司，北京 100038）

1 概述

2022 年2 月中国承办举世瞩目的第24 届冬季奥林匹克运动会，全世界冰雪运动员和冰雪爱好者齐聚一堂，共享冬奥盛事。在竞技和观赛之余，运动员和观众使用各类手机软件对外分享赛事盛况。5G 网络作为数据业务的重点承载网络，具有高速率、短时延、大连接的特点。在冬奥体育场馆中，人员的高密集性和业务的强并发性产生超强的容量压力，使5G网络面临建网以来的一次大考。冬奥体育场馆的5G 通信保障受到各方面的高度重视。5G 分布式Massive MIMO（DMM）室分系统，其头端为分布式架构，调制解调是集中式处理，通过多天线联合收发、联合调度、多用户资源复用等技术提升用户性能和小区容量，是应对高密重载场景的有力武器。本文介绍了5G 分布式Massive MIMO 系统的特点，提出了分布式Massive MIMO小区规划方法，探讨了分布式Massive MIMO 在大型冬奥体育场馆中的应用组网方案。

2 大型冬奥体育场馆5G通信面临的挑战

为提供优质的5G通信服务，大型冬奥体育场馆的5G网络面临多项挑战，包括但不限于以下几点。

a）容量的压力。典型的大型冬奥体育场馆，一次性容纳人数达十万人。由于处于同一空间，关注的是同一赛事，因此业务并发性强。目前各类手机APP 尤其是视频类APP 被广泛使用，例如微信、抖音、快手等。常用的各类视频软件速率要求较高，一般下行达到4 Mbit/s、上行达到2 Mbit/s 才能实现较好的业务体验。这几个因素相叠加，给网络容量带来超强压力。

b）干扰的平衡。由于冬奥赛事的重要性，要求对体育场馆进行全覆盖。同时，为了实现良好的业务感知，在进行全覆盖的前提下，还要实现5G 同频系统的低干扰。多数体育场馆结构复杂，空旷区域较多，干扰控制难度大，因此需要在全覆盖与低干扰间进行平衡。

c）赛事转播的高需求。在2018 年的韩国平昌冬奥会上，媒体利用5G网络进行了赛事的高清转播。在2022 年北京冬奥会，中国的5G 网络提供了优质的赛事高清转播。赛事高清转播对5G 网络有进一步的要求，包括更高的速率、更短的时延、更稳定的网络等。

3 5G分布式Massive MIMO特性介绍

3.1 分布式Massive MIMO概述

当前5G 室分在小区分裂方面存在几大挑战。从LTE异频间隔组网到NR同频组网，小区分裂后网络干扰进一步增大，新型室分pRRU 极限分裂时，交替严重；同时同频组网带来性能严重恶化。另外，相对于LTE，5G 空载时峰值提升明显，但分裂后峰均比落差大，经过仿真，极限劈裂后，单小区容量下降90%。

在此基础上，5G Lampsite 发展了分布式Massive MIMO 技术，分布式Massive MIMO 小区是工作在相同频段上的射频模块所覆盖的（2～16）个4T4R 小区合并成的一个逻辑小区。

3.2 DMM关键技术及增益

分布式Massive MIMO 小区的特点是头端为分布式架构，调制解调集中式处理（见图1）。

图1 分布式Massive MIMO原理图

此架构关键技术如下。

a）消除了小区边界，用户移动无切换，实现UCNC（User Centric，No Cell）体验。普通小区间移动，需要硬切换，导致业务中断；分布式Massive MIMO 小区单小区覆盖，无切换（见图2）。

图2 分布式小区无切换

b）通过多天线联合收发，提升单用户性能。普通射频合路小区，下行复制发送，有效天线数始终为“4”；分布式Massive MIMO 小区，每个TRP 对应4 根有效天线，TRP 交叠区用户可见8～16 根天线，能使用更准确的权值，用户性能更优（见图3）。

图3 分布式小区多天线联合收发

c）通过联合调度，彻底消除小区间干扰，提升边缘用户性能。普通小区间独立调度，边缘用户受到邻区干扰，无法使用高RANK、高调制，性能差；分布式Massive MIMO 小区统一进行调度，消除干扰，用户可以使用高RANK、高调制，性能大幅提升（见图4）。

图4 分布式小区联合调度

d）通过MU－MIMO（多用户资源复用）技术，提升小区容量。普通小区分裂，可以实现资源复用，但小区间独立调度、独立权值设计，干扰严重；分布式Massive MIMO 小区，对多个用户进行联合权值设计，通过权值优化降低用户间干扰，实现更优性能（见图5）。分布式MIMO 的增益主要表现在非交叠区，实现空分复用MU－MIMO 增益，大幅提升Cell 容量；在交叠区域，获得联合Beamforming增益，大幅提升用户体验。

图5 分布式小区多用户资源复用

3.3 分布式Massive MIMO适用场景及组网方式

基于分布式Massive MIMO 小区的关键技术及增益，分布式Massive MIMO 特性适用于高密重载场景，例如相对空旷的机场值机、到达、安检厅、大型场馆等人流稠密，频繁出现业务高峰的场景。

分布式Massive MIMO有2个典型部署方案。

方案1：相同TRP 下的pRRU 覆盖区间隔部署，增大各TRP 间交叠区占比，多TRP 下pRRU 联合波束赋型，提升交叠区用户体验速率和单用户上网速率。

方案2：相同TRP 的pRRU 覆盖区连续覆盖，减少TRP 间交叠区占比；不同TRP 内的多个用户间通过MU－MIMO 技术复用相同的射频资源，大幅提升小区容量。对于冬奥大型体育场馆，更关注区域总容量，即单位面积最大化，因此推荐采用方案2 来进行组网规划。

以极限容量阶段为例，每4 个pRRU 上的1 个NR TDD 载波组成1 个分布式Massive MIMO 小区，每pRRU 上的1 个NR TDD 载波独立划分为1个TRP。体育场馆场景为容量场景，位置相邻、覆盖连续的pRRU划分到同一个分布式Massive MIMO 小区。体育场馆极限容量场景，每个pRRU 划分为1 个TRP，外接定向天线天线覆盖。以单个NR TDD载波组网、RHUB5965为例，每个RHUB 可以支持4 个TRP，如果考虑预留扩容至第2载波能力，建议的组网拓扑如图6所示。

图6 分布式Massive MIMO特性建议组网拓扑图

由于每RHUB 和每个25G 光口均只支持4 个NR TDD 100M 4T4R TRP，考虑预留第2 载波扩容能力，因此需要双链+2级RHUB级联组网。

4 大型冬奥体育场馆DMM组网方案介绍

4.1 DMM小区规划

利用DMM 特性，容量规划的方法与普通小区规划的方法流程相同，差异点主要在于单小区容量的预估。

对于新建局点的高密重载场景区域，建议全部按照分布式Massive MIMO 特性进行组网规划，确保即使初始开通时未开启分布式Massive MIMO 特性的局点，也支持后续在不更改组网拓扑的前提下，平滑升级开通Massive MIMO特性。

从容量角度，建议每一个分布式Massive MIMO 小区内TRP 数≥4，以充分发挥单个分布式Massive MIMO小区支持上行8流、下行16流的规格能力。

当随着小区劈裂，一个分布式Massive MIMO 小区内pRRU 数减少达到4 个时（配置4 个TRP），整体达到极限容量，不建议继续劈裂小区，否则会导致小区容量下滑的幅度超过小区数增加的幅度，总容量不升反降。在此基础上，扩容应通过增加载波（频谱）或更换高性能窄波束天线进一步劈裂单头端覆盖范围的方式。

初期低容量阶段，如8 个及以上pRRU 共1个分布式Massive MIMO 小区，TRP数≥4（在基带板、CPRI带宽规格限制下，TRP 数越多越好），单小区下行为245 Mbit/s，上行为105 Mbit/s。

后续容量需求持续增加，扇区极限劈裂至4pRRU共小区、对应4个TRP 组网（受限于单小区仅支持上行8 流、下行16 流规格），单小区容量下行为150 Mbit/s，上行为68 Mbit/s。

RRC 用户数规格：单分布式Massive MIMO 小区为1 200（20 MHz/30 MHz支持用户数为400）。

表1给出了DMM小区数量评估方法。

表1 DMM小区数量评估表

4.2 TRP/pRRU小区个数规划

4.2.1 分布式Massive MIMO 小区内TRP 个数对小区容量影响

一个分布式Massive MIMO 小区可以配置2～16 个TRP，每个TRP 对应一个射频合路组，每个TRP 内pRRU 个数≤16。在头端个数一定的情况下，通过减少每TRP 内头端个数，增加TRP 个数，可以增加多用户配对概率，提升小区容量。

基于覆盖规划确定的目标区域pRRU 个数和分布式Massive MIMO 的小区个数，可以得到每个分布式Massive MIMO 小区的pRRU 个数，则1 个分布式Massive MIMO 的TRP 可规划个数≥总pRRU 个数/分布式Massive MIMO小区个数/16。

4.2.2 组网拓扑和产品规格对最大可规划TRP 数目约束

对可规划TRP个数产生约束的产品规格包括：

a）CRPI 带宽，如NR TDD only 组网下，1 个25G 光口可以承载最大4个NR TDD 4T4R 100M带宽的TRP。

b）RHUB 支持的TRP 规格，如移动和电联版RHUB5963 支持的NR TDD 射频合路TRP 个数分别为4个和6个。

c）pRRU 载波能力和pRRU 个数，对于单个NR TDD载波，可规划的TRP个数≤pRRU个数。

4.3 分布式Massive MIMO实际组网方案

4.3.1 总体设计思路

该体育场馆分为普通区域和看台区域。普通区域包括办公室、会议室、洗手间、休息区、场馆通道等，这类区域人员较为分散，用普通新型室分进行覆盖即可。看台区域为观众观看比赛的区域，人员密度大，业务并发性强，为高密重载区域，需要重点保障容量，建议使用分布式Massive MIMO 组网覆盖。以1层看台区域为例说明分布式Massive MIMO 组网方案。假设1层看台容纳人员数量预估为23 000人，以上行1 Mbit/s速率要求和2.5 Mbit/s速率要求分别估算。

4.3.2 看台区域分布式Massive MIMO 组网方案

在此高密重载场景下，配置LampSite 同频段NR 3载波，分布式Massive MIMO 小区组网拓扑——双CPRI链组网，NR Only。组网拓扑图如图7所示。

图7 极限容量，同频段3载波，4pRRU共分布式MassiveMIMO小区，双链组网拓扑示意

按照同频段3载波配置，极限容量场景，每BBU仅支持2 扇区×3 载波=6 个分布式Massive 小区。高密重载场景，建议1PRRU 为1TRP。极限劈裂至4PRRU 共1 个分布式Massive MIMO，下行总容量为150 Mbit/s，上行总容量为68 Mbit/s。

表2 给出了1 层看台区域分布式Massive MIMO 小区数估算。1 层看台区域预估23 000 人，按照上行1 Mbit/s 估算为17 个分布式Massive MIMO 小区，按照3载波计算17/3 约为6 个分布式Massive MIMO 扇区，建议每分布式Massive MIMO 小区TRP ≥4，达到分布式Massive MIMO效果。

表2 1层看台区域分布式Massive MIMO小区数估算表

按照上行2.5 Mbit/s 估算为30 个分布式Massive MIMO 小区，按照3 载波计算30/3 为10 个分布式Massive MIMO 扇区，建议每分布式Massive MIMO 小区TRP ≥4，达到分布式Massive MIMO效果。

4.3.3 看台区域天线选型

在普通区域人员较为分散，用普通新型室分进行覆盖即可，直接采用内置型pRRU，在看台区域由于用户密度大、干扰控制要求高，需采用外置型pRRU+赋型天线的模式。

看台区域包括重点密集区域和非重点密集区域。在重点密集区域，人员分布和业务分布比其他区域更为集中，需要重点保障。为保障容量需求，确保用户感知受影响不严重，在重点密集区域部署20°×60°赋型天线，在非重点密集区域部署30°×30°赋型天线。20°×60°的赋型天线其水平波束更窄，适合用户更加密集，小区划分更小的情况，因此在重点密集区域部署（见图8）。

图8 看台区域2种赋型天线覆盖范围

5 结束语

在冬奥大型体育场馆中用户和业务密集的看台区域部署5G 分布式Massive MIMO，是应对高话务、高干扰的有效方案。分布式Massive MIMO 系统通过多天线联合收发、联合调度、多用户资源复用等技术提升用户性能和小区容量。本文提出的方案中1 个pRRU作为1个TRP，4TRP作为1个分布式Massive MIMO 小区，最大限度利用DMM 性能，提升系统容量和用户速率。为配合容量提升和干扰控制，在看台重点密集区域部署20°×60°天线，非重点密集区域部署30×30 天线。本方案可以借鉴到类似的5G 高密重载场景中，为用户提供满意的5G业务体验。