在LTE網(wǎng)絡(luò)部署Massive MIMO的策略分析

余揚(yáng)堯，陳楊，楊芙蓉

在LTE網(wǎng)絡(luò)部署Massive MIMO的策略分析

余揚(yáng)堯，陳楊，楊芙蓉

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

從4G網(wǎng)絡(luò)高流量區(qū)域容量需求出發(fā)，分析了采用Massive MIMO技術(shù)的4G基站對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)容量的提升效果，并結(jié)合Massive MIMO基站自身的物理特性，從設(shè)備安裝及電源、傳輸配套等方面分析工程實施的難易程度，建議運(yùn)營商將Massive MIMO基站作為4G網(wǎng)絡(luò)向5G網(wǎng)絡(luò)過渡時期的容量補(bǔ)充手段，只針對局部區(qū)域采用Massive MIMO基站來提高網(wǎng)絡(luò)容量。

Massive MIMO 高流量區(qū)域容量解決 Pre 5G

1 引言

從2014年開始，國內(nèi)三大運(yùn)營商均完成LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)）網(wǎng)絡(luò)的部署并商用，隨著4G用戶滲透率的不斷提升以及“不限流”業(yè)務(wù)帶來的數(shù)據(jù)吞吐量急速增長，校園、密集城區(qū)CBD（Central Business District，中央商務(wù)區(qū)）等流量熱點區(qū)域的基站利用率出現(xiàn)了“超忙”狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)容方面，除了充分利用頻率資源疊加不同頻點基站進(jìn)行載波聚合擴(kuò)容外，也可采用Massive MIMO等Pre 5G技術(shù)手段，通過空間分集的方式提升LTE網(wǎng)絡(luò)的容量以及頻譜使用效率。

本文從網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等方面分析Massive MIMO基站對4G網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的影響，同時結(jié)合Massive MIMO基站自身的物理特性從設(shè)備安裝、電源配套、傳輸配套等方面分析工程實施的難易程度。建議運(yùn)營商將Massive MIMO基站作為4G網(wǎng)絡(luò)向5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中的一種容量補(bǔ)充手段。

2 Massive MIMO基站特性

2.1 功能特性

Massive MIMO基站內(nèi)部集成了大規(guī)模陣列天線，通過32×32或者64×64天線陣列實現(xiàn)空間分集，滿足多流數(shù)據(jù)的同時傳輸來提高系統(tǒng)容量。Massive MIMO基站同時采用波束賦形等技術(shù)，嚴(yán)格控制各波束的寬度，降低了波束間干擾。Massive MIMO與常規(guī)天線的比較如圖1所示：

圖1 Massive MIMO與常規(guī)天線的比較

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

Massive MIMO基站將RRU（Radio Remote Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）設(shè)備與大規(guī)模陣列天線一體化，在設(shè)備內(nèi)部連線實現(xiàn)RRU設(shè)備與天線之間的連接。Massive MIMO設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 Massive MIMO基站硬件框圖

3 Massive MIMO基站測試分析

用Massive MIMO基站替換LTE基站的一個小區(qū)RRU設(shè)備，天線方位角、下傾角等工程參數(shù)與原有天線保持一致，從網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等方面進(jìn)行對比測試及效果分析。

3.1 容量測試

（1）終端靜止?fàn)顟B(tài)下的下行速率測試

將4個終端分置于Massive MIMO基站下4個不同的波束近點位置，測試UE終端的下行速率。

測試結(jié)果表明，單個終端的下載速率基本上穩(wěn)定在80 Mb/s，4個終端總下行吞吐量達(dá)到310 Mb/s，Massive MIMO基站對現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)容量有明顯提升。

（2）終端移動狀態(tài)下的下行速率測試

將一個終端向其他終端移動，測試移動狀態(tài)下UE終端的下載速率。

測試結(jié)果表明，當(dāng)同一個波束下同時接入2個終端時，終端的下載速率變成原來的一半，其他波束下載速率維持穩(wěn)定。

Massive MIMO基站容量測試如圖3所示。

3.2 覆蓋測試

圖4 原LTE基站小區(qū)覆蓋

3.3 質(zhì)量測試

在Massive MIMO基站替換原有LTE小區(qū)前后，在相同測試區(qū)域?qū)涡^(qū)覆蓋SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比）數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行對比分析，以此評估Massive MIMO基站對信號質(zhì)量的影響。原LTE基站小區(qū)質(zhì)量如

圖6所示，Massive MIMO基站小區(qū)質(zhì)量如圖7所示。

測試結(jié)果表明，Massive MIMO基站開通后SINR值較開通之前抬升了1.87 dB，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與原RRU小區(qū)相比，基本持平。

3.4 小結(jié)

Massive MIMO基站對現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)容量有明顯提升，Massive MIMO基站下，單波束的實測下行速率可達(dá)80 Mb/s，4個終端總下行吞吐量達(dá)到310 Mb/s，接近原4G單RRU小區(qū)下行吞吐量的3倍，在不增加頻率資源的情況下，Massive MIMO基站可以通過空間分集有效提升系統(tǒng)容量。

在網(wǎng)絡(luò)覆蓋及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量方面，Massive MIMO基站與現(xiàn)網(wǎng)LTE基站相比，基本持平。

4 Massive MIMO基站應(yīng)用分析

4.1 基站安裝

在4G網(wǎng)絡(luò)中，天線通常安裝在塔桅上（包括樓頂支撐桿、地面快裝塔、樓頂格構(gòu)塔、地面三角塔、地面四方塔、美化樹塔、美化燈桿塔等），常規(guī)天線的迎風(fēng)面面積（天線高度×天線寬度）小于0.6 m2，重量小于15 kg。

Massive MIMO基站采用了大規(guī)模的天線陣列，共計128個天線陣子單元，天線陣子的大小與半波長成倍數(shù)關(guān)系。工作頻段在1.8 GHz的Massive MIMO基站，由于1.8 GHz頻段的半波長約為83 mm，128個天線陣子單元在天線平面上排列后天線的面積約為1 m（高）×0.7 m（寬），迎風(fēng)面面積約為0.7 m2。Massive MIMO基站集成了RRU設(shè)備，設(shè)備重量約50 kg。

從塔桅安全角度出發(fā)，主要考慮設(shè)備的迎風(fēng)面是否在塔桅的迎風(fēng)面設(shè)計值范圍以內(nèi)。現(xiàn)網(wǎng)樓頂支撐桿大都是按一付天線最大迎風(fēng)面積0.6 m2計算的桿體直徑和配重，不能滿足Massive MIMO基站迎風(fēng)面0.7 m2的需求，因此對Massive MIMO基站需要重新進(jìn)行塔桅設(shè)計并新建支撐桿。對于地面快裝塔，由于本身格構(gòu)架強(qiáng)度較弱也不建議新增Massive MIMO基站。其他塔桅類型需要根據(jù)塔桅原始設(shè)計文件中天線迎風(fēng)面積的設(shè)計值并結(jié)合塔桅現(xiàn)狀，由具備鋼塔桅結(jié)構(gòu)檢測專業(yè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)出具鋼塔桅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性檢測報告并根據(jù)Massive MIMO基站安裝需求給出相應(yīng)的塔桅加固解決方案。

4.2 電源配套

Massive MIMO基站集成了RRU設(shè)備，峰值功耗約為650 W，現(xiàn)網(wǎng)LTE 1.8G RRU峰值功耗約為450 W，因此需要將現(xiàn)網(wǎng)RRU設(shè)備連接的10 A的電源空開更換為16 A空開以滿足Massive MIMO基站供電需求。

4.3 傳輸配套

按照現(xiàn)網(wǎng)LTE 1.8G單站的傳輸帶寬取為185 Mb/s、雙載波站的傳輸帶寬取為370 Mb/s。根據(jù)LTE無線網(wǎng)中繼傳輸?shù)奶攸c，LTE基站數(shù)據(jù)由IP-RAN承載，以GE傳輸為主。按照Massive MIMO基站的容量為現(xiàn)網(wǎng)的3倍進(jìn)行測算，單站的傳輸帶寬為546 Mb/s，現(xiàn)有IP-RAN設(shè)備可以滿足Massive MIMO基站傳輸帶寬需求。

4.4 小結(jié)

在工程實施中，由于1.8 GHz頻段的Massive MIMO基站的迎風(fēng)面積較大，需要通過新建樓頂支撐桿或者對現(xiàn)有塔桅進(jìn)行評估及改造后才能進(jìn)行安裝。一方面在樓頂新增加支撐桿或進(jìn)行塔桅改造的協(xié)調(diào)難度較大；另一方面委托相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)對現(xiàn)有塔桅的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行檢測需另外支付較高的費用。相對于通過Massive MIMO基站擴(kuò)容，采用LTE 2.1G RRU進(jìn)行載波聚合擴(kuò)容在工程實施上要容易很多，僅需要在基站上新增2.1G RRU并與原有1.8G RRU信號合路后接入原有天線即可，不涉及天線替換以及塔桅改造。

在現(xiàn)階段1.8 GHz頻段的Massive MIMO基站價格尚不明確的情況下，主要從施工難易度考慮，在LTE網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)容時優(yōu)先考慮采用LTE 2.1G基站進(jìn)行容量擴(kuò)容，僅對于已經(jīng)實施了LTE 2.1G載波聚合仍然“超忙”的基站考慮采用Massive MIMO基站進(jìn)行擴(kuò)容。

5 結(jié)束語

Massive MIMO基站通過空間分集技術(shù)對基站容量有比較明顯的提升，能有效解決業(yè)務(wù)流量超高區(qū)域的容量需求。但由于Massive MIMO基站在工程實施中需要進(jìn)行塔桅新建、改造以及配套電源改造，施工難度較大，因此建議運(yùn)營商將載波聚合作為容量擴(kuò)容的主要手段，將Massive MIMO基站作為4G網(wǎng)絡(luò)向5G網(wǎng)絡(luò)過渡時期的容量補(bǔ)充手段，只對業(yè)務(wù)流量超高且通過載波聚合也不能滿足容量需求的區(qū)域采用Massive MIMO基站來提高容量。

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Analysis on Massive MIMO Deployment Strategy in LTE Networks

YU Yangyao, CHEN Yang, YANG Furong
(Sichuan Communication Design Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

According to the capacity requirements of high-throughput areas in 4G networks, the capacity enhancement effect of existing networks for 4G base stations using Massive MIMO technology was analyzed. Combined with the physical characteristics of Massive MIMO base stations, the diffi culty of the engineering and implementation was addressed from aspects of equipment installation, power supply and transport. It was suggested that Massive MIMO base stations should be the supplementary means in the transition period from 4G networks to 5G networks. Massive MIMO base stations are only used in local areas to increase the network capacity.

Massive MIMO high-throughput area capacity solution Pre 5G

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.22.010

TN929.53

A

1006-1010(2017)22-0046-05

余揚(yáng)堯,陳楊,楊芙蓉. 在LTE網(wǎng)絡(luò)部署Massive MIMO的策略分析[J]. 移動通信, 2017,41(22): 46-50.

2017-09-07

劉妙 liumiao@mbcom.cn

余揚(yáng)堯：學(xué)士畢業(yè)于西華大學(xué)，現(xiàn)任四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司技術(shù)二部技術(shù)主管，目前主要從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及工程設(shè)計工作。參加過四川電信的PHS網(wǎng)絡(luò)工程、四川電信無線村通450M工程、四川電信CDMA網(wǎng)絡(luò)工程、四川電信LTE網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計、四川電信LTE網(wǎng)絡(luò)滾動規(guī)劃等項目的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計工作。

陳楊：碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司技術(shù)二部技術(shù)主管，目前從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作，曾主持過云南移動2007年GSM網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、四川電信2009-2015年歷年無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、四川鐵塔公司2015年投資規(guī)劃等重要項目。

楊芙蓉：碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司技術(shù)二部高級咨詢師，目前從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作，曾主持過西藏移動“十二五規(guī)劃”TDSCDMA專項規(guī)劃、西藏電信2015年無線網(wǎng)滾動規(guī)劃、四川電信2008-2014年歷年無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、樂山市主城區(qū)信息基礎(chǔ)設(shè)施專項規(guī)劃等重要項目。