5G Massive MIMO天饋建設方案探討

1 引言

近兩年5G成為全社會全行業關注的焦點，3GPP于2018年已完成5G R15標準（主要面向eMBB場景），計劃2019年完成5G R16標準（面向eMBB、mMTC、uRLLC三大場景），目前中國正在前期開展各項5G試驗的基礎上全力發展5G。2019年6月25日中國移動發布5G+計劃：2019年將建設超過5萬個5G基站，在超過50個城市實現5G商用服務；2020年將進一步擴大網絡覆蓋范圍，在全國所有地級以上城市提供5G商用服務。隨著5G網絡離我們越來越近，5G網絡建設尤其是5G網絡天饋建設將成為各項工作的重點。與4G網絡相比，5G網絡引入了Massive MIMO技術，在保證5G高速率能力的同時，也帶來了5G天饋建設方案的挑戰。

2 5G Massive MIMO原理及產品形態

Massive MIMO也即大規模天線技術，是5G物理層關鍵技術之一，它通過在基站收發信機上使用大數量（如128/192等）的陣列天線實現了更大的無線數據流量和連接可靠性。相比于以前的單/雙極化天線及4/8通道天線，Massive MIMO能夠通過空域、時域、頻域、極化域等不同的維度提升頻譜和能量的利用效率；3D波束賦形和信道預估技術可以自適應地調整各天線陣子的相位和功率，顯著提高系統的波束指向準確性，在增強用戶信號的同時降低小區內自干擾、鄰區干擾，是提升用戶信號載干比的關鍵技術。

簡單來講，Massive MIMO憑借大規模天線，有3個增益：在水平和垂直兩個維度動態調整信號方向，形成信號能量更集中、方向更精準的波束，帶來覆蓋上的增益和干擾抑制增益，同時支持更多用戶在相同時頻資源上并行傳輸，帶來空分復用增益，64通道能夠支持16～32流數據傳輸。從目前5G試驗網的測試數據看，采用Massive MIMO的5G基站平均下載速率至少可以達到普通4G基站的10倍以上，如圖1所示。

圖1 5G Massive MIMO波束賦形示意圖

Massive MIMO技術經過這兩年的發展已經比較成熟，目前5G產品形態主要聚焦于128陣子/192陣子、64通道/32通道的AAU（或AAS）產品，后續還會推出與4G類似的8通道RRU+天線產品。5G AAU實現了原4G RRU與天線的一體化，垂直高度比4G 8通道天線小，水平長度比4G 8通道天線稍長，典型尺寸垂直高度約1米，水平長度約0.45米，因省了RRU，整體尺寸和占用的空間相比4G有優勢。5G Massive MIMO天線典型內部結構如圖2所示。

圖2 5G Massive MIMO 64通道天線內部結構示意圖

其中，天線陣子排列為為8列×4行×2極化，陣子數與天線幅面尺寸、頻段、排布間距相關，在頻段和陣元排布間距確定的前提下，天線陣子數越多，天線物理增益越大；水平陣子間距一般為0.5λ，垂直陣子間距一般為0.7～1λ。Massive MIMO中能夠并行傳輸的“路”稱為一個通道，每個通道連接獨立的功率放大器（PA），同時驅動3個天線陣子。

不同天線陣子數與通道數的天線內部形態對比如圖3所示。

圖3 不同天線陣子數與通道數的天線內部形態

3 5G Massive MIMO天饋建設挑戰和建設總體原則

5G Massive MIMO天線迎風面積與4G 8通道天線基本相當，但重量較大，綜合考慮5G Massive MIMO天線迎風面積、重量以及在桿塔上的安裝位置，建議5G Massive MIMO天線采用獨立抱桿安裝方式，抱桿直徑60～120 mm，壁厚4 mm。但隨著以往2G、4G以及NBIoT網絡的建設，目前各運營商網絡系統多、天線多，而城市天面安裝空間十分有限，天面環境非常復雜，物業敏感度也越來越高，將為5G Massive MIMO天饋建設帶來巨大挑戰。

為保證5G Massive MIMO天線能獨立抱桿安裝，更多的需要騰挪現網天線、改造現網天饋，結合現場實際情況以及減少租金成本的角度考慮，總體建設原則如下：

（1）拆除無效天線：若原抱桿上有無效天線（如TDS獨立天線，G網改造后未拆除的老舊天線等），應優先拆除無效天線，空出抱桿資源安裝5G Massive MIMO天線；

（2）騰挪現網天線/RRU：充分利用現網資源，在同一根抱桿上騰挪（上下或左右微調）現網天線或RRU，空出位置安裝5G Massive MIMO天線；

（3）利舊空余抱桿：利用現有空余抱桿安裝5G Massive MIMO天線；

（4）現網天饋改造：采用4 488、2 222、2 288等多頻多端口天線整合現有的2/4G系統，空出抱桿安裝5G Massive MIMO天線；

（5）新增天面抱桿：新增抱桿或采用微配套方式自建。

以上總體建設原則優先級從高到低，其中現網天饋改造和新增天面抱桿的優先級不分先后。

4 5G Massive MIMO天饋改造方案

在以上5G Massive MIMO天饋建設總體原則中，前3種情況相對比較少見，現網天饋改造是5G Massive MIMO比較常見的建設方式，但也是相對技術比較復雜的方式。以下將對5G Massive MIMO天饋改造方案進行深入探討。

4.1 天饋改造方案

對于中國移動，現網天饋如何改造需要考慮兩個問題：一是現網系統的天線類型及數量，二是本期5G系統是否需要反向開通4G Massive MIMO。對于第一個問題是顯而易見的，天饋現狀決定了具體改造方案。對于第二個問題，2018年12月6日工信部向中國移動、中國電信、中國聯通發放了5G系統中低頻段試驗頻率使用許可，劃分2 515～2 675 MHz共160 M給中國移動用于4/5G網絡建設、4.9 GHz共100 M用于5G網絡建設。針對2.6G頻段，中國移動要求5G無線主設備支持160 M頻寬，意味著產品在2 515～2 675 MHz上支持4/5G混模，所以5G無線主設備可以反向開通4G Massive MIMO，因此在討論具體天饋建設原則時需區分是否要反向開通4G Massive MIMO。如果反向開通4G Massive MIMO，則原先4G天饋可以拆除，5G天饋根據拆除情況選擇如何建設；如果不反向開通4G Massive MIMO，則原4G天饋與5G天饋同時存在。

回過來討論第一個問題，研究現網天饋改造方案的傳統方法是排列組合現網各系統天線類型及合路情況，評判如何合路以空出一個安裝位置給5G天饋，按照目前中國移動的天饋系統，排列組合可以得出上百種方案，過于復雜和龐大，不利于實際的網絡規劃設計，可操作性差，因此我們必須以簡化的思維尋找解決方案。考慮到2018年中國移動經過GNF網絡改造后，現網天饋主要分為兩種類型：一種是4G類型的天線（FD系統2通道/8通道），一種是GNF類型的天線（2+2、4+4、2288、4488等），因此先分成這2種場景，然后每種場景再以天線的端口數進行細化考慮，而不是以系統數進行考慮，將大大降低排列組合的數量。同時進一步考慮，將4G天線類型和GFN天線類型作為橫豎兩個維度進行交叉查詢，而不是直接排列組合，可以速查各種天饋改造方案，簡單快捷，可操作性極強。

綜合以上，具體的天饋改造方案如下：

（1）5G系統反向開通4G Massive MIMO時

將4G場景天線劃分為：單F頻段2通道天線即“單F2（無D）”，單F頻段8通道天線即“單F8（無D）”，D頻段獨立天線即“D獨立”，F和D頻段2通道合路天線即“F、D2通道合路”，F和D頻段8通道合路天線即“F、D8通道合路”；將GNF場景天線劃分為：2+2天線（包括900+1800系統天線或純900系統天線或純1 800系統天線）、4+4天線（包括900+1 800系統天線或純900系統天線或純1 800系統天線）、2+4天線（包括900+1 800系統天線或純900系統天線或純1800系統天線）、1800*2天線（只含1800系統天線，無900系統天線）、900*2天線（只含900系統天線，無1800系統天線）等，典型的速查改造方案如表1所示。

表1 5G Massive MIMO天饋改造方案速查表

以GNF場景是2+2天線為例，或為900+1800系統，或為純900系統，或為1800系統，這里不再單獨考慮屬于什么系統，而只考慮天線的端口類型，此時，如果原4G系統采用的是F、D8通道合路天線，那么本次天饋改造方案是：將GNF天線和4G天線換成2288天線并合路，空出一根抱桿安裝5G Massive MIMO天線即可，改造示意如圖4所示。

圖4 現網天饋改造示例

表1中沒有考慮GNF場景是4488天線、2288天線、2222天線，以及現網采用集束天線、排氣管天線和其他特型天線、燈桿等通信桿的情況，這些情況下只能通過新增抱桿的方式安裝5G Massive MIMO天線。

（2）5G系統不反向開通4G Massive MIMO時

此時，只需將表1中4G場景D獨立對應的情況，天饋改造方案全部改成新增抱桿即可，其他均與5G系統反向開通4G Massive MIMO時的方案一致，這里不再贅述。

4.2 下傾設計問題

在天饋改造完畢設置5G天線下傾時，應優先使用機械下傾，杜絕出現0°機械下傾的情況，為后續網絡優化調整下傾角預留空間。因多數情況下5G系統與4G系統共建，所以當前5G Massive MIMO天線的下傾主要繼承原4G系統天線的下傾，但是5G Massive MIMO天線增益大于4G天線，并且數據信道垂直波束寬度遠大于4G系統，因此可能形成越區覆蓋，5G下傾理論應比4G下傾大，后續需繼續研究5G Massive MIMO天線的下傾設計問題。

5 結束語

隨著5G網絡建設的逐步推進，5G天饋建設將成為各項工作的重點。本文主要討論5G Massive MIMO天線形態、5G天饋建設面臨的挑戰，結合實際情況分析5G天饋建設總體原則以及具體改造方案，為后續大規模5G網絡建設提供一定的參考意義。