大規模天線技術在5G 中的應用

趙立英，頡 斌

（北京中網華通設計咨詢有限公司，北京 100000）

1 研究背景

2020年是全球公認的5G大規模商用的時間點。目前，我國高層、相關部委以及運營商都在關注并大力推動5G的試驗和相關建設，5G時代即將到來。5G相對4G，從系統容量等性能指標到頻譜效率等能效指標方面，均有數量級倍的提升。性能的提升必然是技術提升和新技術應用的結果。大規模天線技術（Massive MIMO）是5G關鍵技術之一，因此研究大規模天線技術對5G布局具有重要意義。

2 大規模天線技術

大規模天線技術同樣采用MIMO技術。MIMO技術在4G通信中已經進行了充分研究與應用，各項技術已經成熟，但在4G通信中MIMO天線數量較少。Massive MIMO可以理解為4G MIMO技術的繼承、延伸，天線振子可以達到成百上千個。Massive MIMO技術在4G應用基礎上增加了水平、垂直等空間波束賦形功能，所以又稱為3D MIMO或Large Scale MIMO。它在基站側通過安裝大量天線（≥8，通常為16T16R、32T32R、64T64R及以上）組成天線陣列系統，從而實現大量的天線同時發送數據，是多天線技術演進的一種高端形態。

2.1 理論基礎

采用大規模天線能夠提升系統容量和頻譜利用效率，主要是基于以下理論：

（1）多天線信息理論證明，當無線鏈路收發兩端采用多個天線時，該網絡的極限容量會遠超采用單天線的系統。

（2）根據概率學統計原理，當發端天線數量遠大于收端時，發端到收端各個用戶的無線鏈路將趨于正交，用戶間干擾將趨于消失；巨大的陣列增益能夠有效提升每個用戶的信噪比，從而能夠在相同的時頻資源共同調度更多用戶。

（3）大規模天線具有波束賦形功能，在水平、垂直三維空間形成多個高增益窄波束，提高覆蓋能力的同時，降低了用戶之間的干擾。在波束賦形功能基礎上還可基于無線網絡情況進行空間復用和空間分集，提升網絡容量或提高鏈路健壯性。

2.2 測試結論

根據我國5G技術研發試驗第一階段關鍵技術驗證中針對大規模天線的測試，結論如下：

（1）在用戶水平分散分布與水平+垂直分散分布兩個測試場景下，峰值吞吐量達到4 Gb/s@100 MHz，相比于單用戶雙流的峰值速率（478 Mb/s），增益超過8倍；

（2）用戶分布的相關性對MU-MIMO的性能影響較大。密集分布場景相對分散分布峰值，吞吐量下降25%。

2.3 天線形態

Massive MIMO在5G網絡中通常與RRU合設，即天線與射頻單元合二為一，稱為有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）。與傳統分離方案相比，AAU方案提高了天饋系統集成度，減少了饋線損耗，降低了站點負荷。對于頻率較低、容量需求較低以及通道數量較少的情況，也可采用天線與RRU分離的方案。

5G大規模天線典型規格如圖1所示。

圖1 5G大規模天線典型規格圖

從圖1可看出，頻段越高，天線體積越小，是5G采用大規模天線技術的有利條件之一，尤其是在高頻段和毫米波的應用。典型3.5 GHz大規模天線規格圖如圖2所示。

圖2 典型3.5 GHz大規模天線規格圖

2.4 天線映射

影響大規模天線性能的參數包括振子數及布局、自由度和通道數等。

振子數一般為128和192。振子數越多，波束越窄，能量越集中，對覆蓋越有利。同樣的振子數量，基于某一方面天線性能考慮，可以有不同布局。如圖3中16TRX（8H2V）與32TRX（8H4V），天線振子數量一致，水平自由度一致，但通道數量差1倍、垂直自由度差1倍，導致二者在垂直賦形能力、提升系統容量方面存在差別。

自由度（T）。垂直面達到2T及以上，可以實現3D MIMO，實現更大范圍的垂直覆蓋。垂直面存在多T，能夠獲得覆蓋角度所需的相位差，是3D-BF的基本條件。垂直面1驅N，N越大，兩T之間的距離越大，可轉動角度越小。1驅6場景下比1驅3角度小50%。

通道數也可以理解為TRX數，一般為8、16、64和128等。通道數越多，系統容量越大。

圖3為移動通信中常用的MIMO天線映射圖。

圖3 常用天線映射圖

以64TRX為例，圖3中每個交叉的×表示一對采用交叉極化方式安裝的陣子，而一個方框代表多個陣子連接一個功放（Power Amplif i er，PA）。考慮到雙極化因素，64TRX天線共包含64個PA，每PA連接3個陣子。從振子布局可看出，垂直面1個PA驅動3個天線振子，水平面1個PA驅動1個天線振子，于是有：

3（垂直面1T陣子數）×4T（垂直面TRX數）×1（水平面1T陣子數）×8T（水平面TRX數）×2（雙極化）=192陣子 （1）

3 大規模天線在5G網絡中的應用

在即將規模部署的5G網絡中，大規模天線會廣泛應用。目前，主流5G天線類型主要包括64TRX、32TRX和16TRX共3種。下面從應用場景和天線選型兩方面進行介紹。

3.1 應用場景

針對大規模天線能提升系統容量、增強覆蓋尤其是高層覆蓋、抑制干擾的特性，主要應用場景如下。

3.1.1 高業務量場景

高業務量場景主要指密集城區、CBD以及商務區等。這些區域數據業務爆炸性增長，在新建站址越來越難的現狀下，存量網絡的頻譜效率需大幅提升。通過上行多用戶虛擬MIMO，最大支持8流，多個UE配對復用相同的上行時頻資源，同時傳輸多流數據，提高小區的平均上行吞吐率。下行MU-BF最大支持16流：同一個時頻資源上傳多個下行數據流，從而提高下行傳輸的頻譜效率。

3.1.2 高層覆蓋場景

例如，高層住宅小區。通過垂直波束賦形能力進行高樓層覆蓋，波束間垂直角度大，不同波束覆蓋不同樓層，可解決高樓站址緊張、墻體穿損大以及信號難以控制等痛點。在同等水平波束的情況下，8T8R場景垂直波束固定為6.5°左右；Massive MIMO可以靈活定制水平和垂直波寬，有效提升高樓場景的覆蓋2～10 dB。

3.1.3 高干擾場景

類似大型場館組織各類活動時，人流量及業務量密度非常大。通過波束賦形功能準確跟蹤用戶，可有效抑制干擾，提升網絡容量。

3.2 天線選型

下面從覆蓋、容量以及造價等方面對64TRX、32TRX和16TRX共3種天線進行比較。

3.2.1 覆蓋性能對比

根據測試，相對于16T16R，32T32R覆蓋提升3～4 dB，64T32R覆蓋提升5～6 dB，3D MIMO對提升覆蓋增益明顯，具體見圖4和圖5。

3.2.2 容量對比

16TRX、32TRX、64TRX隨著通道的增多，帶給網絡的容量增益越大。測試數據顯示，在平均站距500 m的條件下，64TRX相對16TRX帶來2倍多的容量增益。

3.2.3 造價對比

64TR天線成本為32TR的1.5倍，為16TR的2倍以上。

圖4 覆蓋性能對比圖

圖5 垂直面覆蓋性能對比圖

3.2.4 結果與分析

通過表1比較：密集城區建議選擇64TRX天線，同時兼顧覆蓋與容量；一般城區基于建設成本考慮，推薦選用32TRX或16TRX，局部區域可考慮64TR天線，后續若天線成本大幅下降，可直接考慮采用64TR天線；農村區域5G部署頻段預計會采用對現有頻譜進行重耕，受限于天線尺寸制約，預計天線仍會采用現有形式，可考慮采用2T2R和4T4R天線類型。

4 結 論

理論及測試均證明，大規模天線在5G網絡中應用能高效提升頻譜效率、提高系統容量、降低小區干擾。5G建設目前處于試驗網預商用階段，大規模建設即將到來。針對大規模天線的應用，要綜合考慮場景特性、天線特性以及造價等多方面因素，合理選擇天線類型。

表1 常用天線參數對比表