5G 增強移動寬帶的massive-MIMO 技術性能分析

楊東來

（華信咨詢設計研究院有限公司，杭州 310051）

1 5G 增強移動寬帶的系統模型構建

MIMO 技術是將多個天線單元設置在收發兩端，用以收發傳輸信號[1]。大規模MIMO 概念是Bell 實驗室的科學家Marzetta在多小區、TDD 場景下提出的[2]。massive-MIMO 技術是以傳統MIMO 技術核心思想為基礎，通過增加發射與接收天線的數量，實現分集或復用大規模天線陣列，以保證在不改變發射功率和頻率資源的狀態下，大幅度提升移動網絡通信性能。在eMBB 應用場景中，massive-MIMO 技術是重要的關鍵技術之一，下面基于massive-MIMO 技術構建系統模型。

本系統模型采用2D 有源天線陣列構建起massive-MIMO 系統，每個天線包含的天線面板數量為Mg×Ng個，各天線位于同一平面上，間距與輻射方向相同，形成大規模天線波束成形模型[3]，如圖1所示。通過計算數字波束成形中的數字預編碼增益，以及模擬波束成形中的模擬成形增益，兩者之和即為大規模天線增益。

圖1 大規模天線波束成形示意圖

基于大規模天線陣列的波束成形，可計算出用戶k 接收端的信噪比SINRk，計算公式如下：

式中，PT表示發射功率 ；L（i，k）表示服務基站 i 與用戶 k 之間信號的路徑損耗；L（j，k）表示干擾基站j 與用戶k 之間的信號路徑損耗；θ 表示基站與用戶的垂直夾角；θbeam表示波束的俯仰角，取值范圍為0°到180°；φ 表示基站與用戶的水平夾角；φbeam表示波束的指向角，取值范圍為 -180°到180°；Gk，i，A（θ，φ，θbeam，φbeam）表示基站i 對用戶k 的模擬波束成形增益；Gk，i，D表示基站 i 對用戶 k 的數字波束形成增益；Gk，j，A（θ，φ，θbeam，φbeam）表示基站 j 用戶 k 的模擬波束成形增益；G_（k，j，D）表示基站j 對用戶k 的數字波束形成增益；N_0表示高斯白噪聲。

2 5G 增強移動寬帶massive-MIMO 技術性能分析

下面分別以室內熱點小區與城市宏小區兩個應用場景的仿真為視角，分析massive-MIMO 系統的技術性能，為滿足eMBB 的性能要求提供最佳的配置方案。在eMBB 場景應用中，設基站間距為200m，仿真寬帶為100MHz，載波頻率為3.5GHz，天線高度為25m，MIMO 模式最高支持8流傳輸。

2.1 基于城市宏小區仿真的關鍵技術性能分析

城市宏小區由三個扇區覆蓋，在基站端共有4個天線面板，每個天線面板上的天線數量為4×8=32根。接收端天線共32根。天線波束水平與垂直方向分別為[-60，60]、[90，160]。在數字波束成形中設置SVD 預編碼，采用MMSE 接收機接收信息，在模擬波束成形中選擇最佳性能的波束生成模擬預編碼，其信號具備空域分布特性，能夠確保用戶獲得大規模天線陣列增益。數字預編碼根據信道信息對發射端信號進行預處理，動態調節功率和相位，以達到接收端功率增益的目的，提高用戶SINR。當城市宏小區配置256×32根天線時，可使用戶SINR 達到最大值，即提升20dB。

2.2 基于室內熱點仿真的關鍵技術性能分析

在室內熱點小區的基站端設置2個天線面板，每個天線面板上的天線數量為4×8=32根，共64根天線，接收端設置1個天線面板，共32根天線。在數字波束成形中設置SVD 預編碼，采用MMSE 接收機接收信息，在模擬波束成形中選擇最佳性能的波束生成模擬預編碼。通過對比城市宏小區仿真結果可知，由于室內熱點小區仿真區域明顯偏小，所以在兩者波束相同的條件下，室內熱點小區的波束精確度相對更高。然而，波束數量的增多會增加波束選擇算法的復雜程度，所以還需考慮算法因素來確定預編碼波束，以達到最佳的網絡性能提升效果。當室內熱點小區配置64×32根天線時，可使用戶SINR 達到最大值，即提升25dB。

3 結束語

總而言之，天線配置方案對移動寬帶用戶的頻譜效率和信噪比能夠產生直接影響。通過采用massive-MIMO 技術組建大規模天線陣列，優化設計天線配置方案，可滿足5G 增強型移動寬帶場景的應用要求，大幅度提升用戶接收端的信噪比，保證大規模天線的性能。