5G MIMO 部署策略研究*

劉東升，王建斌

（1.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2.中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310001）

0 引言

當前，國內各大運營商都積極部署5G 商用網絡。Massive MIMO(Massive Multi Input Multi Output，大規模多入多出) 天線技術是5G 最重要的關鍵技術之一，與4G 天線部署有著較大的區別。Massive MIMO 天線的合理部署能夠顯著提升網絡容量，增加頻譜效率，增加覆蓋范圍。本文在分析Massive MIMO 關鍵技術的基礎上，針對不同場景的特點，給出了針對性的5G MIMO 天線部署建議，無論在網絡規劃理論方面還是工程實踐方面都具有積極的現實意義。

1 5G 大規模MIMO 特點

5G 網絡架構和設備形態較4G 都有較大變化，其中最核心的變化是天線端的差異。5G 無線網絡分為有源天線單元 AAU 和BBU，其中5G AAU 整合了4G RRU 和天線的功能。

5G AAU 采用具有大規模 MIMO 功能的天線形態，而5G 高頻的特性使得Massive MIMO 天線尺寸得以減小，使得射頻單元和天線的集成更具工程可操作性，目前集成射頻單元RRU 和天線的AAU 已經成為業界共識。

MIMO 信道模型:

其中，x：接收信號；s:發射信號。

傳輸速率:

其中，I：單位矩陣；nr：接收天線數；nt：發射天線數；G：通道矩陣

5G Massive MIMO 系統的空間維度與現有4G MIMO 系統相比顯著提高，能深度挖掘空間維度資源，使得基站覆蓋范圍內的多個用戶在同一時頻資源上利用大規模MIMO 提供的空間維度與基站同時進行通信，提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力，從而在無法進一步增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率。

圖1 5G MIMO 和4G MIMO 功能對比

5G Massive MIMO 系統更多的振子數量可形成更窄的波束，集中輻射于目標空間目標區域，從而使基站與UE 之間的射頻傳輸鏈路上的質量更好，減少天線空間輻射功率的無用衰耗。

5G Massive MIMO 系統具有強健的性能。由于基站側通道數目遠大于UE 側，系統具有很高的空間自由度和抗干擾能力；隨著通道數的增加，高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響也將進一步減少。

表1 5G MIMO 和4G MIMO 波束賦形能力對比

3 5G Massive MIMO 應用場景化研究

3.1 5G Massive MIMO 天線選型

由于5G 網絡采用Massive MIMO 天線，可以利用天線的特性根據覆蓋場景需求進行天線參數選擇。典型的MIMO 天線振子排布如圖2 所示：

其中64T64R/32T32R 屬于5G Massive MIMO 新技術工藝，而16T16R/8T8R 屬于4G 傳統技術工藝。考慮到賦形增益、移相器插損等，64T64R/32T32R較16T16R 的增益提升在5dB 以上。

5G Massive MIMO 天線選型，除了考慮增益，還應考慮波束賦形特性。在當前5G 網絡建設中，常用的是64T64R、32T32R 和8T8R MIMO 天線。典型的32T32R 天線有2 個垂直維度，1 維度覆蓋小區邊緣；2 維度提升近點深度覆蓋；典型的64T64R 天線有4 個垂直維度，1 維度覆蓋小區邊緣，2、3、4 維度根據深度覆蓋和減少干擾需要精細化調整。因此，64T64R 天線非常適合容量要求高、可能產生較大干擾的密集城區，以及縱向覆蓋要求較高的高樓場景。根據相應Massive MIMO天線特性，當前5G 建設典型場景的設置建議如下：

密集城區和CBD 區域樓宇密集，高樓林立；業務容量需求最大。建議采用64T64R 天線進行波束賦型，開啟單用戶/多用戶多流，大幅提升容量、改善高樓內覆蓋、控制干擾。區域內高樓通過垂直維度波束增強內部覆蓋。

一般城區根據業務容量需求分析針對性選擇64T64R 或 32T32R 天線。

高鐵等線覆蓋場景傳播環境相對簡單，Massive MIMO優勢并不明顯，建議采用8T8R天線進行覆蓋。

3.2 5G Massive MIMO 廣播信道波束配置

對于5G 廣播信道、公共控制信道，5G Massive MIMO 天線的波束賦形采取靜態預設權值的方式，對于UE(User Equipment，用戶終端設備)專用信道采用可變動態權值的方式。

圖2 5G MIMO 振子排布示意圖

小區覆蓋的用戶分布是不均勻的，特別是高層建筑物較多的密集城區。用戶的立體分布隨建筑物而變化，這就需要將天線的能量集中于這些用戶密集的高價值區域，以提升用戶的整體體驗，獲得更好的投資回報。4G 天線通過寬波束進行方位角和下傾角的整體調整。

5G 廣播信道波束配置，就是指對5G 廣播信道的水平波束寬度、垂直波束寬度、下傾角、方位角等進行規劃。工程規劃中，可以結合4G 現網MR(Measurement Report，測量報告)和5m 高精度電子地圖確定的目標區域，對廣播信道波束進行精確配置和優化。

5G 廣播信道通常采用7 或8 個子波束進行小區范圍內輪詢掃描。對于2.6 GHz 頻段、5 ms 單周期結構最大可支持8 個子波束；3.5 GHz 頻段、2.5 ms 雙周期結構最大可支持7 個子波束。

圖3 5G SSB 廣播信道輪詢示意圖

對于城市復雜環境，簡單的廣播信道輪詢沒有明顯優勢，為了更好地體現波束賦形的優勢，不同場景BBP (Broadcast Beam Pattern,廣播信道波束模式) 配置建議如下：

1.配置垂直寬波束進行高樓深度覆蓋

使用垂直面覆蓋比較寬(建議垂直半波寬度20°以上)的波束，從而提升垂直覆蓋范圍；水平半波寬度一般不超過60°。

圖4 5G MIMO 高樓垂直波束分層覆蓋

2.配置中等寬度波束覆蓋商業區

商業區廣場、高樓、中低樓錯落，傳播環境復雜、干擾較大。

圖5 5G MIMO 城市商業區道路多波束覆蓋

建議使用水平中等寬度波束+垂直窄波束或中等寬度波束，收縮小區的水平覆蓋范圍(建議水平波束半波寬度90°以下)，減少鄰區干擾的影響，提升容量。

3.配置寬波束+窄波束覆蓋廣場區域

對于大型廣場和場館近點使用寬波束(建議水平波束半波寬度90°以上)，保證接入；遠點使用高增益窄波束，提升覆蓋。

4 案例分析

為了進一步驗證MIMO 部署的策略，選擇密集市區CBD 典型場景進行5G 不同的Massive MIMO天線進行仿真分析。選取區域場景如下：

圖6 密集市區場景示意圖

區域為典型CBD 區域，共約0.5 平方公里。區域內100m 以上高樓林立，還有裙樓、廣場，主要為高端辦公樓和大型商業中心，人流密集，數據流量需求極高。

該區域設置5 套5G 基站，現采用64T64R 和32T32R 分別進行SS-RSRP 覆蓋預測。工程和網絡參數設置如下：

表2 5G Massive MIMO 案例工程參數

32T32R 和64T64R 對于高樓覆蓋的仿真結果對比如下：

圖7 5G MIMO 32T32R 和64T64R 高樓深度覆蓋效果對比圖（圖例下同）

圖8 5G MIMO 32T32R 和64T64R 高樓深度覆蓋率對比圖

仿真結果顯示，由于64T64R 較32T32R 多兩個垂直維度，因此中高樓層的深度覆蓋有顯著的優勢。

在使用64T64R Massive MIMO 的基礎上，為了進一步加強高樓的覆蓋，對廣播信道波束進行配置，設置4 個垂直波束，垂直半寬達到25°。SS-RSRP仿真結果如下，高樓的內部覆蓋進一步增強。

當然，在實際工程建設中，高端商務區域的重要樓宇往往會采用室分系統進行覆蓋，此處主要目的為驗證不同Massive MIMO 天線設置的效果。對于區域內整體室外覆蓋的情況，仿真結果如下：

圖7 5G MIMO 64T64R+Broadcast Beam Pattern 高樓深度覆蓋效果圖

圖9 5G MIMO 32T32R/64T64R/64T64R+廣播信道波束配置覆蓋效果圖

圖10 5G MIMO 32T32R/64T64R/64TR+廣播信道波束配置密集市區覆蓋率

密集市區無線傳播環境復雜，相比較32T32R MIMO，64T64R MIMO 的覆蓋提升效果明顯，≥-75dBm 以上區域覆蓋率提升9%。針對重點業務需求區域進一步采用廣播信道波束配置(Broadcast Beam Pattern)后，≥-75dBm 以上覆蓋率進一步提升6%，整體覆蓋率進一步提升。

64T64R 相比32T32R 有著更好的深度覆蓋、垂直覆蓋能力，更有利于吸收熱點區域的話務；同時采用廣播信道波束配置(Broadcast Beam Pattern)后，覆蓋能力進一步提升。

基于以上分析，在當前5G 網絡工程建設中，可針對不同場景相應設置5G Massive MIMO 天線和廣播信道波束，有效提升密集城區覆蓋。

表3 5G MIMO 部署策略建議

5 結語

當前國內主要城市城區已經部署了5G 網絡，覆蓋城區熱點業務區域。5G 無線網絡與4G 網絡最根本的區別之一就是5G Massive MIMO 技術的運用。5G 網絡由于初期頻段在sub 6GHz，后期達到毫米波頻段，相比4G 網絡其高頻段的覆蓋能力的差距在相當程度上依靠Massive MIMO 天線技術來補償。

在工程建設中如何更充分地發揮5G Massive MIMO 分集、復用、3D 波束賦型的能力，解決覆蓋、容量、干擾問題，是5G 無線網絡規劃、建設和優化面臨的重大挑戰。

針對以上背景，本文結合現網情況和技術演進，分析了5G Massive MIMO 天線的選擇、廣播信道波束配置等問題，提出了針對不同場景的天線選型和波束配置建議，并選取典型場景進行仿真分析驗證，為5G 無線網絡規劃、建設和優化提供了有意的參考。