采用Massive MIMO進(jìn)行5G覆蓋試點規(guī)劃

黃小光，董俊華，汪偉，徐輝

（華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，杭州 310014）

采用Massive MIMO進(jìn)行5G覆蓋試點規(guī)劃

黃小光，董俊華，汪偉，徐輝

（華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，杭州 310014）

本文對5G試點背景及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹，通過頻譜資源分析，確定采用3.5 GHz作為5G試點的主要頻段；通過不同信道的鏈路預(yù)算分析，發(fā)現(xiàn)采用64T64R的Massive MIMO設(shè)備進(jìn)行5G組網(wǎng)的站址需求與現(xiàn)有4G D頻段組網(wǎng)相當(dāng)；選定連續(xù)覆蓋試點區(qū)域后，綜合考慮試點區(qū)域特性及現(xiàn)有資源配置，最終形成試點區(qū)5G連續(xù)覆蓋異構(gòu)組網(wǎng)方案，并采用仿真技術(shù)對試點后的效果進(jìn)行預(yù)估，在此基礎(chǔ)上，對5G試點采用的新技術(shù)Massive MIMO效果進(jìn)行驗證，得出采用64T64R設(shè)備的小區(qū)容量是當(dāng)前4G站點的3～4倍的結(jié)論，為新技術(shù)應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)5G商用總結(jié)規(guī)劃建設(shè)經(jīng)驗。

5G；Massive MIMO；仿真；吞吐量

ITU確定了IMT-2020（5G）的增強(qiáng)移動寬帶場景(eMBB)，低功耗大連接場景(mMTC)和低時延高可靠場景(uRLLC)三大類應(yīng)用場景，5G網(wǎng)絡(luò)將提供更低時延、更高的峰值速率以及海量的連接數(shù)，將真正實現(xiàn)向超寬帶+萬物互聯(lián)發(fā)展方向。要滿足面向未來業(yè)務(wù)高速率低時延的發(fā)展需求，需要采用更先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)，5G將采用包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、高階調(diào)制、非正交傳輸和全雙工等關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)各通信企業(yè)及研發(fā)機(jī)構(gòu)均已對5G技術(shù)進(jìn)行全方位突破，如近期由華為主推的Polar碼（極化碼）被確定為5G短碼信令標(biāo)準(zhǔn)等，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化工作奠定堅實基礎(chǔ)。

為更好響應(yīng)國家未來寬帶戰(zhàn)略、數(shù)字信息發(fā)展、萬物互聯(lián)互通發(fā)展需求，驗證新技術(shù)特性，總結(jié)5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃發(fā)展經(jīng)驗，推動打造中國自己5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究，本文就目前國內(nèi)已相對成熟5G技術(shù)成果，通過采用包括大規(guī)模天線（Massive MIMO）、超密集組網(wǎng)、高階調(diào)制等在內(nèi)的5G核心關(guān)鍵技術(shù)，以某商業(yè)交通干道為案例進(jìn)行5G連續(xù)覆蓋試商用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

1 5G覆蓋試點背景

1.1 試點技術(shù)及場景

Massive MIMO是使用大規(guī)模陣列天線實現(xiàn)在三維空間產(chǎn)生靈活指向用戶的非常窄的波束，通過精確的信道相關(guān)性估計、用戶配對、干擾抑制賦形等，在有效抑制對復(fù)用用戶干擾、不損失服務(wù)用戶主瓣方向能量的前提下能夠滿足空域16流、32流或更多流進(jìn)行復(fù)用，從而將頻譜效率提升4～6倍。同時，由于更多用戶可以在相同資源上并行傳輸，也進(jìn)一步提升小區(qū)吞吐量及邊緣用戶速率。

由于Massive MIMO技術(shù)提供更高維度的空分復(fù)用、更強(qiáng)的波束賦形能力，適合在高業(yè)務(wù)場景下進(jìn)行使用。從現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)分布看，目前通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計可發(fā)現(xiàn)約20%的熱點區(qū)域承載近80%的業(yè)務(wù)流量，且出現(xiàn)熱點更熱的現(xiàn)象，諸如城區(qū)CBD、商業(yè)中心等核心區(qū)域，一方面用戶集中、業(yè)務(wù)需求量大，另一方面存在高樓遮擋、深度覆蓋不足等問題，因此，采用Massive MIMO進(jìn)行5G試點典型場景選定為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點區(qū)——商業(yè)核心區(qū)域。

圖1 各國6GHz以下中低頻頻譜規(guī)劃使用情況

1.2 頻譜資源分析

IMT已規(guī)劃頻譜總計687 MHz，其中TDD頻率總計345 MHz，F(xiàn)DD頻率總計342 MHz ，現(xiàn)有的頻譜資源無法滿足未來發(fā)展需求，因此，5G系統(tǒng)優(yōu)先考慮采用中低頻頻譜（6 GHz以下）進(jìn)行規(guī)劃，同時，未來進(jìn)一步開拓研究更高頻段（6 GHz以上）的頻譜資源可行性。

對于6 GHz以下中低頻頻譜，5G組網(wǎng)可優(yōu)先采用已經(jīng)規(guī)劃但在中國還未使用的（如3.4～3.6 GHz）IMT頻段，后續(xù)進(jìn)一步推動新的IMT頻段劃分，如3.3～3.4 GHz，4.4～4.5 GHz，4.6～4.99 GHz等。目前我國已明確將3.4～3.6 GHz規(guī)劃用于5G試驗，各國中低頻頻譜資源規(guī)劃情況如圖1所示。

因此，5G試點覆蓋區(qū)主要采用3.5 GHz進(jìn)行規(guī)劃組網(wǎng)。

1.3 站址資源分析

站址需求主要來自于覆蓋及容量兩個方面，對于覆蓋而言，由于目前4G網(wǎng)絡(luò)采用TDD 2.6 G 8T8R方式，試點5G則采用TDD 3.5 G 64T64R組網(wǎng)方式，雖然在頻段上3.5 G對覆蓋處于劣勢，但采用陣列天線帶來的信號增益對頻段劣勢起到很好的補(bǔ)充效果，通過鏈路預(yù)算得到兩種組網(wǎng)方式下不同信道覆蓋情況對比效果如圖2所示。

圖2 不同組網(wǎng)模式下各信道的覆蓋差異對比

從各信道的覆蓋對比效果可以看出，PUSCH信道是主要覆蓋瓶頸且TDD 3.5 G 64T64R覆蓋效果略優(yōu)于現(xiàn)有2.6 G網(wǎng)絡(luò)(約1.3 dB)，因此，在該組網(wǎng)模式下，保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求的5G對站址資源與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)D頻段的需求相當(dāng)。

2 5G新技術(shù)商用試點規(guī)劃

2.1 試點區(qū)域概述

某商業(yè)熱點區(qū)域面積約2.54 km2，包含4個商業(yè)主題功能區(qū)，區(qū)域定位為集商業(yè)、文化、時尚潮流的國際商貿(mào)中心展示區(qū)和亞太時尚潮流引領(lǐng)區(qū)。根據(jù)市政規(guī)劃，區(qū)域內(nèi)包含一條主要商業(yè)交通干道亦需通過改造，定位為集商業(yè)文化、商業(yè)風(fēng)情等為一體的景觀大道，目標(biāo)是向國際著名商業(yè)大道看齊，該大道全長4.7 km，作為5G連續(xù)覆蓋試點規(guī)劃目標(biāo)。區(qū)域總體情況及功能劃分如圖3所示。

圖3 5G試商用區(qū)域分布及功能定位

從樓宇分布情況分析，該區(qū)域無線環(huán)境主要以中低層樓宇為主，其中2～8層建筑占比達(dá)到79%，9～20層的建筑占比15%，而1層建筑和20層以上建筑相對較少，分別占比1%和5%，其中，打造5G覆蓋保障的景觀大道為商業(yè)步行街，所處人流密集區(qū)，因此，5G試商用網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃目標(biāo)主要是實現(xiàn)底層信號的連續(xù)覆蓋及容量感知。

2.2 試點價值定位

規(guī)劃戰(zhàn)略價值：結(jié)合該試點區(qū)的商業(yè)發(fā)展定位，提供區(qū)域內(nèi)信息化服務(wù)需求，提升用戶上網(wǎng)感知體驗；驗證3.5 GHz頻率網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，同時對諸如大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)等5G關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行實際驗證，推動5G技術(shù)完善和發(fā)展；打造5G試商用網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋示范區(qū)，總結(jié)5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)及商用經(jīng)驗。

覆蓋用戶規(guī)模：提取試點片區(qū)內(nèi)現(xiàn)有4G用戶數(shù)峰值數(shù)據(jù)，同時參考與之具有相似物理功能的某路及某區(qū)域峰值用戶數(shù)，綜合作為用戶規(guī)模分析的參考依據(jù)，研究分析得到的結(jié)論如表1所示。

表1 參考區(qū)域的用戶分布情況

綜合區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有4G用戶規(guī)模及以上兩參考區(qū)域綜合情況，預(yù)測該商業(yè)熱點區(qū)總用戶數(shù)將達(dá)到9.8萬，其中某大道可享受到5G優(yōu)質(zhì)服務(wù)的用戶數(shù)為0.97萬。

2.3 站址資源規(guī)劃

5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特點進(jìn)行針對性覆蓋，采用宏站+小微站的方式進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)靈活組網(wǎng)規(guī)劃，面覆蓋以宏站為主，微站補(bǔ)充，對于容量高發(fā)區(qū)利用小微站吸收容量。針對該試點區(qū)功能場景特性及業(yè)務(wù)高熱點特性，上層網(wǎng)絡(luò)選用宏站實現(xiàn)面整體覆蓋，底層選用微站作為底層商鋪深度覆蓋補(bǔ)充及商場吸熱。通過對區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有站點資源分析發(fā)現(xiàn)，該試點區(qū)內(nèi)已有物理宏站116個，微站60個，宏站站間距265 m，根據(jù)前文分析可知，現(xiàn)有宏站站址資源可滿足試點宏站需求，對于微站而言，可優(yōu)先選擇街道兩旁的路燈桿，規(guī)劃站高8～12 m，站間距100～200 m。

根據(jù)以上規(guī)劃原則，可選定某大道5G試商用宏站5個，微站36個，對應(yīng)站址規(guī)劃結(jié)果及覆蓋仿真效果如圖4所示。

從仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，試商用區(qū)域整體實現(xiàn)4G與5G協(xié)同覆蓋，干道上(藍(lán)色電平) 5G信號覆蓋良好，試商用網(wǎng)絡(luò)建成后，可進(jìn)一步開展5G業(yè)務(wù)相關(guān)測試，評估新技術(shù)性能。

3 Massive MIMO效果驗證及應(yīng)用建議

在覆蓋特性方面，與現(xiàn)有普通8通道天線相比，Massive MIMO不僅在水平方向有更佳的波束特性，更是在垂直方向提供了更佳的波束賦型效果，將8T8R與64T64R波瓣圖進(jìn)行疊加對比，效果如圖5所示。

圖4 5G站址規(guī)劃結(jié)果及仿真效果評估

從波瓣圖分析可以發(fā)現(xiàn)，64T64R設(shè)備3dB波束寬度大約為35°、6 dB波束寬度大約為55°，8T8R的3 dB波束寬度大約為5.5°、6 dB波束寬度大約為7°，而在垂直方向大部分角度下，64T64R站點相比傳統(tǒng)8T8R站點均可獲得近15 dB的業(yè)務(wù)波束賦形增益。

在業(yè)務(wù)特性方面，選用已經(jīng)建成的某站點作為測試驗證站點，采用8個終端在信號覆蓋優(yōu)良的地方進(jìn)行定點上傳下載測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖5 天線覆蓋性能對比分析

從單站定點對比結(jié)果測試可以發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)普通4G宏站，采用64T64R的Massive MIMO設(shè)備容量有大幅提升，單站小區(qū)上行吞吐量提升2.7倍（上行37 Mbit/s），小區(qū)下行吞吐量提升2倍（下行325 Mbit/s）。

由此可知，相比現(xiàn)有8T8R設(shè)備，Massive MIMO可以針對不同終端的垂直面多波束，從而實現(xiàn)垂直面空分，不僅提升頻譜效率，也有利于降低鄰區(qū)間干擾；由于其具備大容量特性，不僅可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)吸熱，同時也提升用戶的業(yè)務(wù)使用感知。因此，作為5G關(guān)鍵技術(shù)的Massive MIMO，可提前在現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行部署推廣，建議場景如下。

（1）解決現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋難題之“高樓場景”，以天線距樓約100 m、掛高30 m為例，8T8R約覆蓋10層樓，而在同一位置采用Massive MIMO設(shè)備可覆蓋約25層樓，通過多個波束對應(yīng)不同樓層形成虛擬分區(qū)，實現(xiàn)空分復(fù)用、提升頻譜效率、改善高樓用戶感知。

圖6 Massive MIMO站點容量提升測試結(jié)論

（2）解決現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)容量難題之“高校場景”，高校屬業(yè)務(wù)高度熱點區(qū)，部分高校出現(xiàn)4G站址密集及容量滿擴(kuò)的情況下，小區(qū)資源依舊無法滿足業(yè)務(wù)增長的需求，該場景尤其適宜規(guī)劃采用Massive MIMO進(jìn)行容量吸收，不僅解決了當(dāng)前容量難題，也通過改善學(xué)生感知有利于產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)宣傳效應(yīng)。

（3）對于部分區(qū)域現(xiàn)有4G業(yè)務(wù)過熱區(qū)，站址資源及擴(kuò)容條件有限的場景，建議采用Massive MIMO設(shè)備實現(xiàn)覆蓋及業(yè)務(wù)吸收。

4 結(jié)束語

本文從采用Massive MIMO技術(shù)進(jìn)行5G連續(xù)覆蓋規(guī)劃，通過對場景分析、頻率選取、站址需求分析，得出了5G試點的基本參數(shù)建議，再以某區(qū)域內(nèi)的一條主要道路為例，采用異構(gòu)組網(wǎng)方式進(jìn)行5G試點規(guī)劃。通過仿真技術(shù)進(jìn)而預(yù)判建設(shè)后的5G信號覆蓋效果。針對Massive MIMO新技術(shù)，通過對天線分析及定點測試評估，得出該技術(shù)在覆蓋及容量方面的能力效果，由于目前5G尚未商用，相關(guān)試點規(guī)劃案例有利于進(jìn)一步開展新技術(shù)測試評估，以及為未來5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)積累總結(jié)經(jīng)驗。

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A case study of 5G network planning based on Massive MIMO

HUANG Xiao-guang, DONG Jun-hua, WANG Wei, XU Hui
(Huaxin Consulting Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

This paper introduces 5G experimental background and related technology. Through spectrum resource analysis, 3.5 GHz is determined to be used as the main frequency in 5G experiment. By the analysis link budget of different channel, it is found that site requirements of 5G network building which uses 64T64R Massive MIMO equipment is about the same as current 4G. Considering experimental area’s features and current resource allocation, 5G continuous coverage tridimensional network planning is formed, and the effect will be estimated by simulation technology. On this basis, the effect of new technology Massive MIMO used in 5G experiment is validated, and it draws a conclusion that the cell capacity which uses 64T64R equipment is 3～4 times of 4G sites. It builds the foundation for popularization and application of new technology, and also sums up the experience of planning and construction for further 5G commercial use.

5G; Massive MIMO; simulation; throughput

TN929.5

A

1008-5599（2017）08-0050-05

2017-01-12