關(guān)于福州電信5G 室內(nèi)分布式Massive MIMO 創(chuàng)新試點的研究

［陳金］

1 引言

5G 商用牌照發(fā)放2 年多來，我國5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)穩(wěn)步推進，至2021 年末，國內(nèi)各大運營商已基本上完成了縣城以上的5G網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋，同時也對機場、火車站、地鐵、高校、大型場館、大型商超等高流量高價值的室內(nèi)場景進行了5G 室分覆蓋。

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)及5G 業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，高流量高價值等重點室內(nèi)場景對5G 網(wǎng)絡(luò)在覆蓋、容量、吞吐率、切換等方面都有著非比尋常的要求，如果僅僅采用傳統(tǒng)優(yōu)化手段處理，伴隨著5G 終端用戶的不斷普及與發(fā)展，該類重點室內(nèi)場景5G 網(wǎng)絡(luò)后續(xù)必然會面臨容量不足、速率體驗不佳、用戶投訴等問題，導致影響5G 業(yè)務(wù)運營。

本文以5G 分布式Massive MIMO 的創(chuàng)新理念和工作原理為基礎(chǔ)，通過典型案例，研究驗證了使用該方案與傳統(tǒng)優(yōu)化方案在覆蓋、容量、吞吐率、切換等方面所展示的提升與增益情況，為今后5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中使用該方案提供借鑒。

2 技術(shù)原理

2.1 分布式Massive MIMO 原理

5G 室內(nèi)分布式Massive MIMO 技術(shù)將宏站Massive MIMO 技術(shù)理念引入到室內(nèi)形成分布式、邏輯天線、空間隔離及空分復用等特性，通過聯(lián)合波束賦形技術(shù)將重疊區(qū)域干擾變成增強信號，有效解決室內(nèi)5G 小區(qū)重疊區(qū)域的干擾問題，加強了用戶終端體驗感知，如圖1 所示。MUMIMO 技術(shù)通過空間隔離實現(xiàn)pRRU 的多波束空分復用，上下行用戶配對將小區(qū)容量顯著提升。

圖1 分布式Massive MIMO 創(chuàng)新理念

高流量高價值等重點室內(nèi)場景，通過小區(qū)分裂的傳統(tǒng)擴容方式，由于NR 同頻部署導致的小區(qū)間嚴重的干擾，可能出現(xiàn)小區(qū)分裂后，區(qū)域內(nèi)容量沒有增加甚至降低的情況。通過將工作在相同頻段上的射頻模塊所覆蓋的n 個連續(xù)覆蓋的4T4R 小區(qū)，合并為一個4nT4nR 的小區(qū)來消除小區(qū)邊界，降低小區(qū)間干擾，如圖2 所示。合并后形成的Massive MIMO 小區(qū)可以通過MU-MIMO 功能來提升系統(tǒng)的上下行容量和頻譜效率。

圖2 化干擾為增強信號，通過聯(lián)合Beamforming 和多用戶MIMO 提升容量與體驗

啟用分布式Massive MIMO 功能后，gNodeB 通過測量UE 在多個TRP 下的SRS RSRP 差值來識別交疊區(qū)用戶。當UE 處于交疊區(qū)，多個TRP 對該交疊區(qū)用戶的業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)進行聯(lián)合傳輸，提升UE 吞吐率。對于非交疊區(qū)用戶，當NRDUCellAlgoSwitch.MuMimoSwitch下的子開關(guān)“UL_MU_MIMO_SW”或“DL_MU_MIMO_SW”打開時，多個TRP 的波束可以空分復用同一個PUSCH 或PDSCH 時頻資源，復用最大層數(shù)，如表1 所示。

表1 多用戶空分復用的最大層數(shù)

2.2 TRP 概念

分布式Massive MIMO 特性中TRP 規(guī)格與普通NR TDD 小區(qū)TRP 規(guī)格（1 個TRP 內(nèi)支持的射頻合路pRRU 數(shù)、支持的TRx 數(shù)、CPRI 帶寬消耗等）相同，差異點在于包含1 個主TRP 和2～15 個從TRP，從TRP 需要通過配置“主TRP 標識”參數(shù)關(guān)聯(lián)到主TRP。

為了描述方便，合并后的小區(qū)叫做分布式Massive MIMO 小區(qū)。

一個分布式Massive MIMO 小區(qū)需要通過MML 命令A(yù)DD NRDUCELLTRP 來添加多個TRP，當前支持合并的TRP 個數(shù)為2 到8，其中一個為主TRP、其他的均為從TRP，只有主TRP 需要指定基帶設(shè)備，從TRP 僅包含射頻信息，主從TRP 共用相同的基帶設(shè)備。主TRP 通過NRDU Cell Trp.TrpType 為“MASTER_DM_MIMO”來指定，從TRP 添加時需要將NRDUCellTrp.TrpType 為“SLAVE”，并且通過NRDUCellTrp.MasterTrpId 指定主TRP。分布式Massive MIMO 小區(qū)是否生效還需要通過NRDUCellAlgoSwitch.DmMimoSwitch 的子開關(guān)“DM_MIMO_SERVICE_SWITCH”來配置。

3 應(yīng)用場景

3.1 ToC 場景

高流量高價值等重點室內(nèi)場景，典型場景包括機場、火車站、地鐵、高校、大型場館、大型商超等，其特點人流稠密，頻繁出現(xiàn)業(yè)務(wù)高峰。

對規(guī)劃的挑戰(zhàn)：單小區(qū)容量不足，多小區(qū)干擾嚴重。

對運營的挑戰(zhàn)：多為品牌、口碑場景，網(wǎng)絡(luò)問題容易造成用戶投訴，嚴重可能導致用戶流失。

3.2 ToB 場景

行業(yè)應(yīng)用需要大上行、下行網(wǎng)絡(luò)條件，典型場景包括高清直播、遠程醫(yī)療、高端制造等，對上下行容量大、數(shù)據(jù)速率穩(wěn)定等有強烈需求。

容量挑戰(zhàn)場景：影像傳送，機器視覺檢測等應(yīng)用，要求上行容量500 Mbit/s～2 Gbit/s，下行容量300 Mbit/s～1 Gbit/s以上。

4 設(shè)備要求

硬件要求：以華為5G 設(shè)備為例，如表2 所示。

表2 設(shè)備硬件選型與性能表

DMM 小區(qū)規(guī)格：

（1）單DMM 小區(qū)支持TRP 收發(fā)通道4T4R；

（2）單DMM 小區(qū)支持TRP 個數(shù)：2～16；

（3）單DMM 小區(qū)上、下行流數(shù) DL/UL：16/8（2:3配比除外）；

（4）單DMM 小區(qū)連接用戶數(shù)：1200/Cell；

終端配套：需要終端支持天選，本文選取如表3 所示的這些終端作為測試終端：

表3 終端型號表

5 實施案例

福州電信選取蘇寧廣場二期1、2 層作為5G 分布式Massive MIMO 作為創(chuàng)新試點進行驗證，共涉及PRRU 數(shù)量23 個，覆蓋面積7 287 m2。

開通前：蘇寧廣場二期三層劃分為一個數(shù)字化室分小區(qū)；

開通后：蘇寧廣場二期三層劃分為1 個室分Massive MIMO 小區(qū)，小區(qū)共劃分為8 個TRP，如圖3、圖4 所示。

圖3 1F 的TRP 劃分圖

圖4 2FTRP 劃分圖

6 指標對比

6.1 MU 測試結(jié)果對比

測試點位：1FPRRU01、1FPRRU05、2FPRRU01、2FPR- RU06，4 個用戶同時在4 個點位測試，如圖5、圖6 所示。

圖5 測試點位圖1

圖6 測試點位圖2

測試結(jié)果：

下載：小區(qū)下行吞吐率均值為3.7 Gbit/s，峰值達到3.8 Gbit/s，較整改前774.09 Mbit/s提升4.82倍，如表4所示。

表4 下載吞吐量對比表

上傳：小區(qū)上行吞吐率均值為837.70 Mbit/s，峰值達到853.21 Mbit/s，較整改前的257.19 Mbit/s 提升3.26 倍，如表5 所示。

表5 上傳吞吐量對比表

6.2 SU 測試結(jié)果對比

整改前后下載整體指標對比

下載：

整改前：PDCP 層下載速率均值為637 Mbit/s，其中高于1 000 Mbit/s 的比例僅為5.16%；

整改后：PDCP 層下載速率：均值為1.06 Gbit/s，其中高于1 000 Mbit/s 的比例為71.55%。

測試詳細對比如圖7 所示。

圖7 PDCP 層下載速率對比圖

上傳：

整改前：PDCP 層上傳速率均值為257 Mbit/s；

整改后：PDCP 層上傳速率均值為332 Mbit/s。

測試詳細對比如圖8 所示。

圖8 PDCP 層上傳速率對比圖

7 結(jié)論

本文基于5G 分布式Massive MIMO 的創(chuàng)新理念和工作原理，通過對臺江蘇寧廣場二期5G 室分進行整改及測試，測試驗證效果達到整改預(yù)期，整體提升效果如下：

MU 測試：多用戶小區(qū)下行吞吐率達到3.7 Gbit/s，相對于普通小區(qū)提升了4.8 倍，小區(qū)上行吞吐率達到837.70 Mbit/s，相對于普通小區(qū)提升了3.26 倍。

SU 測試：單用戶下行平均速率達到1.16 Gbit/s，相比開通前提升82%，上行平均速率達到336 Mbit/s，相比開通前提升31%。

有了上述理論原理與實際應(yīng)用案例，今后5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)或完善過程中，可以結(jié)合現(xiàn)場覆蓋環(huán)境，設(shè)計使用該方案進行覆蓋，來提升5G 小區(qū)容量與用戶體驗。