5G傳統(tǒng)雙流室分實(shí)現(xiàn)下行四流MIMO方案研究

陸 璐 錢國(guó)寶

1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司鹽城分公司；2.揚(yáng)州大學(xué)

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)手機(jī)信號(hào)的強(qiáng)弱、上網(wǎng)速率、時(shí)延感知越來(lái)越敏感。用戶的主要活動(dòng)范圍在室內(nèi)，大部分流量是在室內(nèi)環(huán)境中產(chǎn)生，室內(nèi)的覆蓋問題一直以來(lái)都是運(yùn)營(yíng)商亟待解決的問題，這主要是因?yàn)槭曳植煌诤暾?，其覆蓋范圍小、針對(duì)性強(qiáng)，一次性投資經(jīng)常難以滿足用戶的需求。本研究介紹了一種雙流+錯(cuò)層覆蓋的低成本、高性能的室分覆蓋解決方案，利用上下樓層間的信號(hào)同時(shí)給用戶提供服務(wù)，從而降低一半的單層投資成本。而在用戶感知上，由于上下樓層可以同時(shí)提供服務(wù)，其上網(wǎng)速率、時(shí)延感知可以得到較大提升。

1 研究背景

無(wú)線通信的室分覆蓋建設(shè)模式已經(jīng)在大量的文獻(xiàn)中得到研究，其作為室分場(chǎng)景的解決方案是一個(gè)主要的研究分支。大部分研究使室分的性能方面得到了提高，但對(duì)于低成本室分系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，且缺少對(duì)建設(shè)成本方面的考量。

當(dāng)前，5G室分部署方式主要有三種方案：（1）傳統(tǒng)室分雙路方案；（2）傳統(tǒng)單路室分錯(cuò)層MIMO方案（MIMO，Multiple Input Multiple Output，多入多出技術(shù)，一種多天線解決方案，可以實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用的能力，從而提高空口傳輸能力）；（3）新型室分方案。其中，新型室分方案和傳統(tǒng)室分雙路方案的雙流效果較好，一般可實(shí)現(xiàn)Rank2及以上占比達(dá)到90%以上（Rank，即秩，在5G系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)空分復(fù)用層數(shù)，即可能采用的下行傳輸流數(shù)）。傳統(tǒng)單路室分錯(cuò)層MIMO方案的雙流效果較差，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響較大，Rank2占比一般在0%到60%之間。

在此背景下，本研究在確保5G用戶感知的前提下，開展5G傳統(tǒng)雙流室分場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)Rank4占比提升研究工作，提高下行至四流傳輸，提高用戶的5G網(wǎng)絡(luò)感知和5G網(wǎng)絡(luò)滿意度，從而找到一個(gè)低成本、高效益的室分覆蓋建設(shè)解決方案。

2 數(shù)據(jù)描述

本研究所用數(shù)據(jù)源分別來(lái)自設(shè)計(jì)院、網(wǎng)管中心OMC、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試輸出軟件Probe。

如圖1所示，室分設(shè)計(jì)圖紙為某設(shè)計(jì)院應(yīng)中國(guó)移動(dòng)要求對(duì)目標(biāo)室分進(jìn)行覆蓋建設(shè)的設(shè)計(jì)圖紙，并通過(guò)相關(guān)的審計(jì)。從設(shè)計(jì)圖紙中我們可以得到目標(biāo)室分覆蓋的走線分布、設(shè)備安裝位置等信息。通過(guò)這些信息可以獲知可能的優(yōu)化提升空間，從而提出針對(duì)性的優(yōu)化解決方案。

網(wǎng)管中心，主要提供實(shí)際覆蓋小區(qū)的邏輯數(shù)據(jù)和用于方案評(píng)估的KPI指標(biāo)數(shù)據(jù)，邏輯數(shù)據(jù)有小區(qū)CGI（Cell Global Identity，小區(qū)全球標(biāo)識(shí)）、RRU（Remote Radio Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）、射頻通道、小區(qū)功率等。KPI（Key Performance Indicator，關(guān)鍵性能指標(biāo)）指標(biāo)數(shù)據(jù)有接通率、掉線率、切換成功率、RANK2以上占比等。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，主要提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的RSRP（Reference Signal Receiver Power，參考信號(hào)接收功率）、SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號(hào)與干擾加噪聲比）、RANK等指標(biāo)數(shù)據(jù)。用于目標(biāo)方案的前后驗(yàn)證，以確認(rèn)目標(biāo)方案的影響，評(píng)估目標(biāo)方案的可行性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 基本原理

傳統(tǒng)室分系統(tǒng)的部署方式一般為單流部署，其天饋系統(tǒng)無(wú)法滿足多流的部署要求。在5G上，主要通過(guò)傳統(tǒng)室分錯(cuò)層部署的方式，啟動(dòng)雙流，但性能較室外宏站或者新型室分明顯低了很多，主要原因是物理?xiàng)l件限制導(dǎo)致其在SU-MIMO模式下，用戶依然無(wú)法超過(guò)2流的數(shù)據(jù)限制。為了降低部署要求，并實(shí)現(xiàn)大于2流的傳輸目標(biāo)，采用平層雙流+錯(cuò)層覆蓋的方式，使得上下層間可以形成大于2流的傳輸條件，構(gòu)成4流傳輸條件。并通過(guò)MU-MIMO使得各個(gè)RRU之間構(gòu)成空分條件，從而實(shí)現(xiàn)小區(qū)吞吐能力的成倍提升。

MIMO（Multiple Input Multiple Output）是一種成倍提升系統(tǒng)頻譜效率的技術(shù)，它泛指在發(fā)送端和接收端采用多根天線，并輔助一定的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)完成通信。MIMO提升系統(tǒng)頻譜效率的能力和天線數(shù)目強(qiáng)相關(guān)。5G宏站使用大規(guī)模天線陣技術(shù)來(lái)提升空分能力，室分場(chǎng)景只能通過(guò)提升通道數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

MIMO通過(guò)綜合使用信號(hào)處理技術(shù)可以獲得接收分集、波束賦形、空間復(fù)用等增益，提升系統(tǒng)容量，提升頻譜效率。上行接收分集原理如圖2所示。

圖2 上行接收分集原理圖

UE發(fā)送的信號(hào)x經(jīng)過(guò)不同的信道到達(dá)gNodeB的M根天線r1-rM，gNodeB對(duì)各路接收信號(hào)分別乘以權(quán)值wi，然后對(duì)各天線上的信號(hào)進(jìn)行合并，得到信號(hào)y。合并后的信號(hào)可以表示為：y=W（Hx+N）。其中，W=（w1……wM）為各天線的接收權(quán)值組成的1*M維的向量；H=（h1……h(huán)M）T為M*1空間信道矩陣。hi為信道系數(shù)，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算。信號(hào)經(jīng)歷信道后幅度和相位都會(huì)發(fā)生變化，信號(hào)乘以信道系數(shù)得到經(jīng)歷信道后的信號(hào)；N=（n1……nM）T為各天線接收到的噪聲組成的M*1維的向量；x：發(fā)送信號(hào)。下行波束賦形是指gNodeB側(cè)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)加權(quán)后，形成帶有方向性的窄波束。

加權(quán)原理如圖3所示，待傳輸?shù)男盘?hào)，在不同的天線邏輯端口用不同的權(quán)值（w1……wM）進(jìn)行加權(quán)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度和相位的改變。多天線發(fā)射，輸出的信號(hào)疊加后呈現(xiàn)出一定的方向性，指向UE。天線越多，波束越窄，也可以更靈活的控制波束的方向。

圖3 加權(quán)示意圖

圖3中權(quán)值（w1……wM）需要根據(jù)下行信道情況計(jì)算得到，用于改變波束寬度和方向。

計(jì)算權(quán)值有兩種不同的方法：通過(guò)SRS（Sounding Reference Signal）計(jì)算權(quán)值的過(guò)程，權(quán)值簡(jiǎn)稱為SRS權(quán)；通過(guò)PMI（Precoding Matrix Indication）計(jì)算權(quán)值的過(guò)程，權(quán)值簡(jiǎn)稱為PMI權(quán)。

對(duì)于TDD低頻小區(qū)，天線數(shù)為4T4R及以上時(shí)，gNodeB支持下行SRS權(quán)與PMI權(quán)自適應(yīng)功能，即自適應(yīng)地選擇采用SRS權(quán)或PMI權(quán)，使權(quán)值可以更準(zhǔn)確地反映業(yè)務(wù)信道的質(zhì)量，可以提升邊緣用戶的下行用戶吞吐率；天線數(shù)為4T4R以下時(shí)，固定采用PMI權(quán)，不支持SRS權(quán)。

通過(guò)顯著增加收發(fā)天線，獲得更高的陣列、分集、波束賦形增益，提升小區(qū)覆蓋，從而可以提升用戶上行平均吞吐率和用戶下行平均吞吐率。

3.2 方案設(shè)計(jì)

方案分析流程如圖4所示。

圖4 方案設(shè)計(jì)流程圖

該方案依賴于傳統(tǒng)室分，目的是將傳統(tǒng)室分的能力提高到和室外宏站相當(dāng)?shù)乃俾仕?。依賴于廠家的硬件特性，需要實(shí)現(xiàn)RRU雙拼功能。目前，華為廠家21A版本可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)RRU雙拼（此時(shí)，不支持小區(qū)合并），如圖5所示。

圖5 雙拼方案示意圖

具體方案如下：

（1）選取試點(diǎn)目標(biāo)

選取寶龍廣場(chǎng)南側(cè)進(jìn)行方案試點(diǎn)。該小區(qū)的設(shè)計(jì)圖，如圖6所示。

圖6 寶龍廣場(chǎng)室內(nèi)分布設(shè)計(jì)圖

（2）試點(diǎn)條件核定

寶龍廣場(chǎng)南側(cè)區(qū)域經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試核實(shí)為1個(gè)小區(qū)，小區(qū)名：鹽城-亭湖-寶龍城市廣場(chǎng)購(gòu)物中心C區(qū)傳統(tǒng)室分-H5M-2661，小區(qū)下掛8臺(tái)RRU（初步判斷為每層2臺(tái)RRU，分別覆蓋B區(qū)、C區(qū)南部）。

（3）改造方案

C區(qū) 東 南：1F和3F雙 拼 為Sector0，2F和4F雙 拼 為Sector1；

C區(qū) 西 南：1F和3F雙 拼 為Sector2，2F和4F雙 拼 為Sector3；

C區(qū)東南和西南共計(jì)涉及4個(gè)雙拼扇區(qū)，最后將4個(gè)雙拼扇區(qū)合并到1個(gè)小區(qū)。

3.3 方案部署

站型要求：3900&5900系列基站，其中3900系列基站要求BBU為BBU3910。DBS3900&5900 LampSite基 站，其 中DBS3900 LampSite基站要求BBU為BBU3910。

單板要求：UBBPg。射頻要求：RRU5150-D。

小區(qū)要求：兩個(gè)RRU支持的頻率范圍和收發(fā)天線數(shù)相同。支持兩個(gè)同型號(hào)的2R RRU拼成4R的SUL小區(qū)。支持兩個(gè)同型號(hào)的2T2R RRU或兩個(gè)同型號(hào)的2T4R RRU拼成4T4R的小區(qū)；支持兩個(gè)同型號(hào)的4T4R RRU拼成8T8R的FDD P天線小區(qū)。

兩個(gè)RRU的CPRI光纖長(zhǎng)度差不能超過(guò)2km。兩個(gè)RRU的CPRI光纖只支持連接到同一個(gè)制式的基帶板。兩個(gè)RRU只能采用星型或級(jí)聯(lián)組網(wǎng)。對(duì)于級(jí)聯(lián)組網(wǎng)，總的拉遠(yuǎn)距離不超過(guò)20km。

軟件要求：V100R017C00SPC150或以上版本。

本方案選取寶龍廣場(chǎng)C區(qū)東南，僅實(shí)施1F2F方案試點(diǎn)（目的是驗(yàn)證方案的可行性和增益）。

為了避免原有小區(qū)影響，新創(chuàng)建一個(gè)小區(qū)，作為試點(diǎn)小區(qū)，規(guī)劃數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 寶龍廣場(chǎng)C區(qū)小區(qū)規(guī)劃數(shù)據(jù)

改造涉及到MO數(shù)據(jù)的刪除與添加。數(shù)據(jù)配置過(guò)程主要是去激活源小區(qū)，然后對(duì)TRP數(shù)據(jù)進(jìn)行改造，添加新小區(qū)數(shù)據(jù)，最后將TRP和新小區(qū)綁定并激活。

4 結(jié)果

對(duì)上述的部署方案進(jìn)行效果評(píng)估，從網(wǎng)管性能指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)兩個(gè)方面考量。其中，網(wǎng)管性能指標(biāo)是站在網(wǎng)絡(luò)側(cè)角度進(jìn)行方案有效性評(píng)估，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試則是站在用戶的角度對(duì)方案的實(shí)際感知能力做性能評(píng)估。由網(wǎng)絡(luò)側(cè)、用戶側(cè)的雙重評(píng)估結(jié)果來(lái)綜合評(píng)判方案的性能。

4.1 網(wǎng)管指標(biāo)

如表2所示，由于改造區(qū)域只涉及改造前小區(qū)的四分之一，其流量存在明顯收縮，但其業(yè)務(wù)量明顯大于改造前的四分之一。也就是說(shuō)流量相較改造前無(wú)明顯波動(dòng)。改造后無(wú)線接通率、無(wú)線掉線率、切換成功率整體指標(biāo)平穩(wěn)，變化不大。

表2 改造前后指標(biāo)變化

如圖7所示，小區(qū)改造前只有Rank1、Rank2占比，無(wú)Rank3、Rank4占比，即無(wú)3流及以上空分。改造后，Rank3占比高達(dá)47.88%，Rank4占比也占到20.53%，3流及以上空分復(fù)用明顯。

圖7 改造前后Rank變化

4.2 測(cè)試指標(biāo)

現(xiàn)場(chǎng)采用客戶感知體驗(yàn)系統(tǒng)（感知App）和SpeedTest5g兩款測(cè)試軟件進(jìn)行CQT測(cè)試。

如表3所示，傳統(tǒng)雙流室分場(chǎng)景下，在5個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示傳統(tǒng)室分場(chǎng)景在感知App軟件測(cè)試平均下載速率688.35 Mbps，平均上傳速率80.36Mbps；SpeedTest5g軟件測(cè)試平均下載速率717.20 Mbps，平均上傳速率90.21 Mbps。

表3 改造前上傳、下載速率遍歷測(cè)試數(shù)據(jù)

如表4所示，傳統(tǒng)雙流室分+錯(cuò)層MIMO場(chǎng)景下，在同樣5個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)試，感知App軟件測(cè)試平均下載速率927.03Mbps，平均上傳速率83.60Mbps；SpeedTest5g軟件測(cè)試平均下載速率1092.95 Mbps，平均上傳速率94.18Mbps。

表4 改造后上傳、下載速率遍歷測(cè)試數(shù)據(jù)

如表5所示，對(duì)比純傳統(tǒng)雙流室分和傳統(tǒng)室分+錯(cuò)層MIMO方案，后者在下行方向增益明顯，感知App軟件測(cè)試增益高達(dá)34.67%，SpeedTest5g軟件測(cè)試增益高達(dá)52.39%；上行增益相對(duì)較小，但兩款軟件測(cè)試均有小幅抬升約4%。

表5 改造前后上傳、下載速率平均變化

Index感知App SpeedTest5g上傳 下載 上傳 下載增益 4.03% 34.67% 4.40% 52.39%

5G傳統(tǒng)雙流室分+錯(cuò)層MIMO覆蓋方案可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)室分下行4流，下載速率至少提升30%以上，可以大幅提升小區(qū)的下行感知能力，增強(qiáng)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的感知。通過(guò)本次下行四流MIMO方案研究，有效指引5G傳統(tǒng)室分的后期建設(shè)，在保證用戶感知的前提下，實(shí)現(xiàn)降本增效的目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種雙流+錯(cuò)層覆蓋的室分覆蓋解決方案。為了更好地降低網(wǎng)絡(luò)成本，通過(guò)調(diào)整室分的無(wú)源分布系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及小區(qū)和RRU的綁定關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了一種低成本、高性能的解決方案，對(duì)中低容量需求的室分場(chǎng)景信號(hào)覆蓋提供了數(shù)據(jù)支撐和有價(jià)值參考。