1、Massive MIMO 技术4G 化应用研究 陈勇辉 汪玉 琳 陈其 铭 中 国 移动 通 信集 团 设计 院 有限 公 司广 东 分公 司 中国 移 动 通信 集 团广 东 有限 公 司 摘 要： 本文通过对Massive MIMO 技术 4G 化标准进度、 产品情况及测试情况分析, 进一 步验证了它的技术优势, 指出存在问题和提出解决思路, 并总结了 Massive MIMO 技术 4G 化应用的推荐场景, 为该技术后续研究和规模应用提供一定的指 导。 关键词 ： Massive MIMO; 5G; 新技术; 4G; Massive MIMO application on 4G CHEN
2、 Yong-hui WANG Yu-lin CHEN Qi-ming China Mobile Group Design Institute Co., Ltd.Guangdong Branch; China Mobile communication group Guangdong Co., Ltd.; Abstract ： As One of the key technologies for the next generation mobile cellular network (5 G) , with high spectral efficiency and energy efficienc
3、y, Massive MIMO can significantly improve the throughput of the system. On the research of 4 G, the main digging performance of Massive MIMOis thebeamforming on downlink, receive diversity enhancement on uplink as well as other aspects of three-dimensional adjustable on beam. Through the analysis of
4、 Massive MIMO 4 G technology standards progress and product testing, deeply validate its technical superiority, pointed out the problems and propose solution ideas, and summarize the Massive MIMO 4 G technology applications recommended scenarios and provide some guidance for technical follow-up rese
5、arch and scale applications. Keyword ： Massive MIMO; 5G; new technology; 4G; 1 背景 随着中国移动4G 网络覆盖的完善, 4G 用户正快速增长, 从互联网热门视频网站 的资源来看, 720 P 及以上分辨率的视频资源已经逐步成为主流;从终端市场来 看, 1080 P 的分辨率是中端机型基本配置、高端智能机中 2K 屏也已在普及;随 着大流量大视频的到来, 4G 网络核心热点区域的容量压力将进一步加剧。与此 同时, 中国移动缺乏优质的低频段频率资源来改善深度覆盖, F 频段在负责深度 覆盖的时候会带来边缘用户占用大量的
6、码资源, 而F 频段仅30 MHz 的频率资源 将很快到达瓶颈, 导致网络质量、 速率受到明显影响。 为了应对网络即将面临的 挑战, 需要研究在近中期能尽可能兼容现有终端和网络, 能充分利用已有站址 和频率等资源, 大幅提升网络容量的新技术。 2 Massive MIMO 技术 MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 技术指在发射端和接收端分别使用多 个发射天线和接收天线, 使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收, 从而改善通信质量; 它能充分利用空间资源, 通过多个天线实现多发多收, 在不 增加频谱资源和天线发射功率的情况下, 可以成倍的提高系统信道
7、容量。 根据空 时映射方法的不 同, MIMO 技术大致可以分为两类:空间分集和空间复用。空间分 集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去, 同 时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号, 从而获得分集提高 的接收可靠性。 空间复用技术是将要传送的数据可以分成几个数据流, 然后在不 同的天线上进行传输, 从而提高系统的传输速率。 Massive MIMO ( 大规模 MIMO) 基站配置大量的天线数目通常有几十、几百甚至 几千根, 是现有MIMO 系统天线数目的1-2 个数量级以上, 是下一代移动蜂窝网 通信 (5G) 中提高系 统容量和频谱利用率的关键技术。
8、Massive MIMO 显著提高 了系统的空间分辨率, 能够深度挖掘空间维度资源、 提升频谱资源在多个用户之 间的复用能力;它可以形成更窄的波束, 集中辐射于更小的空间区域内, 构建高 效通信系统;当基站天线数目远大于 UE 数目时, 系统具有很高的空间自由度、 抗 干扰能力, 提高了系统的鲁棒性能。 Massive MIMO 技术的 4G 化应用中, 需要考虑与现网已有设备、终端的兼容性, 目前的4G 系统, 由于工作在较低频段, 难以在终端中大幅增加天线数量, 从而 导致终端峰值速率提升能力受限;主要是通过空间分集、空间复用和波束赋形等技术, 重点挖掘增强基站覆盖、 提升基站容量 (吞吐
9、量) 和提高服务质量 (服务 用户的速率, 尤其是边缘用户) 等方面的能力。 (1) 下行精 准波束 赋形:波束赋 形是利 用空间 信道的强 相关性 以及波 的干涉技 术, 通过调整天线阵元的输出, 从而产生强方向性的辐射方向图并将其主瓣指向终 端, 从而提高接收信噪比、减小干扰, 增加系统的吞吐量和覆盖范围。Massive MIMO 通过大规模的天线系统, 让波束宽度更窄、下行业务赋型能量更为集中、 干扰更小, 空分能力更强。 (2) 上行增 强 接收 分集:上行使 用更多 接收天 线, 可提 供更多 上行接 收信号样 本, 进行更精确的信道估计, 从而提升接收机性能和抗干扰能力。 通过高阶
10、空域滤波, 精确估计上行空间信道, 通过选择最优的合并权值, 提升用户信号信噪比, 增 强接收性能。 (3) 波束三维可调: 通过大规模天线振子的应用, 除在水平方向外, 在垂直方向 上也分为多个通道进行赋形处理, 从而同时具备水平和垂直方向的波束调节能 力, 通过更多的空分维度和多流技术, 同时服务更多用户、 提升频谱效率和小区 吞吐量。 3 Massive MIMO 技 术的4G 化应用情况 3.1 标准 进度及 模式 对比 LTE 网络从一开始的 R8 版本就引入MIMO 技术并不断增强, 在R12 版本完成了 Massive MIMO 技术的信道建模, 并计划在R13 、R14 版本完
11、成技术方案研究、评 估和标准化工作。Massive MIMO 由于天线端口非常多, 基站整站或射频部分 (RRU+ 天线) 需上移到天线合成一体进行构建, 由于以下原因, Massive MIMO 在 TD-LTE 的应用大幅领先于 FDD LTE。 (1) 由于TDD 制式设备射频部分不需双工器, 故设备尺寸可以比FDD 制式做得更 小, 便于站点实现 和商用。 (2) FDD LTE 的Massive MIMO 实现存在无源交调问题, 技术上有瓶颈。 (3) TD-LTE 的Massive MIMO 实现不需要制定新的协议支持, FDD LTE 却需要并 增加20% 的导频开销。 (4)
12、TD-LTE 的终端无需改动, FDD LTE 的终端需要支持新的协议增加测量处理资 源、老终端无法支持。 TD-LTE 在实现Massive MIMO 上, 通过发挥制式及信道互易性优势, 可降低产业 链综合成本30%以上, 国内领先的华为、中兴等设备厂家, 已经率先完成了 TD-LTE 制式下Massive MIMO 样机的生产并开展了外场测试。 3.2 产品 情况 由于Massive MIMO 采用了大规模天线技术, 传统的RRU、天线分离的产品形式 基本不可行;从目前不同厂家的产品实现来看, 既有采用BBU+RRU+天线整站集 成一体的形式, 也有 RRU+天线射频部分一体、BBU 与
13、射频部分分离的形式;产品 (需外挂桅杆高处部分) 体积比传统FAD 天线大超过 50%、 重量达到FAD 天线的3 倍以上; 虽然部分厂家设备支持 60MHz 带宽, 但目前样机均只支持单载波;多天 线方面基本实现了 64T64R 或128T128R。表 1 为不同厂家Massive MIMO 设备及 与传统宏站对比。 3.3 试点 测试效 果 根据Massive MIMO 不同天线数对性能影响的理论分析, 128T128R 对比 64T64R 所能带来的性能提升相对有限;根据某室外测试场景 (加扰50%) 对 128T128R、 64T64R 和8T8R 的吞吐量对比测试:下行128T128
14、R 相对64T64R 增益约15%, 相对 8T8R 增益约 476%, 上行128T128R 相对64T64R 几乎没有增益, 相对 8T8R 增益 116%; 可见, 相比128T128R, 64T64R 的Massive MIMO 产品可获得大部分增益。 表1 不同厂家 Massive MIMO 设备及与传统宏站对比 下载原表 下面通过对Massive MIMO (64T64R 、20 MHz) 产品在不同场景、相同环境下与 传统8 天线 (8T8R、20 MHz) 宏站小区的试点测试效果进行对比分析。 3.3.1 广覆盖 单UE 定点 上下 行测试 在广覆盖单UE 定点覆盖性能测试中,
15、 Massive MIMO 相比8 天线宏站小区:近点 (RSRP-90 d Bm) 的下行平均增益为 1%, 上行平均增益 0.76%;中点 (-110 d BmRSRP-90 d Bm) 的下行平均增益为38.9%, 上行平均增益为120.1%; 远点 (RSRP-110 d Bm) 的下行平均增益为142.1%, 上行平均增益为356.8%; 可见 Massive MIMO 在中、远点能带来较高的性能增益。 3.3.2 广覆盖 单UE 移动 上下 行测试 在广覆盖UE 低速移动 (车速小于30 km/h) 的测试场景中, Massive MIMO 相比 8 天线宏站小区上下行覆盖基本一致
16、, 速率均有所提 升:下行速率均值达到 40.5 Mbit/s 、提升 15%, 下行速率低于5 Mbit/s 测试点仅4%、占比少11%; 上行速率 均值达到提升30%、上行速率低于 2 Mbit/s 的测试点仅5%、占比少 10%, 性能 提升明显。 3.3.3 广覆盖 多UE 场景 下的 容量测 试 广覆盖多UE 均匀分布 场景 (8 个UE 近中 远2/4/2 分布) 的容量测试中, Massive MIMO 相比 8 天线宏站小区, 下行吞吐量增长 4 倍、 上行吞吐量增长1.7 倍;多UE 集中分布场景 (8 用户分 2 组、分布在两个中点) , Massive MIMO 相比 8
17、 天线宏 站, 下行吞吐量增长 1.3 倍、上行吞吐量增长 1.5 倍;可见在UE 分散的情况下 Massive MIMO 能获得更高的性能增益。 3.3.4 建筑覆 盖场 景测试 在建筑覆盖场景的测试中, 为充分验证Massive MIMO 的性能, 在高楼密集区域 选择高、 宽、 深度合适 的楼宇, 这样周边干扰易被楼宇隔离、 无线多径丰富弥散、 空间相干性低, 测试中小区吞吐量平均达到 650 Mbit/s, 是8 天线宏站小区峰 值吞吐量的5.9 倍。在 UE 位于楼宇深处的测试中, Massive MIMO 上行吞吐量约 3 Mbit/s, 达到8T8R 覆盖下速率的17 倍, 上行
18、覆盖能力显著提升。 从上述试点测试情况可见, Massive MIMO 显示出了精准的下行波束赋形能力, 很好的上行解调能力和用户分辨率, 波束三维可调大幅提升小区容量和频谱效 率;对于好点 (信道质量高) 的 UE 性能提升较低, 对位于中点、 远点 (边缘) 的 用户感知提升较大; 在UE 分散的情况下, 有利于三维波束赋形和用户区分, 可 充分发挥Massive MIMO 的优势。 4 存在问题及解决措 施 虽然Massive MIMO 在4G 化的应用测试中显示 出优越的性能, 但目前的技术和 产 品实现仍然存在不少问题, 部分技术问题影响了性能的提升, 部分产品问题影 响了可商用能力
19、, 也有部分产业链等的问题影响了设备造价等。 4.1 基站 架构 目前不同厂家的产品实现中, 既有BBU 独立、RRU 与天线一体的分布式架构, 也 有BBU、RRU 和天线三者集成的一体化架构, 如表2 所示, 总体上分布式架构在 组网灵活性、 资源协同、 维护、 标准演进等方面比较具有优势, 是Massive MIMO 基站未来的优选架构。 4.2 信道 功率和 控制 资源 不足 受限于天馈部分安装尺寸要求, Massive MIMO 天线增益低于现网8T8R 天线, 由 于广播信道、控制信道不支持波束赋形, Massive MIMO 基站覆盖成为瓶颈, 在 采用D 频段、 相同发射功率的
20、现网 8T8R 设备和 Massive MIMO 设备对比中, 不考 虑波束赋形增益的情况下, Massive MIMO 广播、控制信道覆盖落后 0.7 d B;控 制信道覆盖差带来的直接后果是 CCE 高聚集级别的占比提升, 在Massive MIMO 基站多层复用、 单TTI 调度用户数增加的背景下, 将导致PDCCH 调度资源快速受 限;若要增加Massive MIMO 基站覆盖能力以及匹配业务信道覆盖, 同时提升深度 覆盖控制信道解调能力, 需要加大输出功率和自适应广播覆盖波束来适配增强 不同场景下的控制信道覆盖。 4.3 其它 问题 (1) 随着天线数量的增加, 基站效率、 容量进一
21、步优化提升, 同时基带复杂度亦 成指数增长, 64T64R 相比8T8R 的基带处理复杂度增加了近 15 倍, 限制了产品 能力、提升了产品造价。 (2) 在采用分布式架构时, 20MHz、64T64R 的 Massive MIMO 扇区, BBU 与射频单 元之间的CPRI 接口带宽需求接近 60 Gbit/s, 考虑到未来多载波和大带宽支持, 除了需要 配置100 Gbit/s 光模块, 还需要对CPRI 信号进行压缩以提 升带宽利用 率。 (3) Massive MIMO 多天线的特点需要采用大量小型化功放器件, 但目前产业链 积累不够, 功放效率低、有待进一步提升。 (4) 受器件性能
22、影响, 目前各厂家提供的测试样机均只支持单载波, 产品体积 和重量大, 发射功率低、集成度低, 仍有较大优化提升空间。 (5) Massive MIMO 业务波束增益高, 小区边缘波束碰撞干扰强烈, 成片规模组 网、扇区间协同、站间协同等有待进一步验证和提升。 5 总结 通过本文的研究可见, 4G 网络通过采用Massive MIMO 技术, 既能与现有网络、 终端兼容, 又能通过下行精准波束赋形、 上行增强接收分集和波束三维可调等关 键技术, 大幅提升频谱效率、 小区容量和服务质量 (尤其是边缘用户体验速率) , 解决下一阶段4G 网络运营中的痛点。 从目前试验测试来看, 楼宇覆盖、 大容量
23、、 UE 相对分散的场景, 是Massive MIMO 技术 4G 化应用的较优场景, 特别是在UE 相对静止以及位于中、 远点时, 性能提升尤其明显。 但同时也应看到, 相关产品 和技术成熟度仍然较低, 目前还面临多个技术问题未解决, 需通过进一步试验、 测试改进, 需要产业链多方协同推进、加快商用进程。 表2 分布式和一体化架构对比 下载原表 参考文献 1 周杰等.三维空间 MIMO 信道接收天线阵列互耦效应及系统容量分析J.通信 学报, 2012 (6) . 2 孟蕊.Massive MIMO 收发技术联合设计研究D.北京:北京邮电大学, 2015. 3 杨中豪, 等.面向 5G 通信的 Massive MIMO 技术研究J.中国新通信, 2015 (14) .
