陳勇輝，汪玉琳，陳其銘

(1中國移動通信集團設計院有限公司廣東分公司，廣州 510623；2 中國移動通信集團廣東有限公司，廣州 510623)

1 背景

隨著中國移動4G網絡覆蓋的完善，4G用戶正快速增長，從互聯(lián)網熱門視頻網站的資源來看，720 P及以上分辨率的視頻資源已經逐步成為主流；從終端市場來看，1080 P的分辨率是中端機型基本配置、高端智能機中2K屏也已在普及；隨著大流量大視頻的到來，4G網絡核心熱點區(qū)域的容量壓力將進一步加劇。與此同時，中國移動缺乏優(yōu)質的低頻段頻率資源來改善深度覆蓋，F(xiàn)頻段在負責深度覆蓋的時候會帶來邊緣用戶占用大量的碼資源，而F頻段僅30 MHz的頻率資源將很快到達瓶頸，導致網絡質量、速率受到明顯影響。為了應對網絡即將面臨的挑戰(zhàn)，需要研究在近中期能盡可能兼容現(xiàn)有終端和網絡，能充分利用已有站址和頻率等資源，大幅提升網絡容量的新技術。

2 Massive MIMO技術

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量；它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量。根據(jù)空時映射方法的不同，MIMO技術大致可以分為兩類：空間分集和空間復用。空間分集是指利用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑發(fā)送出去，同時在接收機端獲得同一個數(shù)據(jù)符號的多個獨立衰落的信號，從而獲得分集提高的接收可靠性?？臻g復用技術是將要傳送的數(shù)據(jù)可以分成幾個數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。

Massive MIMO（大規(guī)模MIMO）基站配置大量的天線數(shù)目通常有幾十、幾百甚至幾千根，是現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)天線數(shù)目的1-2個數(shù)量級以上，是下一代移動蜂窩網通信（5G）中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關鍵技術。Massive MIMO顯著提高了系統(tǒng)的空間分辨率，能夠深度挖掘空間維度資源、提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力；它可以形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內，構建高效通信系統(tǒng)；當基站天線數(shù)目遠大于UE數(shù)目時， 系統(tǒng)具有很高的空間自由度、抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性能。

Massive MIMO技術的4G化應用中，需要考慮與現(xiàn)網已有設備、終端的兼容性，目前的4G系統(tǒng)，由于工作在較低頻段，難以在終端中大幅增加天線數(shù)量，從而導致終端峰值速率提升能力受限；主要是通過空間分集、空間復用和波束賦形等技術，重點挖掘增強基站覆蓋、提升基站容量（吞吐量）和提高服務質量（服務用戶的速率，尤其是邊緣用戶）等方面的能力。

（1） 下行精準波束賦形：波束賦形是利用空間信道的強相關性以及波的干涉技術，通過調整天線陣元的輸出，從而產生強方向性的輻射方向圖并將其主瓣指向終端，從而提高接收信噪比、減小干擾，增加系統(tǒng)的吞吐量和覆蓋范圍。Massive MIMO通過大規(guī)模的天線系統(tǒng)，讓波束寬度更窄、下行業(yè)務賦型能量更為集中、干擾更小，空分能力更強。

（2） 上行增強接收分集：上行使用更多接收天線，可提供更多上行接收信號樣本，進行更精確的信道估計，從而提升接收機性能和抗干擾能力。通過高階空域濾波，精確估計上行空間信道，通過選擇最優(yōu)的合并權值，提升用戶信號信噪比，增強接收性能。

（3） 波束三維可調：通過大規(guī)模天線振子的應用，除在水平方向外，在垂直方向上也分為多個通道進行賦形處理，從而同時具備水平和垂直方向的波束調節(jié)能力，通過更多的空分維度和多流技術，同時服務更多用戶、提升頻譜效率和小區(qū)吞吐量。

3 Massive MIMO技術的4G化應用情況

3.1 標準進度及模式對比

LTE網絡從一開始的R8版本就引入MIMO技術并不斷增強，在R12版本完成了Massive MIMO技術的信道建模，并計劃在R13、R14版本完成技術方案研究、評估和標準化工作。Massive MIMO由于天線端口非常多，基站整站或射頻部分（RRU+天線）需上移到天線合成一體進行構建，由于以下原因，Massive MIMO在TD-LTE的應用大幅領先于FDD LTE。

（1） 由于TDD制式設備射頻部分不需雙工器，故設備尺寸可以比FDD制式做得更小，便于站點實現(xiàn)和商用。

（2） FDD LTE的Massive MIMO實現(xiàn)存在無源交調問題，技術上有瓶頸。

（3） TD-LTE的Massive MIMO實現(xiàn)不需要制定新的協(xié)議支持，F(xiàn)DD LTE卻需要并增加20%的導頻開銷。

（4） TD-LTE的終端無需改動，F(xiàn)DD LTE的終端需要支持新的協(xié)議增加測量處理資源、老終端無法支持。

TD-LTE在實現(xiàn)Massive MIMO上，通過發(fā)揮制式及信道互易性優(yōu)勢，可降低產業(yè)鏈綜合成本30%以上，國內領先的華為、中興等設備廠家，已經率先完成了TD-LTE制式下Massive MIMO樣機的生產并開展了外場測試。

3.2 產品情況

由于Massive MIMO采用了大規(guī)模天線技術，傳統(tǒng)的RRU、天線分離的產品形式基本不可行；從目前不同廠家的產品實現(xiàn)來看，既有采用BBU+RRU+天線整站集成一體的形式，也有RRU+天線射頻部分一體、BBU與射頻部分分離的形式；產品（需外掛桅桿高處部分）體積比傳統(tǒng)FAD天線大超過50%、重量達到FAD天線的3倍以上；雖然部分廠家設備支持60MHz帶寬，但目前樣機均只支持單載波；多天線方面基本實現(xiàn)了64T64R或128T128R。表1為不同廠家Massive MIMO設備及與傳統(tǒng)宏站對比。

3.3 試點測試效果

根據(jù)Massive MIMO不同天線數(shù)對性能影響的理論分析，128T128R對比64T64R所能帶來的性能提升相對有限；根據(jù)某室外測試場景（加擾50%）對128T128R、64T64R和8T8R的吞吐量對比測試：下行128T128R相對64T64R增益約15%，相對8T8R增益約476%，上行128T128R相對64T64R幾乎沒有增益，相對8T8R增益116%；可見，相比128T128R，64T64R的Massive MIMO產品可獲得大部分增益。

表1 不同廠家Massive MIMO設備及與傳統(tǒng)宏站對比

下面通過對Massive MIMO（64T64R、20 MHz）產品在不同場景、相同環(huán)境下與傳統(tǒng)8天線（8T8R、20 MHz）宏站小區(qū)的試點測試效果進行對比分析。

3.3.1 廣覆蓋單UE定點上下行測試

在廣覆蓋單UE定點覆蓋性能測試中，Ma MIMO相比8天線宏站小區(qū)：近點（RSRP＞-90的下行平均增益為1%，上行平均增益0.76點（-110 dBm＜RSRP＜-90 dBm）的下行平均為38.9% ，上行平均增益為120.1%；遠點（RSRP＜-110 dBm）的下行平均增益為142.1%，上行平均增益為356.8%；可見Massive MIMO在中、遠點能帶來較高的性能增益。

3.3.2 廣覆蓋單UE移動上下行測試

在廣覆蓋UE低速移動（車速小于30 km/h）的測試場景中，Massive MIMO相比8天線宏站小區(qū)上下行覆蓋基本一致，速率均有所提升：下行速率均值達到40.5 Mbit/s、提升15%，下行速率低于5 Mbit/s測試點僅4%、占比少11%；上行速率均值達到提升30%、上行速率低于2 Mbit/s的測試點僅5%、占比少10%，性能提升明顯。

3.3.3 廣覆蓋多UE場景下的容量測試

廣覆蓋多UE均勻分布場景（8個UE近中遠2/4/2分布）的容量測試中，Massive MIMO相比8天線宏站小區(qū)，下行吞吐量增長4倍、上行吞吐量增長1.7倍；多UE集中分布場景（8用戶分2組、分布在兩個中點），Massive MIMO相比8天線宏站，下行吞吐量增長1.3倍、上行吞吐量增長1.5倍；可見在UE分散的情況下Massive MIMO能獲得更高的性能增益。

3.3.4 建筑覆蓋場景測試

在建筑覆蓋場景的測試中，為充分驗證Massive MIMO的性能，在高樓密集區(qū)域選擇高、寬、深度合樓宇，這樣周邊干擾易被樓宇隔離、無線多徑豐散、空間相干性低，測試中小區(qū)吞吐量平均達到bit/s，是8天線宏站小區(qū)峰值吞吐量的5.9倍。位于樓宇深處的測試中，Massive MIMO上行吞吐量約3 Mbit/s，達到8T8R覆蓋下速率的17倍，上行覆蓋能力顯著提升。

從上述試點測試情況可見，Massive MIMO顯示出了精準的下行波束賦形能力，很好的上行解調能力和用戶分辨率，波束三維可調大幅提升小區(qū)容量和頻譜效率；對于好點（信道質量高）的UE性能提升較低，對位于中點、遠點（邊緣）的用戶感知提升較大；在UE分散的情況下，有利于三維波束賦形和用戶區(qū)分，可充分發(fā)揮Massive MIMO的優(yōu)勢。

4 存在問題及解決措施

雖然Massive MIMO在4G化的應用測試中顯示出優(yōu)越的性能，但目前的技術和產品實現(xiàn)仍然存在不少問題，部分技術問題影響了性能的提升，部分產品問題影響了可商用能力，也有部分產業(yè)鏈等的問題影響了設備造價等。

4.1 基站架構

目前不同廠家的產品實現(xiàn)中，既有BBU獨立、RRU與天線一體的分布式架構，也有BBU、RRU和天線三者集成的一體化架構，如表2所示，總體上分布式架構在組網靈活性、資源協(xié)同、維護、標準演進等方面比較具有優(yōu)勢，是Massive MIMO基站未來的優(yōu)選架構。

4.2 信道功率和控制資源不足

受限于天饋部分安裝尺寸要求，Massive MIMO天線增益低于現(xiàn)網8T8R天線，由于廣播信道、控制信道不支持波束賦形，Massive MIMO基站覆蓋成為瓶頸，在采用D頻段、相同發(fā)射功率的現(xiàn)網8T8R設備和Massive MIMO設備對比中，不考慮波束賦形增益的情況下， Massive MIMO廣播、控制信道覆蓋落后0.7 dB；控制信道覆蓋差帶來的直接后果是CCE高聚集級別的占比提升，在Massive MIMO基站多層復用、單TTI調度用戶數(shù)增加的背景下，將導致PDCCH調度資源快速受限；若要增加Massive MIMO基站覆蓋能力以及匹配業(yè)務信道覆蓋，同時提升深度覆蓋控制信道解調能力，需要加大輸出功率和自適應廣播覆蓋波束來適配增強不同場景下的控制信道覆蓋。

4.3 其它問題

（1）隨著天線數(shù)量的增加，基站效率、容量進一步優(yōu)化提升，同時基帶復雜度亦成指數(shù)增長，64T64R相比8T8R的基帶處理復雜度增加了近15倍，限制了產品能力、提升了產品造價。

（2）在采用分布式架構時，20MHz、64T64R的Massive MIMO扇區(qū)，BBU與射頻單元之間的CPRI接口帶寬需求接近60 Gbit/s，考慮到未來多載波和大帶寬支持，除了需要配置100 Gbit/s光模塊，還需要對CPRI信號進行壓縮以提升帶寬利用率。

（3）Massive MIMO多天線的特點需要采用大量小型化功放器件，但目前產業(yè)鏈積累不夠，功放效率低、有待進一步提升。

（4）受器件性能影響，目前各廠家提供的測試樣機均只支持單載波，產品體積和重量大，發(fā)射功率低、集成度低，仍有較大優(yōu)化提升空間。

（5）Massive MIMO業(yè)務波束增益高，小區(qū)邊緣波束碰撞干擾強烈，成片規(guī)模組網、扇區(qū)間協(xié)同、站間協(xié)同等有待進一步驗證和提升。

5 總結

通過本文的研究可見，4G網絡通過采用Massive MIMO技術，既能與現(xiàn)有網絡、終端兼容，又能通過下行精準波束賦形、上行增強接收分集和波束三維可調等關鍵技術，大幅提升頻譜效率、小區(qū)容量和服務質量（尤其是邊緣用戶體驗速率），解決下一階段4G網絡運營中的痛點。從目前試驗測試來看，樓宇覆蓋、大容量、UE相對分散的場景，是Massive MIMO技術4G化應用的較優(yōu)場景，特別是在UE相對靜止以及位于中、遠點時，性能提升尤其明顯。但同時也應看到，相關產品和技術成熟度仍然較低，目前還面臨多個技術問題未解決，需通過進一步試驗、測試改進，需要產業(yè)鏈多方協(xié)同推進、加快商用進程。

表2 分布式和一體化架構對比

[1] 周杰等. 三維空間MIMO信道接收天線陣列互耦效應及系統(tǒng)容量分析[J]. 通信學報，2012(6).

[2] 孟蕊. Massive MIMO收發(fā)技術聯(lián)合設計研究[D]. 北京：北京郵電大學，2015.

[3] 楊中豪, 等. 面向5G通信的Massive MIMO技術研究[J]. 中國新通信，2015(14).