黃小光，董俊華，汪偉，徐輝

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310014）

采用Massive MIMO進(jìn)行5G覆蓋試點(diǎn)規(guī)劃

黃小光，董俊華，汪偉，徐輝

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310014）

本文對(duì)5G試點(diǎn)背景及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹，通過(guò)頻譜資源分析，確定采用3.5 GHz作為5G試點(diǎn)的主要頻段；通過(guò)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(diǎn)區(qū)域后，綜合考慮試點(diǎn)區(qū)域特性及現(xiàn)有資源配置，最終形成試點(diǎn)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(duì)試點(diǎn)后的效果進(jìn)行預(yù)估，在此基礎(chǔ)上，對(duì)5G試點(diǎn)采用的新技術(shù)Massive MIMO效果進(jìn)行驗(yàn)證，得出采用64T64R設(shè)備的小區(qū)容量是當(dāng)前4G站點(diǎn)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(yàn)。

5G；Massive MIMO；仿真；吞吐量

ITU確定了IMT-2020（5G）的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場(chǎng)景(eMBB)，低功耗大連接場(chǎng)景(mMTC)和低時(shí)延高可靠場(chǎng)景(uRLLC)三大類應(yīng)用場(chǎng)景，5G網(wǎng)絡(luò)將提供更低時(shí)延、更高的峰值速率以及海量的連接數(shù)，將真正實(shí)現(xiàn)向超寬帶+萬(wàn)物互聯(lián)發(fā)展方向。要滿足面向未來(lái)業(yè)務(wù)高速率低時(shí)延的發(fā)展需求，需要采用更先進(jìn)的無(wú)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(guó)內(nèi)各通信企業(yè)及研發(fā)機(jī)構(gòu)均已對(duì)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

為更好響應(yīng)國(guó)家未來(lái)寬帶戰(zhàn)略、數(shù)字信息發(fā)展、萬(wàn)物互聯(lián)互通發(fā)展需求，驗(yàn)證新技術(shù)特性，總結(jié)5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)打造中國(guó)自己5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究，本文就目前國(guó)內(nèi)已相對(duì)成熟5G技術(shù)成果，通過(guò)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(diǎn)背景

1.1 試點(diǎn)技術(shù)及場(chǎng)景

Massive MIMO是使用大規(guī)模陣列天線實(shí)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(guò)精確的信道相關(guān)性估計(jì)、用戶配對(duì)、干擾抑制賦形等，在有效抑制對(duì)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(shí)，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(chǎng)景下進(jìn)行使用。從現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)分布看，目前通過(guò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)約20%的熱點(diǎn)區(qū)域承載近80%的業(yè)務(wù)流量，且出現(xiàn)熱點(diǎn)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(wèn)題，因此，采用Massive MIMO進(jìn)行5G試點(diǎn)典型場(chǎng)景選定為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)——商業(yè)核心區(qū)域。

圖1 各國(guó)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(jì)687 MHz，其中TDD頻率總計(jì)345 MHz，F(xiàn)DD頻率總計(jì)342 MHz ，現(xiàn)有的頻譜資源無(wú)法滿足未來(lái)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(shí)，未來(lái)進(jìn)一步開(kāi)拓研究更高頻段（6 GHz以上）的頻譜資源可行性。

對(duì)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(guó)還未使用的（如3.4～3.6 GHz）IMT頻段，后續(xù)進(jìn)一步推動(dòng)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(guó)已明確將3.4～3.6 GHz規(guī)劃用于5G試驗(yàn)，各國(guó)中低頻頻譜資源規(guī)劃情況如圖1所示。

因此，5G試點(diǎn)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(lái)自于覆蓋及容量?jī)蓚€(gè)方面，對(duì)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(diǎn)5G則采用TDD 3.5 G 64T64R組網(wǎng)方式，雖然在頻段上3.5 G對(duì)覆蓋處于劣勢(shì)，但采用陣列天線帶來(lái)的信號(hào)增益對(duì)頻段劣勢(shì)起到很好的補(bǔ)充效果，通過(guò)鏈路預(yù)算得到兩種組網(wǎng)方式下不同信道覆蓋情況對(duì)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(duì)比

從各信道的覆蓋對(duì)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(duì)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(diǎn)規(guī)劃

2.1 試點(diǎn)區(qū)域概述

某商業(yè)熱點(diǎn)區(qū)域面積約2.54 km2，包含4個(gè)商業(yè)主題功能區(qū)，區(qū)域定位為集商業(yè)、文化、時(shí)尚潮流的國(guó)際商貿(mào)中心展示區(qū)和亞太時(shí)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(guò)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(guó)際著名商業(yè)大道看齊，該大道全長(zhǎng)4.7 km，作為5G連續(xù)覆蓋試點(diǎn)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(wú)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(duì)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(shí)現(xiàn)底層信號(hào)的連續(xù)覆蓋及容量感知。

2.2 試點(diǎn)價(jià)值定位

規(guī)劃戰(zhàn)略價(jià)值：結(jié)合該試點(diǎn)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(yàn)；驗(yàn)證3.5 GHz頻率網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，同時(shí)對(duì)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(shí)際驗(yàn)證，推動(dòng)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(yàn)。

覆蓋用戶規(guī)模：提取試點(diǎn)片區(qū)內(nèi)現(xiàn)有4G用戶數(shù)峰值數(shù)據(jù)，同時(shí)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(cè)該商業(yè)熱點(diǎn)區(qū)總用戶數(shù)將達(dá)到9.8萬(wàn)，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(wàn)。

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(diǎn)進(jìn)行針對(duì)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(duì)于容量高發(fā)區(qū)利用小微站吸收容量。針對(duì)該試點(diǎn)區(qū)功能場(chǎng)景特性及業(yè)務(wù)高熱點(diǎn)特性，上層網(wǎng)絡(luò)選用宏站實(shí)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(chǎng)吸熱。通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有站點(diǎn)資源分析發(fā)現(xiàn)，該試點(diǎn)區(qū)內(nèi)已有物理宏站116個(gè)，微站60個(gè)，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(diǎn)宏站需求，對(duì)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(gè)，微站36個(gè)，對(duì)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(shí)現(xiàn)4G與5G協(xié)同覆蓋，干道上(藍(lán)色電平) 5G信號(hào)覆蓋良好，試商用網(wǎng)絡(luò)建成后，可進(jìn)一步開(kāi)展5G業(yè)務(wù)相關(guān)測(cè)試，評(píng)估新技術(shù)性能。

3 Massive MIMO效果驗(yàn)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(duì)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(píng)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(diǎn)相比傳統(tǒng)8T8R站點(diǎn)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(diǎn)作為測(cè)試驗(yàn)證站點(diǎn)，采用8個(gè)終端在信號(hào)覆蓋優(yōu)良的地方進(jìn)行定點(diǎn)上傳下載測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 天線覆蓋性能對(duì)比分析

從單站定點(diǎn)對(duì)比結(jié)果測(cè)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(duì)不同終端的垂直面多波束，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)吸熱，同時(shí)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(chǎng)景如下。

（1）解決現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋難題之“高樓場(chǎng)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(guò)多個(gè)波束對(duì)應(yīng)不同樓層形成虛擬分區(qū)，實(shí)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(diǎn)容量提升測(cè)試結(jié)論

（2）解決現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)容量難題之“高校場(chǎng)景”，高校屬業(yè)務(wù)高度熱點(diǎn)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(wú)法滿足業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求，該場(chǎng)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(guò)改善學(xué)生感知有利于產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)宣傳效應(yīng)。

（3）對(duì)于部分區(qū)域現(xiàn)有4G業(yè)務(wù)過(guò)熱區(qū)，站址資源及擴(kuò)容條件有限的場(chǎng)景，建議采用Massive MIMO設(shè)備實(shí)現(xiàn)覆蓋及業(yè)務(wù)吸收。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從采用Massive MIMO技術(shù)進(jìn)行5G連續(xù)覆蓋規(guī)劃，通過(guò)對(duì)場(chǎng)景分析、頻率選取、站址需求分析，得出了5G試點(diǎn)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(diǎn)規(guī)劃。通過(guò)仿真技術(shù)進(jìn)而預(yù)判建設(shè)后的5G信號(hào)覆蓋效果。針對(duì)Massive MIMO新技術(shù)，通過(guò)對(duì)天線分析及定點(diǎn)測(cè)試評(píng)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(diǎn)規(guī)劃案例有利于進(jìn)一步開(kāi)展新技術(shù)測(cè)試評(píng)估，以及為未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

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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