Massive MIMO助力5G网络覆盖

作者:中通服咨询设计研究院有限公司 王浩宇 责任编辑:吕萌 2019.06.12 21:20 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)5G在人们的期盼中越来越近,不只是通信界,各行各业都对这一改变社会生产、生活方式的技术十分关注。与前一代移动通信系统相比,5G以其超高的数据传输速率、毫秒级的时延和支持海量设备接入等优势,为未来的新兴电信业务创造了无限的可能。

然而,无论从标准制定,还是从其即将承载的各项业务来看,5G通信系统对性能的要求是近乎苛刻的。如何解决5G网络覆盖这一基本问题,实现5G系统的平稳落地,成为业界关注的焦点之一。

5G网络覆盖现存问题分析5G频段规划

目前3GPP对5G通信系统定义的频率范围主要分为FR1和FR2,FR1是指450MHz~6000MHz,即通常所说的Sub-6GHz,这一频段是当前5G主流的使用频段;FR2是指24250MHz~52600MHz频段,一般也称为毫米波频段。虽然5G系统在2.6GHz乃至更低频段也有部署计划,但现阶段低频主要被4G LTE系统所占用,在5G初期难以实现腾退,所以有着更广频带资源的中频段以及高于20GHz的毫米波频段将成为新空口落地的“主战场”。

中高频影响网络覆盖性能

频率的升高一方面提供了更多的带宽资源,但另一方面也给覆盖带来了问题。为了简化问题的说明,可根据电磁波在自由空间传播的理想损耗进行理解,如式(1):

L=20lgf+20lgd+K(1)

其中,f为频率,d为传播距离,K可看作校正因子,K依具体环境而变。无线信号的路径损耗随频率的升高而变大,中频段的路径损耗比LTE系统所使用的2GHz频段高出3~6dB,而在毫米波频段这一数值将超过20dB,即在同样的传播距离下,中频段的信号强度可能只达到原有信号强度的1/4,高频段只有1/10。根据高通提供的数据,在现有设备性能条件下,5G基站为实现下行边缘速率30Mbit/s的要求,站间距小于200米时室外覆盖率才可达到99%,站间距小于250米室外覆盖率约为98%。这一问题影响了小区的边缘用户速率,也直接导致覆盖范围的下降。另外,频率升高同时增加了无线信号穿透损耗,难以保证室内用户的业务体验。

除下行存在的覆盖问题外,由于导频污染以及用户设备本身功率有限,使用高频段通信也会造成上行覆盖在容量和范围上的困难。

Massive MIMO助力5G网络覆盖

理论上而言,上述问题可以通过两种方式解决:其一减小站间距,即更密集地建设通信基站,拉近用户与基站的空间距离;其二增加基站和用户终端的发射功率,以弥补信号在传播过程中的损耗。

目前5G基站设备(BBU+AAU)的价格比4G设备高出数倍,即便未来5G基站设备价格有所降低,但运营商仍面临巨大的成本压力,增加基站发射功率的方式也由于用户设备尺寸问题难以实现大幅度提升。

在基站侧,由于基站天线功率上限的限制,提高基站天线功率将直接造成耗电量的飙升。目前,运营商一年的基站耗电总量已达上百亿度,在节能减排和提速降费的大背景下,5G覆盖问题将持续困扰运营商。值得一提的是,在实际部署中,运营商或将采取共建共享的策略,或密集部署对频率升高带来的覆盖问题有一定改善的小、微基站。

在众多5G的新技术中,Massive MIMO对于业界而言并不陌生。在Massive MIMO系统中,基站侧所具备的天线数目通常将达到64、128甚至更高。这种配置使基站天线数目远高于其所服务的用户设备数目,从而使基站可以充分利用系统空间的自由度,使用同一时频资源服务多台用户设备,大大增强基站同时接收和发送多路不同信号的能力,从而有效提高频谱利用率以及通信的稳定性与可靠性。

Massive MIMO可用性

说到Massive MIMO就不得不提到毫米波,毫米波顾名思义是指波长在1mm至几十毫米范围内的信号频段。天线尺寸与信号频率的关系,如式(2):

L=C/(nf)  (2)

其中,L为天线长度,C为光速,f为信号频率,n通常为2,即天线尺寸一般为波长的1/2。载波频率的升高使得天线尺寸变得越来越小,在同样的空间里,可以设置更多的高频段天线以补偿路径损耗,即使集成了64甚至更高的天线数目也能将天线尺寸控制在一定范围内。

使用Massive MIMO技术的重要原因之一,是其可对多径效应加以利用,从而提升系统性能。多径效应是指电磁波经不同路径传播后,各分量场到达接收端时间不同,按各自相位相互叠加而造成干扰。由于各条路径的电信号长度会随时间而变化,其到达接收点的各分量场之间的相位关系也随之变化,造成原有信号失真。多径效应会引起信号衰落,以往的通信系统一直试图减小其影响。

MIMO系统收集天线元件和用户终端之间的空间信道状态信息(CSI),在接收到不同路径的信号后,利用实时获取的CSI对组合信号进行处理,从而使用信号的多径传输版本改善系统性能。

Massive MIMO增强覆盖

从无线电波的物理特征来看,在低频频段或者中频频段,仍可使用天线在较宽的扇面上进行信号传输;但是在高频频段,比如毫米波频段时,信号不再通过衍射作为其主要传播方式,在NLOS场景下,反射和散射成为主要传播方式,此时需要更加精准的波束赋形技术来改善信号覆盖。Massive MIMO天线能够生成高增益、可调节的赋形波束,从而明显改善信号覆盖效果和频谱利用率,并且由于其波束非常窄,可以大大减少对周边用户的干扰。较窄波束宽度的模拟波束成形可使5G基站更有效地控制下行链路信号。

该过程涉及波束扫描,基站可以识别特定移动设备的最有效波束位置。波束赋形让波束信号功率更集中,从而扩大了信号有效传播范围,使得Massive MIMO技术的3.5GHz频段的网络覆盖更接近2T2R条件下1800MHz频段的LTE网络覆盖性能,可基本满足广域覆盖需求。根据测试数据,64T 64R(32流)的设备可提供3Gbit/s的单用户峰值速率以及10.3Gbit/s的小区峰值速率,并且通过空间分集技术可达到25dB左右的天线增益。Massive MIMO增强了3.5GHz频段的吸引力,使其成为5G最初部署的理想选择。

Massive MIMO对于上行覆盖性能的提升是巨大的。根据理论推导,当基站已获取CSI并且其接收天线数目趋于无穷大时,单用户的信干噪比也将趋于无穷大。根据香农定理,用户上行速率和容量同样将趋于无穷大,并且可以允许用户以原有发射功率的几十分之一进行上行通信。这为5G利用Massive MIMO提高上行系统性能提供了理论支持。虽然实际中不可能部署无限多数目的天线,但仍然可以通过大量增加基站侧的天线数目,以增强用户上行的信干噪比,从而达到提升上行覆盖性能的目的。

5G的到来使通信系统的覆盖性能面临新的挑战,虽然在现实条件下,天线数目的增加意味着成本和功耗的升高,但Massive MIMO技术良好的性能优势仍不失为5G弥补覆盖能力不足的手段之一,相信这一技术在未来中频乃至毫米波的应用和发展中将起到巨大的推动作用。


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