Massive MIMO助力5G网络性能提升

作者:中国移动通信集团设计院有限公司 刁兆坤 杨丽 责任编辑:吕萌 2019.06.12 21:22 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)5G不仅是通信技术的变革,更是一场端到端的跨行业革命。5G进程的加速,必将更快地迎来万物互联的新时代。5G的发展将会给通信和互联网领域带来全新的改变和机会。

为了给消费者带来更多、更好、更满意的体验,国内运营商的5G网络建设将以实现连续覆盖为最终目标。在频率的使用上,国内运营商的5G网络商用频段将以2.6GHz和3.5GHz中低频段为主、4.9GHz高频段为辅进行室外网络覆盖建设。运营商将以宏基站独立组网实现连续广覆盖作为5G建网的主要策略。

在中低频段,Massive MIMO(4G时代为3D MIMO)等新技术的引入,使得5G网络与4G网络共站址部署具有较高的可行性,经测算,4G、5G网络共站址部署在中低频段可以达到近似的覆盖目标。因此,相较4G时期,采用中低频段进行5G宏基站建设的总基站数量不会大幅增加。为了达到这种近似的覆盖目标,Massive MIMO等新技术的引入将必不可少。

同时随着5G网络的快速部署建设,5G用户快速发展,未来5G网络面临热点更热、用户体验诉求强烈以及特殊场景深度覆盖困难等问题,这时通过Massive MIMO技术可显著增加收发天线通道,获得更高的分集和干扰抑制增益,从而显著提升系统性能。MIMO技术相对传统的普通天线系统来说,能够大大提高频谱利用率,使系统在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。

5G网络建设难度在于满足连续覆盖

从全球来看,世界各主要市场基本都将3.5GHz频段列入到5G候选频段中,该频段有望成为全球主流5G频段,在全球市场产生规模效应。从当前的国内测试以及运营商的主流意见判断,预计国内5G网络建设将以独立组网为主,3.5GHz频段也有望成为国内5G商用的主流频段。

根据无线信号传输模型,频率越高的电磁波穿透性越好,但是其穿透损耗大、衰减快、绕射能力弱,所以5G基站在使用高频段时,其覆盖范围要比2G基站和4G基站小很多。2G时期1个基站(900MHz频段)可以覆盖的区域现在需要2个以上的5G基站进行覆盖,这给网络建设带来了很大的冲击。运营商在4.9GHz高频段进行连续、高速的网络覆盖,需要投入巨大的资源和成本来建设5G网络。

在初期国内5G部署以宏基站广覆盖为主,网络容量需求不具有迫切性,5G的建网思路与4G时期一致,仍将以部署宏基站实现城区的连续广覆盖为主要策略。在业务需求大规模爆发前,国内市场5G网络覆盖的优先级会大于容量,因此,宏基站与小基站相结合的超密集组网预计在5G网络实现连续覆盖以前不太可能大规模出现。

根据工信部公布的中国5G频段使用规定,3400~3600MHz和4800~5000MHz可以作为室外频段使用,未来5G连续覆盖尽可能采用较低频段,以降低建网成本,因此3400~3600MHz将是5G实现连续覆盖的首选频段。3.5GHz频段衰减比2.6GHz大4dB,5G下行可以通过多天线以及增加发射功率来达到4G同等覆盖水平,但是上行方面手机终端的天线数量和发射功率均受到较大限制,因此上行覆盖要达到4G同等水平需要增加物理站址,缩小小区半径。目前密集市区4G站间距高达300米以内,要进一步增加物理站址难度很大。

Massive MIMO关键技术助力5G网络性能提升

5G关键技术Massive MIMO通过改变天线及射频阵列格局,单面天线中可集成64个、128个甚至更多的天线振子。5G基站将采用大规模多天线技术,该技术能够通过不同的维度(空域、时域、频域、极化域等)来提升5G频谱利用率。根据目前的5G测试结果来看,采用64通道的Massive MIMO技术是各个设备商的主流选择。一般认为通道数越多,网络的性能越高,但3.5GHz频段的天线产品很难做到特别的小型化。因此,综合产品性能、成本和上站难度考虑,预计3.5GHz频段的商用5G基站将以64通道为主,不同场景可选用不同的使用方案,如图1所示。

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图1 不同场景选用不同的Massive MIMO使用方案

为了实现在3.5GHz频段下5G网络与4G网络共站址部署,5G基站和终端都需要更大的发射功率以弥补工作频段升高带来的覆盖损失。根据目前3GPP的标准进展情况判断,工作在3.5GHz频段的基站和手机终端都有望具备更高的发射功率。从目前的技术研究和各公司的产品路标看,预计2020年5G正式商用时,基站将有望在支持下行64通道、工作在100MHz带宽时实现最高200W(即53dBm)的发射功率,手机终端发射功率相较4G时期预计也有望增长一倍,达到400mW(即26dBm)。更大的发射功率可在一定程度上弥补由于5G工作频段升高带来的网络上下行覆盖损失。

为了弥补上行覆盖受限的问题,5G采用全新空口技术来提升网络性能和覆盖能力。由5G链路预算可知,由于手机终端发射功率有限,5G网络的覆盖范围主要受限于上行。当宏基站部署在室外,用户在室内时,无线信号需穿越墙体,造成信号衰减,此时基站覆盖范围最小。5G时代,一般约定当终端的上行速率下降到2Mbit/s时为小区的覆盖边缘。根据此约定,通过链路预算分析,可发现工作在3.5GHz频段的5G上行覆盖可达200米。如果考虑目前尚未完成标准化的未来5G全新帧结构设计,预计上行的覆盖距离还将更远。

根据目前的标准进展和测试情况判断,采用Massive MIMO的5G基站不但可以通过复用更多的无线信号流提升网络容量,还可通过波束赋形大幅提升网络覆盖能力。波束赋形技术通过调整天线增益空间分布,使信号能量在发送时更集中指向目标终端,以弥补信号发送后在空间传输的损耗,大幅度提升网络覆盖能力。

Massive MIMO的技术优势在于可同时提升覆盖和容量,降低高频建网成本。

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图2 Massive MIMO的技术优势

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受限。可通过空间分集、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。Massive MIMO正好解决了特定区域的这些问题。

结束语

3D MIMO是把5G技术应用到4G网络的典型案例和成功实践,相比现有4G技术,采用Massive MIMO技术的5G基站小区下行和上行平均吞吐量分别是现有4G基站的2~5倍和2倍。该技术既有效解决了4G存在的“三高一限”严重制约用户体验的现实问题,也将为移动互联网应用的规模发展提供有力的技术支撑,可极大满足5G时代用户密集区域的流量业务需求。

目前现网TD-LTE 8天线宏站可以支持4流空分复用,而Massive MIMO引入大规模阵列天线技术,使得空域16流、32流、64流或更多流复用成为可能。在热点区域,用户数多且用户在三维空间分布范围大,结合精确的信道估计、用户配对算法,既可实现空域16层及以上的视频资源空分复用,让无线网络的频谱效率再上一个台阶,又可以克服5G上下行覆盖的不平衡性,拓展网络覆盖能力。


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