Massive MIMO应用于高层建筑提升5G 覆盖

0 前言

5G 是新一代通信技术演进的重要方向，是实现万物互联的关键基础设施，满足各类型场景对5G网络覆盖需求，要投入海量的资源。控制覆盖需求与资源投入之间的平衡，在现有网络基础上，充分发挥技术特性来满足网络发展需求甚为关键。

高层住宅、写字楼等高层建筑是未来5G用户的重要分布场合，目前暂未建设5G 室内分布系统，其高层部分由宏基站覆盖的效果不理想，传统技术不能满足覆盖需求。广州联通应用Massive MIMO 技术对高层建筑进行覆盖补盲、寻优，使宏基站AAU 满足高层建筑各场景覆盖，并通过现场测试验证了这一方案是行之有效的。

1 高层建筑5G覆盖提升的背景

随着城市经济建设的快速发展，高层建筑日益增多，大部分高层的5G 信号弱覆盖和质量差的情况严重，存在高时延、低速率、高掉线、弱信号等相关感知问题。本文选取广电兰亭荟、星汇雅苑2 个VIP 高价值涵盖小区及高层综合性较强的楼宇群进行评估测试、调优、对比。

广电兰亭荟合计3 栋20 层建筑；星汇雅苑共计4区8 栋建筑，楼高：C 区10 层，A 区、B 区15 层，D 区25层。

经分析，本文优化对象的高层部分5G网络弱覆盖的主要原因如下：

a）未建设5G 室分，高层建筑只能通过室外宏站覆盖。

b）为了控制覆盖范围，宏站AAU 的倾角设置较大。

为了改变这一现状，广州联通计划挖掘5G AAU所具备的64T64R Massive MIMO 矩阵能力，通过Massive MIMO满足该场景高、中、低层的全面需求。

2 Massive MIMO特性介绍

2.1 Massive MIMO 功能及参数组合

Massive MIMO 天线其实就是一种高增益的阵列天线。相比传统的8T8R天线，不仅实现了水平面的赋型，同时也利用更多的振子和通道实现了垂直面的赋型。天线赋型技术是通过不同通道电调阵子相位实现对于某一方向窄波束的汇聚从而实现辐射能量的增益，对于8T8R 而言，在垂直方向上所有振子归属一个通道，因此无法实现垂直维度的赋型，而Massive MIMO 天线通过垂直维度的通道隔离实现不同通道内所含振子的独立电调从而完成了垂直维度的赋型。

Massive MIMO 天线还具有波束赋形的功能，在为小区用户发射数据时，可以通过调整天线的波宽，以及上、下、左、右的方向，实现三维的精准波束赋形，使辐射出去的能量集中于用户所在的方向，而不是均匀地分布在整个小区的范围，这样用户能够感受到更高的能量，可以获得更高的信噪比，相应地数据传输速率就能获得提高。

Massive MIMO 技术伴随5G 带来更高的速率、容量的同时，也要面临更多的参数需要配置。从3G、4G到5G，可调整的参数是不断增加的。

a）3G场景：水平波宽+垂直波宽的参数组合。

b）4G 场景：水平波宽+垂直波宽+下倾角的参数组合。

c）5G 场景：水平波宽+垂直波宽+下倾角+水平角的参数组合。

3G：只有水平波宽和垂直波宽2 个参数。水平波宽有90 °、65 °、45 °、25 °、15 ° 5 种选择，垂直波宽有8°、17°、35°3种选择，组合起来一共有15种组合。

4G：在3G 的2 个参数基础上，增加下倾角的参数调节，下倾角的选择范围是-15°～15°，1 为1 个步长，一共有31 个可调值。组合加起来有400 多种，去掉一些低效和无效组合，实际可用的有283种。

5G：在4G 参数组合的基础上，增加了水平方向角的参数调节，水平方向角的取值选择有数十种，与4G 3个参数（水平波宽、垂直波宽和下倾角）组成的200多种组合相比，多出几十倍的参数组合，可调节的参数组合高达数千种。

2.2 Massive MIMO 带来的性能提升

a）高复用增益和分集增益：Massive MIMO 系统的空间分辨率与现有MIMO 系统相比显著提高，它能使基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。

b）高能量效率：Massive MIMO 系统可形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，从而使基站与UE之间的射频传输链路上的能量效率更高，减少基站发射功率损耗，是构建未来高能效绿色宽带无线通信系统的重要技术。

c）高空间分辨率：Massive MIMO 系统具有更好的鲁棒性能。由于天线数目远大于UE 数目，系统具有很高的空间自由度和很强的抗干扰能力。

Massive MIMO 技术是5G 的标志性技术，Massive MIMO 特性在增强覆盖、提升容量方面有显著的作用，基站通过Massive MIMO 天线的波束赋形技术克服电磁波传播路损的损耗，实现天线和基站小型化和商用化。

传统BF波束只能在水平方向跟随目标UE调整方向，基于Massive MIMO 后实现3D-BF 特性，窄波束在水平与垂直方向都能随着目标UE 的位置进行调整，始终对准目标UE，从而使目标UE获得更好的覆盖，且波束较窄，可以降低干扰。

3 高层建筑5G网络提升方案制定

3.1 现场测试分析

对优化对象高层场景，通过现场测试、调优、验证等相关流程完成Massive MIMO 相关参数设置的调优配置。对现场楼宇低中高层进行测试采样，测试采样信号电平均值记录如表1所示。

测试结果表明高层覆盖弱及广电兰亭荟3栋楼宇整体脱网，从分析测试数据及基站分布情况来看，弱覆盖区域主要受环境阻挡，站点天线方向与倾角设置不合理，另AAU 天线垂直波束未能较好地应用导致部分楼宇弱覆盖、脱网。

表1 楼宇测试覆盖水平

测试仍采用10用户同步测试方式，测试速率均值低于单用户速率峰值水平。

表2示出的是楼宇测试速率体验水平。

表2 楼宇测试速率体验水平

从速率数据分析可以看出速率与覆盖水平相关性极强，良好的覆盖是用户感知体验的保证，测试中广电兰亭荟2 栋和3 栋脱网区域的0 速率严重影响用户感知。

3.2 优化方案制定

3.2.1 17种波束场景定义

5G Massive MIMO 有17 种波束场景，可灵活调整与组合，能够很好地解决传统天线在实际覆盖中存在的不足，如覆盖边缘和近点深度无法兼顾，边缘覆盖和越区覆盖无法兼顾等问题（见图1）。

图1 传统天线覆盖场景受限示意图

目前5G 天线支持的波束场景共计17 种，除默认的default 场景外，还提供了16 种天线场景供选择，适应于广场、不同高层楼宇以及干扰场景等不同类型场景，通过选择合理的水平覆盖范围与垂直覆盖范围来匹配具体应用场景，相关场景详细介绍如表3所示。

3.2.2 场景波束优化策略

a）选择扇区主覆盖（方位角±60°范围内）的建筑物作为待规划目标。

b）选择与站点距离在［50，300］范围内的建筑物作为待规划目标。

c）若有室分建筑物列表，则规划时应排除部署室分站点的建筑物。

d）基于如下拓扑关系计算扇区覆盖建筑物需要的水平与垂直波宽，根据水平波宽与垂直波宽要求选择相应的波束场景。

垂直波宽计算公式为：

式中：

α——垂直波宽

h——站高

D——站点到建筑物栅格的距离

H——待规划建筑物高度

β——水平波宽

B——待规划建筑物宽度

水平波宽计算公式为：

式中：

β——水平波宽

B——待规划建筑物宽度

根据计算出的水平波宽与垂直波宽，选择与此数值接近的波束场景，如α介于25 与12 之间，将其与25和12 的中值比较，若α 大于中值，选择垂直波宽25°，否则取12°。

表3 Pattern场景类型应用介绍

若共站相邻小区夹角小于90 °，顺时针较前小区水平波宽取≤65°。

综合考虑水平波宽α与垂直波宽β的场景交集，选择能够同时满足水平和垂直覆盖需求的波束场景。

举例说明：

a）垂直波宽确定：当D=70 m，h=15 m，则C=H-h=15 m，则可计算出α=25，参照表3 可知SCENARIO_12～SCENARIO_16的垂直3 dB波宽为25。图2示出的是垂直波宽场景应用示意图。

b）水平波宽确定：当B=30 m，D=70 m，则可计算出β=25，参照表3 可知SCENARIO_5、SCENARIO_10、SCENARIO_15 的水平3 dB 波宽为25。图3 示出的是水平波宽场景应用示意图。

c）波束场景确定：取1 和2 的场景交集，即SCENARIO_15能同时满足水平和垂直覆盖需求。

3.3 优化方案实施

图2 垂直波宽场景应用示意图

图3 水平波宽场景应用示意图

根据现场环境、覆盖需求，结合上述优化策略，本文高层场景优化选取了4/12/13/14/15 场景，解决广电兰亭荟、星汇雅苑的覆盖问题，综合现场环境及站点分布、站高、倾角、波束组合输出表4所示优化调整方案。

表4 案例Pattern应用调整方案

3.4 优化效果对比

测试仍旧采用10用户同步测试方式，测试速率均值低于单用户速率峰值水平。楼宇优化前后覆盖指标对比如表5 所示。楼宇优化前后下载速率对比如表6所示。

根据数据统计汇总对比，覆盖平均电平由-102.77 dBm 改善至-95.62 dBm，提升幅度为6.96%，该区域的下载速率由116.24 Mbit/s提升至159.38 Mbit/s，提升幅度为37.12%，上行速率由23.50 Mbit/s 提升至38.28 Mbit/s，提升幅度为63.92%。

星汇雅苑：优化解决楼宇覆盖盲区，高层改善明显（见图4）。

a）中层楼宇：覆盖大幅提升，速率有明显提升。

b）高层楼宇：优化前为覆盖盲区，优化后覆盖和速率均大幅提升。

广电兰亭汇：优化前为覆盖盲区，优化后覆盖和速率提升巨大，高层改善尤为突出（见图5）。

总体来看，在原主瓣方向调整后信号强度稍有下降，在原波瓣边缘及盲区信号强度有明显提升及改善，基于覆盖提升及多MIMO 应用，速率应用方面用户也得到了较好的保障，整体输出大于单用户输出。

根据本文的覆盖寻优案例及厂家参数指导意见，具体分类小结场景适配参数，有利于快速组网适配各种场景。

4 经验总结

对于没有室内分布系统的高层建筑，室外宏站利用传统技术覆盖室内存在明显的不足，满足覆盖需求与投资成本控制之间需要一个平衡点。通过Massive MIMO 特性，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，并且由于其波束非常窄，也可以大大减少对周边的干扰，结合垂直波束的管理与应用有助于高层楼宇场景的覆盖补充。

正确合理波束管理和波束控制对Massive MIMO非常重要，在后续网络优化中，精准的波束应用与优化的作用尤为突出。本文对垂直覆盖场景波束实际应用进行的原理分析及经验总结，丰富了高层建筑5G网络覆盖的提升手段。

表5 楼宇优化前后覆盖指标对比

表6 楼宇优化前后下载速率对比

图4 星汇雅苑优化效果对比示意图

图5 广电兰亭荟优化效果对比示意图