TD-LTE網路大規模MIMO深度覆蓋解決方案
摘要：隨著TD-LTE網路的不斷發展，人們對移動數據業務的需求呈指數增長，由此對TD-LTE無線網路的容量和帶寬提出了更高要求。然而，TD-LTE網路趨於成熟，其網路建設和擴容面臨諸多瓶頸。大規模MIMO具有頻譜效率高、抗干擾能力強等特點，可有效解決現網存在的問題與挑戰。剖析大規模MIMO的關鍵技術及優勢，研究大規模MIMO深度覆蓋解決方案，有利於實現TD-LTE的網路覆蓋性能和容量提升。通過在典型場景下的試點應用，驗證和分析大規模MIMO在空分復用、頻譜效率提升等方面的性能，以期更好地推廣應用。
0 引 言
移動TD-LTE網路經歷近幾年的大規模建網，已趨於成熟，形成了基於宏、微協同的異構網路[1-2]，實現了城區、鄉鎮和農村中心區域等的連續覆蓋和大部分重要場景的覆蓋。它的發展帶動了移動數據業務的爆炸式增長，同時移動數據業務存在嚴重的分布不均勻現象，使現有網路容量和帶寬支撐能力受到嚴重挑戰。例如，TD-LTE網路頻段較高，對無線環境敏感[3]；傳統LTE宏站從小區中心到小區邊緣移動過程中，體驗速率大幅下降，小區邊緣用戶體驗差；城市建築結構呈現複雜化、高大化特點，在室分入戶困難的情況下，受傳統天線波束帶寬限制，高層樓宇垂直覆蓋面臨困難等[4-5]。TD-LTE網路現狀靠傳統的新增載波、小區分裂增加站點已無法滿足進一步的容量和覆蓋需求，甚至帶來了小區間干擾等負面影響。而大規模MIMO採用天線陣列，大幅提升了頻譜效率、增強了抗干擾能力，可有效解決目前TD-LTE網路面臨的容量、帶寬和質量挑戰，越來越受到運營商的重視。
1 大規模MIMO關鍵技術及特點
大規模MIMO採用多項創新技術，實現了其優越性能，主要包括基於大規模二維天線陣列的3D MIMO技術、廣播權值自適應調整技術和高階空分復用技術等[6]。
大規模MIMO採用大規模二維天線陣列，能夠對水平面和垂直面的三維信號進行分析，通過三維立體信號識別小區中心用戶和小區邊緣用戶，靈活跟蹤終端，採用更窄、更精準的空間賦型波束，消除終端對其他用戶或小區產生的干擾，提升小區邊緣速率和用戶體驗。採用三維信號分析還可以對高層樓宇進行廣度和深度的室內覆蓋。大規模MIMO天線可實現廣播權值自適應調整，通過可調垂直下傾角，實現垂直波束自適應調整；通過可調水平方位角，實現水平波束自適應調整，可靈活覆蓋高層樓宇場景和熱點場景。典型的，對於高層樓宇場景採用垂直空分覆蓋，對於高校、工業園區場景採用水平空分覆蓋，對於城中村場景採用垂直水平空分覆蓋。大規模MIMO採用高階空分復用技術，各層終端特定參考信號（UE-Specific RS）互為正交，下行實現多達16流的空分復用，大幅提升了小區吞吐量、容量和用戶的感知[7]。
大規模MIMO的高階空分復用能力可顯著提升頻譜效率，動態BF技術帶來的增益可以更好地提高小區邊緣覆蓋性能，可提供比傳統宏站更深的覆蓋，有效解決密集建築物區域基站選址難、高樓覆蓋難、容量不足、帶寬不足和頻率資源受限等問題。
2 大規模MIMO深度覆蓋解決方案
大規模MIMO是後TD-LTE時代深度覆蓋的重要技術手段。傳統基站採用BBU+RRU+天線架構，RRU與天線之間通過饋線連接。大規模MIMO使用集成大規模天線陣列，天線埠數較多。採用傳統基站架構，則RRU與天線之間需要很多的饋線連線，帶來施工困難和難以容忍的饋線損耗。為此，大規模MIMO基站採用BBU+AAU（有源天線單元）分離式架構，將RRU與天線集成為AAU，解決了饋線損耗、施工複雜等問題，總體佔用天面少，安裝速度快，可以靈活適配各種場景部署，是原有建設模式的革命性改進。大規模MIMO基站架構演進圖，如圖1所示。
大規模MIMO深度覆蓋解決方案根據建設場景的不同，分為基於現網站點擴容改造方案和獨立新建方案兩種。
基於現網站點擴容改造方案主要針對局部高容量熱點區域採用大規模MIMO對現網站點進行擴容改造，包括BBU、RRU、電源和傳輸等改造。BBU改造可以新增BBU機框或利舊原有BBU機框。對於新增BBU機框，還需新增大規模MIMO基帶板、直流電源板、大帶寬光模塊、控制板和交換板等；利舊原有BBU機框則需將原有的基帶板、直流電源板、大帶寬光模塊、控制板和交換板替換為支持大規模MIMO的相關配件；RRU改造需將原有的傳統宏站RRU及天線替換為大規模MIMO的AAU單元，光模塊採用大帶寬、高速、高性能光模塊；電源改造包括對原有DCPD改造、前級空開改造等，大規模MIMO功耗較大，採用的電源線需核算線徑直徑；傳輸改造包括BBU與RRU側及BBU與PTN側的傳輸網路及相關設備的同步改造，要完全發揮大規模MIMO最大的容量性能，BBU與PTN之間需提供10 GE以上的傳輸帶寬，遠大於原有的帶寬需求。大規模MIMO尺寸相對較大、功耗較高和傳輸帶寬要求高，受物業條件、天面布局、電源系統和傳輸資源等限制，其在擴容改造時的效率將受到上述條件是否具備的影響。
獨立新建方案主要針對規劃現場高容量熱點區域採用獨立新建大規模MIMO基站進行全面覆蓋。基於大規模MIMO的BBU+AAU覆蓋方案，BBU採用大規模MIMO基帶板、直流電源板、大帶寬光模塊、控制板和交換板等。設計時，需要確保傳輸保障帶寬和峰值帶寬。
對於大規模MIMO基站的組網策略，考慮到現階段大規模MIMO基站對D頻段的良好支持性，現網未建設D頻段的覆蓋盲區，如高層樓宇、密集樓宇群等室內覆蓋盲區等。因此，可以在D頻段上直接部署大規模MIMO基站，與現網F頻段宏站形成異頻組網，從而充分利用大規模MIMO基站的增強覆蓋、大容量個大帶寬等提升用戶體驗。它的部署方式可以根據現場盲區區域大小及要求，採用插花或連片部署。對於現網已建有D頻段的站點，經網優大數據分析為高熱區域，流量需求大，如校園、大型居民區、大型商業購物中心等，優先考慮在單D頻點上引入大規模MIMO基站做為熱點覆蓋，增強流量。後續如果再有流量瓶頸，對大規模MIMO基站逐步開通多個頻點補充，吸收容量。
大規模MIMO的特點使得其在TD-LTE網路覆蓋應用中具有得天獨厚的優勢。對於大面積高容量熱點區域，從便於站點運維和建設、選址/配套/租金成本和利於未來演進等方面考慮，可以採用基於C-RAN（集中式）架構的連片部署方式[8]；對於局部小範圍的高容量熱點區域，則可以採用基於D-RAN（分散式）架構的獨立部署方式。
3 大規模MIMO應用分析
在廣東大部分地市，TD-LTE網路已完成大規模建設，構建了基於F頻、D頻的雙層網建設，實現了連續覆蓋，也構建了基於宏微協同的異構網路建設，基本實現補盲、補熱等深度覆蓋。隨著運營商推出4G不限流量等包月套餐，可以預見其TD-LTE無線網路容量和帶寬將因用戶人均流量成10倍以上的速度迅猛增加。因此，僅僅通過新增頻點擴容已難以滿足需求，容易造成頻段枯竭，不利於後續擴展，且邊緣用戶感知差。為此，運營商開始推廣大規模MIMO方案，迎接突發性4G數據業務增長的挑戰。
廣東某市區基站原是一個多系統共址基站，包括TD-LTE的F頻、D頻等系統。TD-LTE站點配置採用S133三小區配置，採用FAD寬頻八通道天線覆蓋，其中第一小區覆蓋區域為工廠，二、三小區為密集居民小區及城中村場景。網優大數據測得二、三小區為高流量小區，需要擴容。經分析研究，結合現場環境、考慮未來容量擴展等需要，採用大規模MIMO對現網D頻進行擴容改造，將原二、三小區均擴容為D頻3載波大規模MIMO小區，新增1台中興BBU機框，包括6塊大規模MIMO基帶板BPQ3、1塊CCE1控制板、1塊PM10B電源板、1塊CR0交換板及16個25G光模塊；利舊原有開關電源及其配置的整流模塊，新增1台中興DCDP7直流電源分配單元；將原有二、三小區的FAD寬頻八通道天線直接更換為中興MM6212（D頻）AAU單元，施工簡單，改造速度快。
站點開通後，對大規模MIMO空分效果進行測試，採用兩部終端均工作在RSRP為-56 dBm、SINR為30 dB的信號穩定點。同時，進行上傳和下載數據業務測試，測得同一時間段兩部終端同時上傳速率之和超過16 Mb/s，下載速率最大值超過130 Mb/s，遠高於原8T8R宏站的上傳和下載速率。定點測試數據如圖2所示。
對大規模MIMO、常規宏站用戶數及小區吞吐量量化指標對比測試，測得的各項數據指標如表1所示。按PRB利用率100%換算，結果如表2所示。
可知，經大規模MIMO改造後的站點帶來了上、下行頻譜效率的顯著提升。具體地，下行忙
時流量是改造前常規宏站的1.66倍，上行則高達4.5倍，效果顯著，體現了大規模MIMO的優越性能。
4 結 語
作為5G網路的一項關鍵技術，大規模MIMO採用多天線、波束賦形和空分復用等技術[9-10]，具有頻譜效率高、抗干擾能力強等優越性能。在TD-LTE網路建設中應用MIMO技術，大大降低了網路干擾，提升了邊緣用戶速率，增強了用戶體驗，大幅提升了網路容量，節省了頻率資源，為解決頻率資源受限提供了有效手段，受到運營商的廣泛青睞。隨著TD-LTE無線網路需求的不斷變化，需根據容量需求、高樓覆蓋等不同場景，確定TD-LTE網路大規模MIMO的部署策略，做好大規模MIMO的建設規劃。對於局部區域的補盲、補熱，可以採用插花組網。對於大面積區域的熱點高容量覆蓋可以採用連片組網。大規模MIMO採用分離式架構，易於部署和安裝，更利於向未來網路平滑演進。
參考文獻：
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作者簡介：
王楚鋒，江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司高級工程師，學士/MBA，主要研究方向為移動通信網路規劃設計與優化。
羅新軍，江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司高級工程師，高級信息系統項目管理師，碩士，主要研究方向為無線通信網路規劃與設計。
（本文選自《通信技術》2018年第五期）
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