Дослідження та оптимізація спектральної ефективності гетерогенних мереж 4G/5G з використанням технології Massive MIMO

DOI: 10.31673/2412-9070.2026.028314

Анотація

У статті проведено комплексне дослідження методів підвищення спектральної ефективності та пропускної здатності сучасних мереж мобільного зв’язку в умовах щільної міської забудови. Актуальність роботи зумовлена експоненціальним зростанням обсягів мобільного трафіку (до 45% щорічно) та дефіцитом доступного частотного ресурсу, що потребує впровадження високоефективних технологій просторового мультиплексування. Об’єктом дослідження є процеси управління радіоресурсами у гетерогенній мережі ПрАТ «Київстар» на прикладі кластера з 145 базових станцій у Печерському районі міста Києва.
Методологія дослідження базується на аналізі великих масивів даних (Big Data), отриманих із систем управління мережею (OSS Huawei U2020) та результатів натурних драйв-тестів із використанням сканерів Rohde & Schwarz. Обробка даних здійснювалася у середовищі Jupyter Notebook мовою Python з використанням бібліотек Pandas, NumPy та алгоритмів машинного навчання (XGBoost) для прогнозування поведінки мережі при зміні параметрів Beamforming.
У ході дослідження проведено порівняльний аналіз ефективності класичних систем 2T2R та активних антенних систем (AAS) із підтримкою Massive MIMO 64T64R. Встановлено, що впровадження Massive MIMO забезпечує приріст середньої спектральної ефективності у 2,7 раза, досягаючи показника 4,8 біт/с/Гц. Особливу увагу приділено оптимізації вертикального нахилу променя (D-Tilt). Експериментально доведено, що адаптивне керування діаграмою спрямованості дозволяє підвищити рівень сигналу на верхніх поверхах висотних будівель на 18%, мінімізуючи при цьому міжсекторну інтерференцію (overshooting).
Аналіз статистичних даних підтвердив, що використання модуляції 256QAM зросло до 35%, що в поєднанні з технологією MU-MIMO дозволило досягти медіанної швидкості передачі даних 45 Мбіт/с. Також розкрито особливості функціонування технології Dynamic Spectrum Sharing (DSS) у діапазоні 2100 МГц, визначено вплив сигнального навантаження на загальну ємність сегмента мережі. Сформульовано практичні рекомендації щодо налаштування порогів хендоверу та координації променів (Beam Coordination) для мінімізації взаємних завад у зонах зі складною багатопроменевою структурою поширення сигналу. Результати роботи можуть бути використані операторами мобільного зв’язку для планування та оптимізації мереж 5G NR у великих містах України.

Ключові слова: 5G NR, Massive MIMO, Beamforming, спектральна ефективність, гетерогенні мережі, QoS, SINR, статистика OSS.