畢 奇，謝偉良，陳 鵬

（中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心 北京 100031）

1 引言

目前，第四代移動(dòng)通信長(zhǎng)期演進(jìn)（longtermevolution,LTE）技術(shù)正處于全球大規(guī)模商用部署階段，國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商均在積極建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)，以滿足飛速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。與傳統(tǒng)2G和3G系統(tǒng)相比，LTE系統(tǒng)的特點(diǎn)之一就是采用了多天線技術(shù)，從而突破傳統(tǒng)單天線信道容量極限，有效提高系統(tǒng)頻譜效率。

目前無(wú)線信號(hào)基帶處理技術(shù)已經(jīng)成熟，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的信道編碼、調(diào)制、差錯(cuò)控制等技術(shù)，使得移動(dòng)通信系統(tǒng)性能逼近香農(nóng)理論極限，單純通過(guò)基帶處理技術(shù)已經(jīng)較難大幅提升網(wǎng)絡(luò)性能。天線作為移動(dòng)通信的重要環(huán)節(jié)，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，都未被重視。20世紀(jì)90年代貝爾實(shí)驗(yàn)室關(guān)于多天線技術(shù)的一系列突破性研究，包括Foschini以及Telatar等人對(duì)MIMO信道容量的研究，發(fā)現(xiàn)了多天線技術(shù)的容量在高信噪比下隨收發(fā)天線數(shù)目線性增加[1，2]。1996年Foschini等首先提出MIMO系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)BLAST[3～5]，并證明其可將傳統(tǒng)無(wú)線鏈路的容量提升20～30倍。上述成果極大地開(kāi)闊了移動(dòng)通信研究的視野。在此之后，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界掀起了對(duì)多天線技術(shù)研究和應(yīng)用的熱潮。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

3GPP LTE技術(shù)規(guī)范R8版本中定義的多天線技術(shù)，下行支持4天線4層發(fā)送，上行支持單天線發(fā)送。LTE R8的多天線技術(shù)包括發(fā)射分集、開(kāi)環(huán)空分復(fù)用、閉環(huán)空分復(fù)用、波束成形等。在中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)移動(dòng)）和大唐電信的共同推動(dòng)下，R9版本中下行引入了雙流波束成形技術(shù)。R10版本中對(duì)多天線技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步增強(qiáng)，支持下行最多8天線8層發(fā)送，上行最多4天線4層發(fā)送，峰值頻譜效率可提高至下行 30 bit/(s·Hz），上行 15 bit/（s·Hz）[6]。

多天線技術(shù)可以在相同時(shí)域和帶寬的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)空間的利用，顯著提升系統(tǒng)容量。但多天線技術(shù)的部署涉及運(yùn)營(yíng)商天面的工程改造，在天面資源日益受限、天線安裝難度大的背景下，如何解決系統(tǒng)增益和多天線的體積及重量，成為實(shí)業(yè)界研究和討論的重點(diǎn)。3GPP在制訂LTE標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中也考慮到各運(yùn)營(yíng)商在部署多天線時(shí)的限制。AT&T、CMCC、NTT DoCoMo、Orange、Vodafone 等 全 球 主 流運(yùn)營(yíng)商共同向3GPP提交了有關(guān)天線形態(tài)的建議[7]，見(jiàn)表1，以實(shí)現(xiàn)多天線技術(shù)帶來(lái)的增益。其中，||表示同極化，X表示交叉極化。對(duì)于天線形態(tài)，基本上分為小間距與大間距兩鐘。若采用小間距，一般選取0.5λ；若采用大間距，則一般選取4λ～10λ。

表1 運(yùn)營(yíng)商關(guān)于天線形態(tài)的建議

2.1 TD-LTE多天線波束成形技術(shù)

在TD-SCDMA部署的基礎(chǔ)上，中國(guó)移動(dòng)在國(guó)際上率先提出并部署了TD-LTE的8天線技術(shù)方案。該方案采用4列雙極化振子水平排列，振子間距0.5λ，下行通過(guò)8天線進(jìn)行波束成形，上行通過(guò)8天線進(jìn)行分集接收。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙極化智能天線示意

天線間距的大小決定了天線的寬度，同時(shí)還會(huì)影響到各列天線的性能指標(biāo)。中國(guó)移動(dòng)雙極化智能天線[8]采用波束成形技術(shù)。由于各陣列之間的互耦，單陣列的天線水平面方向圖與常規(guī)雙極化天線存在較大差異，水平面波束寬度變寬，天線增益降低，并伴有波束指向偏斜，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。為了補(bǔ)償，單陣列水平面波束寬度變寬的問(wèn)題，TD-LTE的廣播和控制信道的波束寬度進(jìn)一步通過(guò)靜態(tài)波束成形來(lái)解決。

圖2 常規(guī)65°雙極化天線與智能天線單陣列水平面方向圖

從上述分析和測(cè)試結(jié)果可以看出，0.5λ小間距的多天線技術(shù)方案適合于下行波束成形技術(shù)。上行采用分集接收時(shí)，由于多根天線的水平面方向圖存在偏差，波束指向偏斜，導(dǎo)致上行分集效果變差，影響基站扇區(qū)化覆蓋性能。

2.2 LTE-FDD多天線覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

為了解決高頻組網(wǎng)的覆蓋問(wèn)題，中國(guó)電信集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)電信）進(jìn)行了多天線覆蓋增強(qiáng)技術(shù)研究。與TD-LTE的多天線技術(shù)聚焦下行速率方案不同，LTE-FDD覆蓋增強(qiáng)技術(shù)聚焦上行分集增益。從天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，分集技術(shù)要求天線每陣列的相關(guān)性越小越好。理論分析表明，天線陣列的最佳間距為10λ。然而，10λ天線間距會(huì)導(dǎo)致天線體積和重量過(guò)大，無(wú)法在實(shí)際工程中安裝。因此，在保證各陣列天線技術(shù)參數(shù)滿足系統(tǒng)要求的條件下，盡量減少天線間距，成為中國(guó)電信技術(shù)創(chuàng)新中心“藍(lán)極光”計(jì)劃的研究?jī)?nèi)容之一。

2.2.1 天線測(cè)試

表2列出不同陣列間距的8天線樣機(jī)測(cè)試結(jié)果。隨著陣列間距增大，天線水平波束寬度變窄，天線增益提高。陣列間距為0.5λ時(shí)，天線水平波束寬度為77°，超出傳統(tǒng)65°水平波束寬度指標(biāo)18%。測(cè)試表明，當(dāng)天線間距大于0.8λ時(shí)，天線單陣列的性能指標(biāo)基本能夠達(dá)到傳統(tǒng)天線指標(biāo)要求。

2.2.2 仿真分析

除了天線性能指標(biāo)外，通過(guò)進(jìn)一步應(yīng)用Atoll網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件仿真，得到不同天線指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能的影響結(jié)果。仿真采用的8天線參數(shù)見(jiàn)表3，仿真結(jié)果見(jiàn)表4。

與傳統(tǒng)10λ天線性能相比，當(dāng)8天線陣列間距為0.5λ時(shí)，由于水平面波束寬度展寬導(dǎo)致天線增益下降，小區(qū)上下行平均吞吐率和邊緣用戶吞吐率與參考天線相比，均有下降；當(dāng)陣列間距為0.8λ時(shí)，由于水平面波束寬度和參考天線相當(dāng)，小區(qū)上下行平均吞吐率和邊緣用戶吞吐率與參考天線相似。

從上述結(jié)果可以看出，天線陣列間距在仿真中對(duì)吞吐量的影響并不大。但仿真結(jié)果與信道建模有很大關(guān)系。由于目前所有的信道建模，包括3GPP的信道建模，都與實(shí)際信道有較大差別，使得仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際的指導(dǎo)意義有極大的不確定性。為了論證多天線技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，中國(guó)電信在國(guó)際上率先部署了規(guī)模LTE-FDD 8天線網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)合業(yè)界主流廠商在多個(gè)城市進(jìn)行了一系列測(cè)試，包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、單站測(cè)試、多站多干擾源測(cè)試、連續(xù)組網(wǎng)測(cè)試以及規(guī)模過(guò)百站的商業(yè)混合組網(wǎng)測(cè)試，系統(tǒng)和全面地研究了LTE-FDD多天線技術(shù)在實(shí)際組網(wǎng)環(huán)境中的性能。

2.2.3 測(cè)試結(jié)果

由于篇幅關(guān)系，這里主要給出實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和商用混合組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試主要是驗(yàn)證基站在標(biāo)準(zhǔn)信道模型和一定的干擾條件下，采用MRC和IRC算法，8天線接收相比2天線接收的SNR增益，測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下，當(dāng)使用MRC算法時(shí)，廠商設(shè)備的平均SNR增益能達(dá)到6.5 dB；當(dāng)使用IRC算法時(shí)，廠商設(shè)備的平均SNR增益能達(dá)到7 dB。

如前所述，由于目前信道建模與實(shí)際信道差距甚遠(yuǎn)，仿真和實(shí)驗(yàn)室都只能得到在理論信道模型條件下的性能增益。該增益并不代表實(shí)際網(wǎng)絡(luò)能夠獲得相應(yīng)的增益。為此，中國(guó)電信對(duì)8天線的性能進(jìn)行了大量外場(chǎng)測(cè)試。圖5給出一般市區(qū)混合組網(wǎng)環(huán)境下接收信號(hào)強(qiáng)度（RSRP）的比較。該測(cè)試區(qū)域面積約30 km2，測(cè)試區(qū)域內(nèi)有36個(gè)2T8R小區(qū)及74個(gè)2T2R小區(qū)。測(cè)試路線遍歷測(cè)試區(qū)域的主要道路，獲得有效采樣點(diǎn)8萬(wàn)個(gè)。通過(guò)選擇測(cè)試區(qū)域，從圖5可以看出，測(cè)試區(qū)域中2天線與8天線覆蓋情況基本一致，具備性能對(duì)比條件。

表2 LTE-FDD不同陣列間距天線樣機(jī)性能測(cè)結(jié)果

表3 仿真天線關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

表4 陣列間距對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響仿真結(jié)果

圖3 MRC算法，當(dāng)MCS=4時(shí)，8天線/2天線SNR增益測(cè)試結(jié)果

圖4 IRC算法，當(dāng)MCS=4時(shí)，8天線/2天線SNR增益測(cè)試結(jié)果

圖5 混合組網(wǎng)測(cè)試RSRP CDF曲線

為了更合理地對(duì)比2天線與8天線接收在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的性能，將2天線與8天線的接收信號(hào)對(duì)齊，選擇在同樣導(dǎo)頻接收信號(hào)強(qiáng)度RSRP條件下來(lái)進(jìn)行比較。結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7中可以看出，在不同的無(wú)線環(huán)境下，8天線技術(shù)的增益以不同方式體現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差的邊緣區(qū)域 （RSRP<-95 dBm），8天線技術(shù)相比于2天線技術(shù)上行速率提升顯著，終端發(fā)射功率相當(dāng)。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好的中近區(qū) （-85 dBm-75 dBm）8天線技術(shù)相比于2天線技術(shù)的增益全都體現(xiàn)在終端發(fā)射功率降低。

3 大規(guī)模MIMO技術(shù)

3.1 概述

圖6 混合組網(wǎng)下2天線與8天線上行速率性能對(duì)比

圖7 混合組網(wǎng)下2天線與8天線上行終端發(fā)射功率對(duì)比

目前由于天線尺寸的限制，LTE商用系統(tǒng)的下行波束成形和上行的分集接收天線數(shù)都被限制在8個(gè)。中國(guó)移動(dòng)與中國(guó)電信在TD-LTE和LTE-FDD的多天線的商業(yè)應(yīng)用嘗試中，都走在了世界的前列。由于增加天線數(shù)目具有提升移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的潛力，國(guó)際上對(duì)下一代移動(dòng)通信的研究重點(diǎn)之一，聚集在進(jìn)一步大規(guī)模地增加天線數(shù)目的目標(biāo)上[10～17]。從目前來(lái)說(shuō)，大規(guī)模MIMO的應(yīng)用場(chǎng)景和天線數(shù)目，主要與下一代移動(dòng)通信的頻段發(fā)放有關(guān)。在保持天線尺寸與目前相當(dāng)?shù)臈l件下，通信頻段選取得越高，可增加的天線數(shù)也就越多。對(duì)于低頻段，大規(guī)模MIMO的部署可能需要通過(guò)使用傳統(tǒng)天線原有的的振子數(shù)來(lái)解決。在這樣的條件下，大規(guī)模MIMO技術(shù)的增益必須同時(shí)補(bǔ)償從傳統(tǒng)天線原有振子能夠得到的天線增益。

3.2 大規(guī)模MIMO的設(shè)計(jì)趨勢(shì)

在前面章節(jié)，談到天線的兩種形態(tài)。對(duì)于中國(guó)移動(dòng)推進(jìn)的8天線TD-LTE系統(tǒng)，系統(tǒng)增益主要聚焦于波束成形。因此基站端天線不同陣列之間需要具有高相關(guān)性。天線陣列的間距采用0.5λ波長(zhǎng)來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)于中國(guó)電信嘗試的LTE-FDD的8天線系統(tǒng)，系統(tǒng)增益主要通過(guò)分集技術(shù)。基站端天線之間需要具備低相關(guān)性。雖然理論上，低相關(guān)性天線陣列之間的間距應(yīng)該按10λ來(lái)設(shè)計(jì)，但實(shí)際部署表明，大約0.8λ的天線設(shè)計(jì)能夠獲得可接受的商用天線設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)理論分析，MIMO的增益主要來(lái)源于3個(gè)方面，即波束成形（包括預(yù)編碼）、空間復(fù)用（spatial multiplexing）以及分集 (diversity)[18，19]。其中第一個(gè)方面需要高相關(guān)度的天線陣列，而后兩種用低相關(guān)的陣列更為有利。盡管在基帶處理方面，可根據(jù)獲得的信道矩陣，信號(hào)處理時(shí)用不同的算法在這3種形態(tài)下自由切換，但對(duì)天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，確定的天線形態(tài)將決定主要增益的來(lái)源。從目前的趨勢(shì)來(lái)看，對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中大規(guī)模MIMO的天線選取，更多廠商趨向于采用高相關(guān)性天線陣列[20]。因此，下一代大規(guī)模MIMO的主要增益來(lái)源極可能將通過(guò)多用戶預(yù)編碼的方式，利用與波束成形等效的方法獲得。

3.3 大規(guī)模MIMO技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

大規(guī)模MIMO技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景如圖8所示。作為4G MIMO技術(shù)的擴(kuò)展，大規(guī)模MIMO的潛在應(yīng)用場(chǎng)景包括城區(qū)宏覆蓋、城區(qū)微覆蓋及郊區(qū)覆蓋。其中，將大規(guī)模MIMO應(yīng)用于用戶密度較大的城區(qū)宏覆蓋和城區(qū)微覆蓋場(chǎng)景，是提高系統(tǒng)容量的主要目標(biāo)。通過(guò)在水平和垂直維度上進(jìn)行天線波束成形，大規(guī)模 MIMO技術(shù)可以同時(shí)為處于建筑物內(nèi)不同樓層以及建筑物外的用戶提供服務(wù)，成為潛在地解決高層建筑物覆蓋問(wèn)題的技術(shù)方案。

圖8 大規(guī)模MIMO應(yīng)用場(chǎng)景示例

宏、微基站之間的無(wú)線回傳也是大規(guī)模MIMO的潛在應(yīng)用場(chǎng)景之一。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署過(guò)程中，提供回傳鏈路是影響網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的重要因素。伴隨著大規(guī)模MIMO的廣泛部署，具有高增益的波束成形方案的成本大大減少，為解決無(wú)線回傳的可行性方法提供了一種新的思路和方案。

3.4 大規(guī)模MIMO的技術(shù)挑戰(zhàn)

大規(guī)模MIMO技術(shù)是目前移動(dòng)通信領(lǐng)域容量潛力最高的技術(shù)之一。但是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)的角度，仍然有眾多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要有效地解決。

有源集成化天線：由于波束成形的需要，天線設(shè)計(jì)需要將有源電路與天線陣子進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)成高度集成化的有源天線系統(tǒng)。對(duì)天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸、重量、散熱、級(jí)聯(lián)及維護(hù)等都提出了挑戰(zhàn)。特別是在天線共享方面，大規(guī)模MIMO無(wú)法與2G、3G以及現(xiàn)有系統(tǒng)共享天線。在天線資源日益緊張的環(huán)境下，這種天線形態(tài)能否成功地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商用化，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

信道信息精確度及反饋開(kāi)銷：對(duì)于大規(guī)模MIMO，每個(gè)天線都需要較高精度的信道狀態(tài)信息。信道估計(jì)的精確度、時(shí)延以及龐大的反饋開(kāi)銷及處理將成為影響能否獲得較好增益的關(guān)鍵因素。信道的變化速度、覆蓋環(huán)境的復(fù)雜度、蜂窩信號(hào)的干擾強(qiáng)度以及反饋信息的速度，也都是影響大規(guī)模MIMO的效果和成功部署的關(guān)鍵。

控制廣播信道設(shè)計(jì)及算法穩(wěn)定性：盡管對(duì)大規(guī)模MIMO已經(jīng)存在大量研究，但其與控制廣播信道的聯(lián)合設(shè)計(jì)以及各算法在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性，還不具有足夠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。因此，一定時(shí)間的規(guī)模部署磨合期將不可避免。

3.5 大規(guī)模MIMO的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

ITU于2012年啟動(dòng)針對(duì)5G系統(tǒng)的各項(xiàng)研究工作，目前5G系統(tǒng)的需求、愿景、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)以及頻譜等方面均仍處在研究階段。工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)于2013年2月組織國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商及相關(guān)設(shè)備制造廠商、科研單位成立了中國(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組，并在2013年12月正式啟動(dòng)大規(guī)模 MIMO關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。

大規(guī)模MIMO技術(shù)作為5G系統(tǒng)的重要備選技術(shù)，與其相關(guān)的技術(shù)演進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)化研究工作也已在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織中分階段展開(kāi)。

· 階段1，主要工作是三維信道模型標(biāo)準(zhǔn)化[20]。3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織于2013年9月啟動(dòng)了對(duì)三維信道模型的研究工作，為后續(xù)的3D-MIMO和大規(guī)模MIMO的研究工作做準(zhǔn)備，有望于2014年9月完成。

·在階段2，主要工作是3D-MIMO的標(biāo)準(zhǔn)化。目前，3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)開(kāi)始準(zhǔn)備關(guān)于3D-MIMO的研究立項(xiàng)，研究?jī)?nèi)容包括更多的天線端口數(shù)（如16、32、64個(gè)）、3D-MIMO的設(shè)計(jì)方案以及性能評(píng)估，并希望盡快啟動(dòng)相關(guān)研究工作。從目前來(lái)看，3D-MIMO技術(shù)有望在3GPP R13版本中引入。

·階段3，將對(duì)大規(guī)模MIMO進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。大規(guī)模MIMO將通過(guò)在階段2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加基站側(cè)天線數(shù)目（如128、256根等），實(shí)現(xiàn) 10個(gè)或更多用戶的多用戶傳輸。大規(guī)模 MIMO標(biāo)準(zhǔn)化工作的具體時(shí)間取決于3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)5G系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的整體時(shí)間安排，預(yù)計(jì)在R14/R15版本展開(kāi)研究，并在2020年之前完成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。

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