LTE關(guān)鍵技術(shù)3D—MIMO

董麗峰+++肖瑩+++劉群

摘 要：近年來移動通信技術(shù)發(fā)展較快，這也使移動通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)面臨著嚴竣的壓力。當前LTE作為移動通信系統(tǒng)的核心，為了能夠更有效地提高系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率，增加系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)的吞吐量和速率、降低干擾依然是最重要的發(fā)展目標。這也使MIMO技術(shù)得以在LTE系統(tǒng)中得以應(yīng)用。MIMO技術(shù)即多輸入多輸出技術(shù)，在該技術(shù)中，充分的利用空間之間的弱相關(guān)性來提高通信信道的容量，并時一步增強信息傳輸?shù)目煽啃?，有效地降低誤碼率。可以說MIMO技術(shù)在LTE中的應(yīng)用是現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域重要技術(shù)性突破，為現(xiàn)代通信技術(shù)水平的提升起到了非常重要的作用。

關(guān)鍵詞：LTE；3D-MIMO；系統(tǒng)容量；信道；數(shù)據(jù)傳輸；多天線技術(shù)

1 什么是3D-MIMO

作為無線關(guān)鍵技術(shù)之一的3D-MIMO，得到了越來越多的關(guān)注。在垂直方向上增加一個天線維度逐漸成為可能。3D-MIMO技術(shù)通過引入二維天線陣列，有效的打破了傳統(tǒng)天線只提供水平維度的限制，能夠同時實現(xiàn)水平和垂直方向上的MIMO，進一步提升了MIMO可利用的空間維度，而且利用3D-MIMO信道模型所生成的信道傳輸參數(shù)也能夠與真實的通信場景具有較好的相符性，可以說3D-MIMO技術(shù)將多天線技術(shù)推向了更高的發(fā)展階段，為無線通信系統(tǒng)性能的提升提供了更廣闊的發(fā)展空間。

2 3D-MIMO技術(shù)對現(xiàn)有系統(tǒng)有哪些影響

一直以來移動通信蜂窩系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的2D波束賦形技術(shù)，這就導(dǎo)致基站發(fā)射端波束只能進行水平維度的調(diào)整，但由于3D信道的存在，只對每個用戶設(shè)置固定的下斜角，無法保證系統(tǒng)吞吐量處于最佳水平。特別是小區(qū)用戶不斷增加的新形勢下，用戶所處位置各不相同，這就導(dǎo)致無法在豎直維度上進行信道信息區(qū)分，這必然會對系統(tǒng)性能帶來較大的干擾。

與傳統(tǒng)的2D-MIMO相比，3D-MIMO是在豎直維上增加了一維可供利用的維度，通過引入二維天線陣列，可同時實現(xiàn)水平和垂直方向上的MIMO，進一步提升MIMO可利用的空間維度。因此可以有效的利用3D-MIMO技術(shù)在豎直維上的信道信息，不僅能夠?qū)π^(qū)間同頻用戶的干擾起到有效的抑制作用，而且有利于整個小區(qū)平均吞吐量的提升。而且在利用3D-MIMO技術(shù)的同時，隨著收發(fā)天線數(shù)目的逐漸增多和傳輸模式的不斷豐富，在提高數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性的同時，全面提升無線通信系統(tǒng)性能。

3 3D-MIMO為提升無線通信系統(tǒng)性能提供更多可能

MIMO多天線技術(shù)作為LTE系統(tǒng)物理層的基本構(gòu)成之一，主要可以分為空間復(fù)用、傳輸分集和波束賦形三種模式。它可以充分利用空間特性，通過在發(fā)送端和接收端均使用多根天線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，對于提升數(shù)據(jù)傳輸峰值速率、擴展覆蓋、抑制干擾、增加系統(tǒng)容量、提升系統(tǒng)吞吐量都發(fā)揮相當重要作用。現(xiàn)有的MIMO傳輸方案由于受限于傳統(tǒng)的基站天線構(gòu)架，只能在水平維度實現(xiàn)對信號的控制，還無法利用3D信道中垂直維度的自由度，不能從更深層次開發(fā)出MIMO技術(shù)對于改善移動通信系統(tǒng)整體效率與性能。而隨著天線設(shè)計構(gòu)架的演進，移動通信系統(tǒng)底層設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路也產(chǎn)生了巨大變化，這一發(fā)展趨勢直接推動MIMO技術(shù)向著更高維度發(fā)展，為進一步提升系統(tǒng)性能提供了更多可能。

空間自由度是MIMO多天下技術(shù)的安身立命之本。在有源天線系統(tǒng)技術(shù)的有力支持下，垂直維度的空間自由度的大門已悄然向MIMO技術(shù)開啟，也就是有了有源天線系統(tǒng)的技術(shù)。在3D-MIMO技術(shù)應(yīng)用過程中，能夠在不對現(xiàn)有天線尺寸改變的基礎(chǔ)上，對每個垂直天線陣子進行分解，形成多個陣子，開發(fā)出MIMO另一個垂直方向的空間自由度。這不僅有效的提高了MIMO技術(shù)的水平，而且為LTE系統(tǒng)性能的提升奠定了良好的基礎(chǔ)，對抑制小區(qū)間干擾及提高系統(tǒng)吞吐量都起到了非常重要的作用。

4 3D-MIMO突破應(yīng)用場景限制，有效提升系統(tǒng)容量

與傳統(tǒng)MIMO不同的是，3D-MIMO中所采用的天線規(guī)模發(fā)生了巨大變化，天線數(shù)目大幅增加，不只是簡單地擴增天線數(shù)量，因為量變可以引起質(zhì)變。隨著基站天線數(shù)目趨向于很多時，各UE的信道將趨向于正交，用戶間的干擾趨于消失，由此帶來的巨大的天線陣列增益將有效提升每個用戶的信噪比，因此可在相同的時頻資源上支持更多用戶的傳輸，提升小區(qū)的平均頻譜效率。在單天線對單天線的傳輸系統(tǒng)中，由于環(huán)境的復(fù)雜性，電磁波在空氣中經(jīng)過多條路徑傳播后在接收點可能相位相反，互相削弱，此時信道很有可能陷于很強的衰落，影響用戶接收到的信號質(zhì)量。而當基站天線數(shù)量增多時，相對于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個信道，他們相互獨立，同時陷入衰落的概率便大大減小，這對于通信系統(tǒng)而言變得簡單而易于處理。3D-MIMO通過引入新天線和新技術(shù)，在滿足靈活組網(wǎng)需求的同時，有效提升系統(tǒng)容量，諸多優(yōu)勢引來業(yè)界多數(shù)通信設(shè)備廠商都相繼推出了具有3D-MIMO功能的新設(shè)備。

首先，當前城區(qū)建筑多以高層建筑為主，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)基站無法實現(xiàn)對高層建筑高處樓層的全面覆蓋，因此需要利用3D-MIMO技術(shù)，通過該技術(shù)來分割出指向不同高度位置的波瓣來實現(xiàn)場景的全面覆蓋，而且依托于多個并行數(shù)據(jù)流進行傳輸，有效的提高了頻率利用效率。利用3D-MIMO技術(shù)后，所占用的天面數(shù)量較少，而且垂直面覆蓋加寬，利用天線陣來實現(xiàn)對整個樓層的覆蓋，而且在對高層建筑進行覆蓋的同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬分區(qū)，不僅達到了空分復(fù)用的效果，而且對頻譜效率的提升起到了積極的作用。

其次，3D-MIMO技術(shù)可以降低對鄰區(qū)的干擾。

3D-MIMO天線相比于常規(guī)天線的垂直面不能隨終端位置的變化而實時調(diào)整，3D-MIMO天線可通過AAS（有源天線陣子）組合而成，每個陣子都可以獨立調(diào)整權(quán)值，波束在垂直面實時跟蹤終端，從而可從整體上降低對鄰區(qū)的干擾。

最后，3D-MIMO技術(shù)可實現(xiàn)垂直面空分復(fù)用，提升頻譜效率。

由于采用的常規(guī)天線無法在垂直面上實現(xiàn)針對終端的多波束，但利用3D-MIMO多天線技術(shù)時，在實現(xiàn)針對不同終端的垂直面多波束的同時，還能夠提供垂直面波束賦形，而且從垂直維度上再進行一次區(qū)分，形成對準他們的波束進行信號傳輸，提升頻譜效率。水平面維度與基站的夾角不同，所以基站可以在水平面維度上形成3個分別對準他們的波束進行服務(wù)。

5 多天線技術(shù)持續(xù)演進，全面推動網(wǎng)絡(luò)智能化發(fā)展

雖然3D-MIMO的天線產(chǎn)品和技術(shù)本身還尚未進行成熟的商用，可能存在一些待深度研究的內(nèi)容，但是目前的研究成果顯示，3D-MIMO中新天線和新技術(shù)的引入對于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的提升實現(xiàn)了成功的突破，可以做到靈活適應(yīng)高層建筑、體育場館、熱點地區(qū)、最后一公里等各種不同場景的室外宏覆蓋。

3D-MIMO通過提高網(wǎng)絡(luò)帶寬、提升網(wǎng)絡(luò)能力來支持更加豐富的新業(yè)務(wù)，為用戶帶來全新體驗。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的來到，移動網(wǎng)絡(luò)都面臨著容量需求快速增長和站址資源難以解決的矛盾。而移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得移動通信網(wǎng)絡(luò)在發(fā)展中面臨的問題逐步得以解決，移動通信正以更快的節(jié)奏加速向下一代通信系統(tǒng)邁近。