3D-MIMO技術(shù)原理與應用

帥農(nóng)村，鐘柱明

（中國移動通信集團廣東有限公司東莞分公司，廣東 東莞 523129）

1 引言

隨著4G網(wǎng)絡的不斷完善，4G用戶滲透率不斷上升，4G流量呈現(xiàn)爆炸性增長。為爭取更大的市場份額，移動市場競爭形勢不斷加劇，運營商將不斷推出各種不限流量套餐，可以預見，未來4G網(wǎng)絡流量還將保持快速增長的趨勢?？焖僭鲩L的流量，會給4G無線網(wǎng)絡的容量帶來巨大的挑戰(zhàn)，如何快速提升網(wǎng)絡容量，同時降低干擾水平是目前急需解決的問題。針對容量問題，通常會采用直接軟硬件擴容、小區(qū)分裂、新建基站等方式來解決。但對于高負荷和高密度站點的場景，擴容和站點加密會進一步引入干擾問題。本文從3D-MIMO波束賦形原理，以及多流復用理論出發(fā)推導，證明3D-MIMO技術(shù)是一種能夠快速有效解決網(wǎng)絡容量問題和有效降低干擾水平的技術(shù)手段，研究了下行多用戶空間復用中用于提升單用戶速率的解決方案，并系統(tǒng)性地提出3D-MIMO網(wǎng)絡規(guī)劃原則，該原則在現(xiàn)網(wǎng)已得到充分的驗證，具有較高的實用價值。

2 3D-MIMO技術(shù)原理

2.1 3D-MIMO覆蓋提升和干擾降低原理

3D-MIMO與8T8R天線結(jié)構(gòu)對比如圖1所示：

圖1 3D-MIMO與8T8R天線結(jié)構(gòu)對比（D頻段）

當前TD-LTE網(wǎng)絡一般采用8T8R的天線，在8T8R的天線結(jié)構(gòu)下，一個水平排列的所有陣子只有一個物理端口與其對應，所有陣子作為一個整體進行信號傳輸，因此無法對一個水平排列的所有陣子進行獨立加權(quán)，導致基站無法在垂直維度實現(xiàn)針對業(yè)務的動態(tài)優(yōu)化，沒有垂直維能力。隨著數(shù)據(jù)流量的不斷攀升，網(wǎng)絡干擾增大，迫切需要天線架構(gòu)具備更精準的波束賦形能力。3D-MIMO系統(tǒng)賦予每個陣元單獨調(diào)節(jié)電流和相位的能力，天線（64T64R）水平方向的物理通道數(shù)增加到16個，垂直方向的物理通道數(shù)增加到4個。

3D-MIMO天線架構(gòu)具備垂直維度賦型能力，從圖2可以看出，3D-MIMO垂直維覆蓋角度約33°，8T8R垂直維覆蓋角度約6°，3D-MIMO垂直覆蓋能力相比8T8R大幅提升，因而3D-MIMO垂直維的波束賦型可以直接覆蓋高樓層。

除了垂直覆蓋的提升，與8T8R相比，3D-MIMO系統(tǒng)的波束賦形能力也得到大大增強。波束賦形技術(shù)具體實現(xiàn)方式為對多個天線輸出信號進行相位加權(quán)，基站信號在用戶方向形成同相疊加，而在其他方向形成相位抵消，降低用戶間干擾，提高接收端的信噪比，提升系統(tǒng)的性能。如圖3所示，未使用波束賦形時，波束形狀、能量強弱位置是固定的，對于疊加減弱點用戶，如果處于小區(qū)邊緣，信號強度低。使用波束賦形后，通過對信號加權(quán)，調(diào)整各天線振子的發(fā)射功率和相位，可改變波束形狀，使主瓣對準用戶，信號強度提高。

圖2 3D-MIMO（左）和8T8R（右）天線垂直方向圖

圖3 波束賦形干涉示意圖

如圖1中3D-MIMO天線結(jié)構(gòu)所示，天線陣列水平陣元之間和垂直陣元之間有固定大小的間距，根據(jù)無線信號平面波傳輸理論，同一個時刻不同天線陣元發(fā)射的信號存在相位差。假設是水平方向角，θ是波束的垂直方向角。對于(φ,θ)的方向發(fā)射的波束，則各陣元 形 成 的 相 位 記 為假 設 發(fā)射信號為S(t)，經(jīng)過的各陣子的空間信道沖激響應為，用戶終端m收到的信號為Y(t)（其中N為陣子數(shù)量）：

若為了使接收端的信號等幅同相，則需要對發(fā)射信號進行波束賦形，假設S'(t)=S(t)×W，其中W為加權(quán)向量，則矩陣中的每一個值對應每一個天線陣元。

經(jīng)過加權(quán)的信號經(jīng)過信道后得到的信號為，可以表示為：

其中1N表示第N個1，從公式(3)可以看到，波束賦形的加權(quán)使最終業(yè)務信號呈現(xiàn)一定的方向性，從而達到調(diào)整波束的寬度和方向的目的。以4天線為例，實際產(chǎn)品的加權(quán)如圖4所示：

圖4 信號加權(quán)示意圖

而3D-MIMO（64T64R）基站天線數(shù)量增加，使得發(fā)射信號在加權(quán)時可調(diào)整的權(quán)值自由度更大，即W中的元素更多，最終得到的PDSCH波束更窄，因此波束上的能量更加集中，波束對準的用戶可以獲得更大的下行信號強度，提升波束賦形用戶的下行信噪比，可以大幅降低下行發(fā)射對鄰區(qū)UE產(chǎn)生的干擾。

2.2 3D-MIMO基于多流復用提升系統(tǒng)容量

3D-MIMO多流空分復用技術(shù)如圖5所示。

香農(nóng)理論給出了通信系統(tǒng)可獲得的性能邊界。根據(jù)香農(nóng)理論，任何通信鏈路存在一個容量或傳輸速率界限。

Foschini[1]和Telatar[2]基于香農(nóng)容量理論，推導了無線網(wǎng)絡MIMO容量的表達方式：

其中Nt為系統(tǒng)發(fā)射天線數(shù)，Nr為系統(tǒng)接收天線數(shù)，INr為接收天線受到的干擾。

圖5 3D-MIMO多流空分復用技術(shù)

從公式(5)可以看出，最高容量與基站天線和用戶數(shù)量直接相關(guān)。通信系統(tǒng)的發(fā)射或者接收天線數(shù)越大，系統(tǒng)容量C越大。

在實際產(chǎn)品中，對于下行傳輸，基站首先基于UE上行反饋的SRS信息，利用TDD上下行信道的互易性，生成下行多用戶配對數(shù)據(jù)流的波束賦形權(quán)值，然后利用權(quán)值分別對每個用戶的下行數(shù)據(jù)流和DM-RS進行加權(quán)，經(jīng)基站天線端口下發(fā)，這就是下行多用戶。

而對于上行傳輸，首先通過調(diào)度判斷配對用戶之間的空間相關(guān)性是否滿足條件，滿足條件的用戶進行配對，配對成功的用戶使用同樣的時頻資源發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過各自的信道到達接收天線。3D-MIMO譯碼器通過對各天線上的信號進行空間相關(guān)性提取，獲得上行多用戶接收信號權(quán)值，對占用相同時頻資源的用戶進行加權(quán)合并運算，并對這些用戶進行多用戶檢測，這就是上行多用戶虛擬3D-MIMO加權(quán)合并算法。

如公式(5)所示，隨著接收天線數(shù)大大增加，天線自由度更多，對于用戶的下行或上行信號加權(quán)維度更多，用戶之間信號分辨率更大，可以支撐更多用戶復用相同時頻資源進行傳輸，提升小區(qū)的下行和上行頻譜效率。

綜上所述，理論上3D-MIMO（64T64R）一方面可以帶來相對于傳統(tǒng)天線更強的波束賦形增益，具有更強的干擾抑制能力，另一方面，更強的多用戶空間復用能力，極大地提升了系統(tǒng)的容量，3D-MIMO能夠快速有效降低干擾水平和有效解決網(wǎng)絡容量問題。

3 3D-MIMO技術(shù)應用

3.1 3D-MIMO傳輸模式配置

在3D-MIMO下行多用戶空間復用方案具體實施過程中，對LTE不同的下行波束賦形傳輸技術(shù)進行了分析、驗證。

目前LTE下行波束賦形傳輸模式有：傳輸模式7（TM7），單流波束賦形；傳輸模式8（TM8），單、雙流波束賦形。由于TM7信道估計訓練序列的正交性在多層配對時優(yōu)于TM8，所以在配對層數(shù)為4層以上時，TM7多用戶配對性能明顯優(yōu)于TM8。根據(jù)外場實際測試結(jié)果，3D-MIMO 16用戶峰值測試下，TM7速率可達到650 Mbit/s，而TM8僅能達到520 Mbit/s。

在3D-MIMO基站下，為保證重載站點忙時的小區(qū)整體下行容量，最大化小區(qū)性能，目前建議將重載3D-MIMO站點的下行傳輸模式配置為TM7。但對每子幀調(diào)度用戶數(shù)不多的站點，最優(yōu)的傳輸方式配置方式建議配置為TM8，允許用戶進行雙流MU-BF，既保證了小區(qū)整體下行容量也不會導致用戶感知速率下降。

為了得到最優(yōu)化的TM8雙流性能，需要UE支持上行天線選擇性發(fā)送SRS功能，使得下行波束賦形更加精準。根據(jù)天選UE與非天選UE在TM8雙流配對時外場實測性能對比數(shù)據(jù)，天選UE可獲得40%～90%的下行容量增益。預計2018年內(nèi)中高端手機都會支持上行天線選擇性發(fā)送，建議在2018年內(nèi)將重載的3D-MIMO站點的傳輸模式配置為TM8，以獲得更佳的用戶下載速率。

3.2 3D-MIMO基站規(guī)劃原則

針對3D-MIMO的快速提升容量和降低干擾水平的特性，3D-MIMO基站規(guī)劃原則如下：

（1）部署原則：主要針對容量不足場景，經(jīng)D3擴容或者預測D3擴容后容量仍然不足以支撐業(yè)務發(fā)展區(qū)域。

（2）部署方式：采用替換原有D頻段基站的方式。

（3）部署場景：基于地理、用戶分布和業(yè)務特征，3D-MIMO建議部署如表1所示的五種典型場景：

表1 3D-MIMO建議部署場景

3.3 3D-MIMO現(xiàn)網(wǎng)應用情況

（1）工業(yè)區(qū)大話務場景

東莞新民興盛路基站，周邊是工業(yè)區(qū)，人口密集。此種場景業(yè)務特征表現(xiàn)為4G網(wǎng)絡下行高流量，用戶密度高導致4G網(wǎng)絡下行容量受限。改造方式為將原普通D頻段基站替換為3D-MIMO基站。3D-MIMO基站開通后，東莞新民興盛路基站小區(qū)忙時流量提升2.6倍，充分發(fā)揮了3D-MIMO高容量的特性，釋放了因網(wǎng)絡容量不足壓抑的網(wǎng)絡流量。效果如圖6所示。

（2） 高層住宅區(qū)高干擾場景

東莞錦繡山河基站覆蓋的是東莞高端樓盤錦繡山河，錦繡山河住宅樓都是高層樓宇。此種場景業(yè)務特征表現(xiàn)為高層用戶由于干擾大導致VoLTE無法通話，用戶投訴較多。改造方式為將原普通D頻段基站替換為3D-MIMO基站。3D-MIMO基站開通后，利用其靈活垂直波束賦型特點，針對該站點進行高層覆蓋調(diào)整，改造后該站VoLTE上行丟包率下降1/2，實現(xiàn)用戶投訴閉環(huán)處理。效果如圖7所示。

3.4 3D-MIMO工程實施相關(guān)問題分析及解決建議

3D-MIMO基站在現(xiàn)網(wǎng)應用表現(xiàn)了良好的效果，但在工程實施過程中還存在以下兩大問題：

（1）3D-MIMO基站天線寬度大導致安裝受限的問題

問題描述：3D-MIMO基站采用64T64R，基站天線寬度達到820 mm。城區(qū)基站因為考慮和環(huán)境的協(xié)調(diào)，一般安裝在美化外罩中，3D-MIMO基站天線寬度大，導致美化外罩站點無法安裝，限制了3D-MIMO技術(shù)的應用。

圖6 工業(yè)區(qū)場景圖和應用效果

圖7 高層住宅區(qū)場景圖和應用效果

解決建議：考慮3D-MIMO小型化發(fā)展，即開發(fā)32T32R產(chǎn)品，提高工程的可實施性。

（2）傳輸接入容量不足影響3D-MIMO高容量特性充分發(fā)揮的問題

問題描述：3D-MIMO基站傳輸帶寬要求高，廠家目前配置了GE口和10GE口兩種傳輸接口?，F(xiàn)有的傳輸網(wǎng)絡中，10GE口主要用于組建傳輸環(huán)，3D-MIMO基站10GE傳輸接入實現(xiàn)難度較大。

解決建議：經(jīng)核算，2 G E傳輸帶寬已可滿足3D-MIMO基站3/3/3配置下的傳輸接入需求，為此建議3D-MIMO基站標配2GE口，滿足傳輸接入需求，使得3D-MIMO高容量特性充分發(fā)揮。

4 結(jié)論

從前文論述的3D-MIMO技術(shù)原理可以看出，一方面，3D-MIMO基站天線數(shù)量多，發(fā)射信號的權(quán)值調(diào)整自由度更大，使得PDSCH波束更窄，從而波束上的能量更加集中，波束對準的用戶可以獲得更強的網(wǎng)絡覆蓋和更低的網(wǎng)絡干擾。另一方面，隨著3D-MIMO接收天線數(shù)大大增加，對于用戶的下行或上行信號加權(quán)維度更多，用戶之間信號分辨率更大，可以支撐更多用戶復用相同時頻資源進行傳輸，從而大幅提升基站容量?，F(xiàn)網(wǎng)實際應用情況也表明，3D-MIMO技術(shù)在快速提升4G網(wǎng)絡容量和降低高層干擾等方面發(fā)揮了積極的作用，有效提升了客戶感知。但是由于3D-MIMO基站天線寬度大和傳輸接入帶寬要求高等因素，導致不少場景工程實施受限，建議廠家后續(xù)對設備小型化和傳輸接口配置進行優(yōu)化，相信3D-MIMO技術(shù)在現(xiàn)網(wǎng)應用中可以發(fā)揮更大的作用。