高階MIMO實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及商用分析

詹文浩+戴國(guó)華

【摘 要】高階MIMO的應(yīng)用將極大提高4.5G系統(tǒng)的頻譜效率，增強(qiáng)覆蓋，提高用戶的體驗(yàn)速率，為了對(duì)高階MIMO進(jìn)行研究，首先介紹其發(fā)展?fàn)顩r，通過(guò)測(cè)試得出了高階MIMO在單站覆蓋、定點(diǎn)速率和路測(cè)上的增益，并且比較了不同傳輸模式下的下行速率，驗(yàn)證了高階MIMO對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的提升。最后通過(guò)分析高階MIMO對(duì)網(wǎng)絡(luò)和終端的影響，總結(jié)了高階MIMO的商用前景和發(fā)展方向。

高階MIMO 單站覆蓋 定點(diǎn)速率

1 引言

由于當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)在速度、容量和應(yīng)用體驗(yàn)等方面存在局限，而5G的網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)也要到2020年后才會(huì)商用，因此3GPP定義了LTE-Advanced Pro（即4.5G）作為4G和5G之間承上啟下的新標(biāo)準(zhǔn)。4.5G作為L(zhǎng)TE系統(tǒng)演進(jìn)的必然方向，未來(lái)也將與5G系統(tǒng)長(zhǎng)期共存。

在業(yè)界的宣傳當(dāng)中，一般認(rèn)為4.5G在eMBB場(chǎng)景下的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：增強(qiáng)載波聚合技術(shù)（三載波或以上的聚合）、高階多天線技術(shù)（高階MIMO，F(xiàn)DD下行4×4 MIMO或以上、TDD下行8×8 MIMO或以上）、高階調(diào)制技術(shù)（下行256QAM/上行64QAM）、授權(quán)頻譜輔助接入（LAA，Licensed-Assisted Access）。其中高階MIMO的應(yīng)用將極大提高4.5G系統(tǒng)的頻譜效率，增強(qiáng)覆蓋，提高用戶的體驗(yàn)速率。本文將介紹FDD下行4×4 MIMO在現(xiàn)網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證情況，分析其商業(yè)部署的前景，并探討將會(huì)遇到的網(wǎng)絡(luò)和終端升級(jí)的問(wèn)題。

2 FDD下行4×4 MIMO實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中國(guó)電信聯(lián)合華為公司和高通公司在深圳對(duì)FDD下行4×4 MIMO技術(shù)開(kāi)展了現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，測(cè)試頻段為1.8 GHz，帶寬均為15 MHz，傳輸模式默認(rèn)為TM4。測(cè)試基站支持2天線發(fā)射或4天線發(fā)射，測(cè)試終端支持2天線或4天線接收。

2.1 單站覆蓋增益測(cè)試

單站的情況下，因?yàn)槊扛炀€發(fā)射的功率相同，4天線發(fā)射的發(fā)射功率相比2天線發(fā)射增加一倍。在覆蓋邊緣區(qū)域，4×4 MIMO相比現(xiàn)有的2×2 MIMO還會(huì)有分集的增益。

針對(duì)室外覆蓋的場(chǎng)景，在覆蓋邊緣區(qū)域下三種MIMO類型的測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

以接收功率-120 dBm作為小區(qū)覆蓋的邊緣，此時(shí)2×2 MIMO的速率約為7 Mbit/s，4×2 MIMO的速率約為12 Mbit/s，4×4 MIMO的速率約為18 Mbit/s。4×2 MIMO相比2×2 MIMO有71%的增益，4×4 MIMO相比2×2 MIMO增益為157%。如果以10 Mbit/s作為小區(qū)邊緣的參考速率，則4×2 MIMO相比2×2 MIMO的覆蓋有7 dB的增益，4×4MIMO在覆蓋上的增益會(huì)更大。

測(cè)試結(jié)果表明，4×4 MIMO可極大地增加單站的覆蓋，對(duì)于用戶數(shù)不大、流量需求不高的邊遠(yuǎn)地區(qū)，使用4×4 MIMO可以減少基站的數(shù)量。

2.2 定點(diǎn)增益測(cè)試

定點(diǎn)的測(cè)試主要分為近點(diǎn)、中點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)。在近點(diǎn)，信道條件較好，終端可達(dá)到較高的接收功率和SINR，再通過(guò)基站配置來(lái)減少干擾。測(cè)試三種MIMO類型的峰值速率結(jié)果如圖2所示：

對(duì)兩組測(cè)試結(jié)果進(jìn)行平均，4×4 MIMO的峰值速率可達(dá)到208.8 Mbit/s，2×2 MIMO和4×2 MIMO分別能達(dá)到107.7 Mbit/s和104.6 Mbit/s的速率。4×4 MIMO相比2×2 MIMO的峰值速率有94%的增益。因?yàn)榻c(diǎn)信道條件較好，4×2 MIMO與2×2 MIMO配置下終端上報(bào)的RI值都為2，但由于4天線發(fā)射時(shí)導(dǎo)頻開(kāi)銷較大，因此4×2 MIMO反而會(huì)有一定的負(fù)增益。

實(shí)驗(yàn)中選定SINR值約為10 dB的點(diǎn)為中點(diǎn)，SINR值約為0 dB的點(diǎn)為遠(yuǎn)點(diǎn)，各選取了12個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，在中遠(yuǎn)點(diǎn)三種MIMO類型定點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

4×2 MIMO相比2×2 MIMO在中點(diǎn)的增益為10%到50%，在遠(yuǎn)點(diǎn)能達(dá)到50%到100%的增益。4×4 MIMO相比2×2 MIMO在中點(diǎn)的增益為100%到150%，在遠(yuǎn)點(diǎn)能達(dá)到150%到350%的增益。

測(cè)試結(jié)果表明，4×4 MIMO對(duì)定點(diǎn)的速率有很大的提升，在信道條件越差的情況下，4×4 MIMO的速率增益越大，在遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)的速率提升最為明顯。

2.3 路測(cè)增益測(cè)試

路測(cè)可以很好地反應(yīng)在終端移動(dòng)的場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)的整體情況，終端遍歷測(cè)試小區(qū)內(nèi)的所有特征點(diǎn)，三種MIMO類型的路測(cè)結(jié)果如圖4所示。

按照50%的概率，2×2 MIMO的速率為39 Mbit/s，4×2 MIMO的速率為42.5 Mbit/s，相比2×2 MIMO增益為8.9%。4×4 MIMO的速率為60.1 Mbit/s，相比2×2 MIMO增益為54%。

在移動(dòng)的場(chǎng)景下，4×2 MIMO的增益并不明顯，4×4 MIMO仍有較大增益，但相對(duì)于定點(diǎn)的增益要小很多。在移動(dòng)場(chǎng)景下，無(wú)線環(huán)境變化更快，信道估計(jì)更加困難，4×4 MIMO對(duì)終端的信道估計(jì)的能力要求更高，因此對(duì)速率會(huì)有一定的影響。

2.4 TM9對(duì)比TM4測(cè)試

在3GPP Rel-10版本加入了TM9發(fā)送模式，使得LTE系統(tǒng)最多能支持8×8 MIMO。TM9引入了CSI-RS實(shí)現(xiàn)對(duì)CSI信號(hào)的反饋，同時(shí)使用DMRS和CRS實(shí)現(xiàn)對(duì)下行信號(hào)的相干解調(diào)和小區(qū)信號(hào)測(cè)量的反饋，多種參考信號(hào)的使用可以更準(zhǔn)確地反饋信道信息，提高參考信號(hào)的利用效率，降低多天線發(fā)射時(shí)參考信號(hào)的開(kāi)銷。但在實(shí)際使用中，為了兼容R8/R9版本的終端，在使用TM9時(shí)，需要保持原有的CRS結(jié)構(gòu)，并且額外增加CSI-RS和DMRS，反而增加了參考信號(hào)的開(kāi)銷。4×4 MIMO下TM9和TM4模式路測(cè)結(jié)果如圖5所示：

3 下行4×4 MIMO網(wǎng)絡(luò)和終端實(shí)現(xiàn)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出下行4×4 MIMO對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量、峰值速率和用戶的使用速率都有較大的提升。在信道條件越差的區(qū)域，4×4 MIMO的速率增益越加明顯。4×4 MIMO作為4.5G關(guān)鍵技術(shù)，受到了許多運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注。目前全球已經(jīng)有超過(guò)20個(gè)國(guó)家部署了4×4 MIMO的商用或測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，并且已經(jīng)有部分高端的終端能夠支持4×4 MIMO的技術(shù)。

3.1 4×4 MIMO網(wǎng)絡(luò)部署及影響

相比原來(lái)LTE的基站，4×4 MIMO的基站最大的不同在于發(fā)射天線從2根變?yōu)?根，RRU數(shù)量翻倍。在實(shí)際部署當(dāng)中，可以在原LTE基站上新增RRU，采用雙拼的方案將2天線升級(jí)為4天線。對(duì)于新建的基站，也可采用一體化的天線方案，直接部署4天線發(fā)射支持4×4 MIMO。支持4×4 MIMO的基站相比原LTE基站在成本上將會(huì)有不小的增加，但與此同時(shí)，4天線發(fā)射的基站對(duì)于覆蓋有很大的增強(qiáng)，在一些用戶和流量并不密集的區(qū)域可以減少基站的建設(shè)。

3.2 終端實(shí)現(xiàn)4×4 MIMO的難點(diǎn)

相比于基站側(cè)，4×4 MIMO對(duì)終端的影響將更大，終端不但需要考慮成本問(wèn)題，還需要更多地考慮設(shè)計(jì)和空間的問(wèn)題。目前包括三星、華為在內(nèi)的一些終端廠商均有商用終端支持4×4 MIMO，但都只限于旗艦機(jī)型，預(yù)計(jì)今年還會(huì)有多款的終端可支持4×4 MIMO。

終端要支持4×4 MIMO，基帶芯片、射頻和天線是關(guān)鍵。目前高通、海思、MTK等芯片廠商的主流芯片均能支持4×4 MIMO甚至是多載波聚合下的4×4 MIMO，基帶芯片已經(jīng)不成為瓶頸。但射頻與天線成為影響終端支持4×4 MIMO的主要因素。天線尺寸受波長(zhǎng)影響，頻率越低，需要越大尺寸的天線，因此在低頻段需要的天線尺寸過(guò)大，受終端空間的限制，終端很難支持低頻段的4×4 MIMO。終端天線個(gè)數(shù)的增加還意味著射頻前端的數(shù)量也需要增加，隨之帶來(lái)的是終端成本的增加、終端內(nèi)部空間的愈發(fā)緊張以及終端的功耗的提高等問(wèn)題。

4 高階MIMO商用發(fā)展分析

4×4 MIMO的商用需要網(wǎng)絡(luò)和終端同步的促進(jìn)和推動(dòng)，若只有網(wǎng)絡(luò)支持4天線發(fā)射，對(duì)于整體的容量和速率并沒(méi)有很大的增益；若只有終端支持4天線接收，終端也只能單純地提高接收的功率。這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)和終端支持4×4 MIMO所付出的代價(jià)并不劃算。因此在目前4×4 MIMO商用的前期，需要網(wǎng)絡(luò)和終端廠商的共同支持，才能讓4×4 MIMO系統(tǒng)能發(fā)揮最大的效益。

LTE在協(xié)議上最多能支持8×8 MIMO，但目前使用LTE的頻段多局限于3 GHz以下的頻段，在這些頻段內(nèi)天線尺寸依舊較大，在終端在要布置8天線接收難度很大，因此預(yù)計(jì)在LTE上終端4天線接收會(huì)是極限?；旧喜贾?天線發(fā)射形成8×4 MIMO的模式，利用多用戶MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體容量的進(jìn)一步提升也將是LTE階段MIMO演進(jìn)的一種形式。但8天線發(fā)射的基站帶來(lái)的功率和改造上的挑戰(zhàn)也較大，現(xiàn)有的LTE基站將可能大部分無(wú)法通過(guò)升級(jí)改造來(lái)達(dá)到，因此目前尚沒(méi)有廠家對(duì)支持8天線發(fā)射基站有明確的規(guī)劃。從目前看來(lái)，4×4 MIMO將會(huì)是LTE系統(tǒng)發(fā)展的必然方向以及未來(lái)LTE系統(tǒng)的主流配置，通過(guò)4×4 MIMO、增強(qiáng)型載波技術(shù)和下行256QAM等技術(shù)的融合，LTE系統(tǒng)可達(dá)到Gbit/s級(jí)的下行傳輸，基本滿足了LTE-Advanced對(duì)于速率的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了FDD下行4×4 MIMO的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證情況，分析了網(wǎng)絡(luò)和終端實(shí)現(xiàn)4×4 MIMO的難點(diǎn)及未來(lái)高階MIMO商用的發(fā)展前景，從單站覆蓋、定點(diǎn)速率和路測(cè)等方面對(duì)4×4 MIMO的性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試表明，4×4 MIMO對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和用戶速率都有極大的提升。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，4×4 MIMO對(duì)終端和基站都提出了更高的要求，但覆蓋能力的提升有利于提高網(wǎng)絡(luò)部署的靈活度。未來(lái)4×4 MIMO作為L(zhǎng)TE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)將可能成為運(yùn)營(yíng)商LTE系統(tǒng)長(zhǎng)期的主流配置。

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