D-MIMO技術(shù)及應(yīng)用策略研究

姚鍵，陳勇輝，李國(guó)順

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司，廣州 510630）

1 D-MIMO基本原理

D-MIMO是分布式MIMO（Distributed MIMO）的簡(jiǎn)稱。傳統(tǒng)MIMO應(yīng)用一般要求發(fā)射天線不應(yīng)相距過(guò)遠(yuǎn)[1]，比如在進(jìn)行室內(nèi)分布系統(tǒng)雙流建設(shè)時(shí)天線距離一般不可超過(guò)1.5倍波長(zhǎng)，主要原因是天線間距過(guò)大將造成UE接收到的多天線口功率不對(duì)稱，損失MIMO系統(tǒng)容量。D-MIMO與傳統(tǒng)MIMO不同之處，在于其將發(fā)射端在分布在較大的空間范圍中。對(duì)于超密集組網(wǎng)的場(chǎng)景，多個(gè)發(fā)射端在空間離散分布，但存在較大重疊覆蓋區(qū)，從而帶來(lái)較高的干擾。針對(duì)這種場(chǎng)景，D-MIMO將原本互相干擾的多個(gè)發(fā)射點(diǎn)（宏站或微站）成簇，通過(guò)采用正交的發(fā)送向量對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，正交的用戶數(shù)據(jù)聯(lián)合并行發(fā)送，互不干擾，鄰小區(qū)的干擾信號(hào)成為有用信號(hào)[2，3]。

為了實(shí)現(xiàn)空間分布的發(fā)射點(diǎn)成簇，D-MIMO需要處理以下兩個(gè)問(wèn)題。

（1）對(duì)于不同服務(wù)小區(qū)的UE，如何完成配對(duì)判定，預(yù)編碼，權(quán)值預(yù)正交等過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)多流傳輸，增大容量。

圖1 D-MIMO基本原理示意

（2）如何使簇內(nèi)相距較遠(yuǎn)的發(fā)射點(diǎn)協(xié)同運(yùn)行，其主要目的如下：一是避免UE接收多天線功率不對(duì)稱等問(wèn)題造成的容量損失[4]。二是實(shí)現(xiàn)如波束賦型（BF）等重要功能。MIMO技術(shù)的提出是為了提高容量，當(dāng)空口資源有限時(shí)，若實(shí)現(xiàn)多個(gè)UE的空間隔離，則多個(gè)UE可共享相同時(shí)頻資源，實(shí)現(xiàn)MU-MIMO，成倍提高容量。協(xié)議R10便提出了TM9，支持高達(dá)8流傳輸。BF目的即實(shí)現(xiàn)UE的空間隔離，而為了實(shí)現(xiàn)BF，多個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)同個(gè)UE需要高協(xié)同運(yùn)行[5]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，D-MIMO采用以下兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)解決。

2.1 對(duì)簇內(nèi)發(fā)射點(diǎn)進(jìn)行小區(qū)合并

為解決用戶配對(duì)、權(quán)值預(yù)正交等問(wèn)題，業(yè)內(nèi)目前的方案是對(duì)簇內(nèi)發(fā)射點(diǎn)進(jìn)行小區(qū)合并，大幅降低配對(duì)與權(quán)值預(yù)正交難度。

然而，正由于采用小區(qū)合并，在評(píng)估D-MIMO的容量性能等方面，需要對(duì)開啟、不開啟D-MIMO情況下多個(gè)站點(diǎn)的容量進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，此部分內(nèi)容的探討將影響該技術(shù)的應(yīng)用及引入建議，留待后續(xù)章節(jié)討論。

2.2 RRU間通道空口校正

BF可視為不同發(fā)射點(diǎn)信號(hào)在UE接收端的相位同相疊加，因此，需要對(duì)多個(gè)RRU發(fā)射、接收信號(hào)的振幅、耦合度、電壓駐波比等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。通道校正與智能天線內(nèi)部校準(zhǔn)類似，校準(zhǔn)后，多個(gè)發(fā)射點(diǎn)，如簇內(nèi)的宏站與微站間可協(xié)同進(jìn)行BF。

通道間校準(zhǔn)大致可分為兩步：第一步，各RRU首先進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)；第二步，多RRU間校準(zhǔn)，考慮多天線相距較遠(yuǎn)，故RRU間校準(zhǔn)需要通過(guò)空口進(jìn)行校準(zhǔn)，RRU間通過(guò)互發(fā)已知序列，利用信道的互易性，校準(zhǔn)相位、幅度，保證各RRU到UE的相位一致。多RRU存在各自的時(shí)變參數(shù)，如溫度，RRU間信道也可能時(shí)變，故需要周期性校準(zhǔn)。

值得注意的是，空口校準(zhǔn)要求參與聯(lián)合校正的RRU天饋間無(wú)線信道穩(wěn)定，不能有人流等影響無(wú)線信道特性的因素，其原因是上述校準(zhǔn)過(guò)程原理要求收發(fā)信道互易，從而消除無(wú)線信道所引入的未知傳輸因子。

3 仿真與測(cè)試

我們通過(guò)仿真與外場(chǎng)測(cè)試評(píng)估D-MIMO技術(shù)的實(shí)際增益。

3.1 技術(shù)仿真

以模擬某運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)為例，該運(yùn)營(yíng)商為緩解超密集站點(diǎn)所引入的干擾，大規(guī)模采用小區(qū)合并，然而僅僅采用小區(qū)合并帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)容量的損失，為評(píng)估D-MIMO帶來(lái)的性能增益，在站間距200 m、天線配置4T4R、傳輸模式TM7、合并小區(qū)數(shù)3、重疊覆蓋度60%～80%仿真條件下，開啟D-MIMO后吞吐量可提升約33%。

3.2 外場(chǎng)測(cè)試

在某地市的外場(chǎng)環(huán)境下，我們構(gòu)建了一種密集街區(qū)場(chǎng)景，在一個(gè)宏站（8T8R）范圍內(nèi)有多個(gè)街道補(bǔ)熱微小站點(diǎn)（2T2R），分布如圖2所示。為測(cè)試技術(shù)增益，站點(diǎn)均配置D2頻點(diǎn)，在這種場(chǎng)景下由于站點(diǎn)分布密集，因此站間干擾嚴(yán)重。測(cè)試方案中，采用了4個(gè)UE分布在小區(qū)內(nèi)不同位置，進(jìn)行普通小區(qū)配置、小區(qū)合并、小區(qū)合并兼開啟D-MIMO 3種場(chǎng)景對(duì)比測(cè)試。

圖2 外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境及站點(diǎn)分布、UE路線

測(cè)試結(jié)果如圖3所示，在UE均分布在微站邊緣的情況，小區(qū)合并相比普通組網(wǎng)吞吐量提升40%，D-MIMO相比小區(qū)合并吞吐量提升10%～30%，顯示邊緣性能提升明顯。在UE分布在微站近點(diǎn)時(shí)，相比普通組網(wǎng)，容量損失4/5，但相比小區(qū)合并，多UE配對(duì)提升40%～60%吞吐量。

圖3 UE近（左）、遠(yuǎn)（右）點(diǎn)分布吞吐量測(cè)試

因此，D-MIMO可提升干擾嚴(yán)重區(qū)域性能，測(cè)試結(jié)論與仿真一致。然而當(dāng)UE在站點(diǎn)近點(diǎn)時(shí)，一方面出于非重疊覆蓋區(qū)域，一方面本小區(qū)信號(hào)質(zhì)量較好，故非小區(qū)合并多個(gè)終端吞吐量之和比D-MIMO應(yīng)用場(chǎng)景更高。

4 技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)分析

表1 D-MIMO新增站點(diǎn)性價(jià)比分析

如前所述，D-MIMO可視為一種基于小區(qū)合并、在小區(qū)合并的多個(gè)站點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)MU-MIMO的技術(shù)，對(duì)于該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)，我們作如下分析。

4.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

D-MIMO將重疊覆蓋的站點(diǎn)小區(qū)合并成簇，消除了站間干擾，對(duì)于站間邊緣的遠(yuǎn)點(diǎn)用戶，其上行信號(hào)可由多個(gè)接收點(diǎn)接收，上行得到增強(qiáng)。

此外，作為一種MIMO技術(shù)，通過(guò)MU-MIMO，相比小區(qū)合并場(chǎng)景可獲得吞吐量增益。

4.2 技術(shù)劣勢(shì)

為了獲得容量增益，D-MIMO需要多個(gè)站點(diǎn)重疊覆蓋同片區(qū)域，這在常規(guī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中并不多見。D-MIMO所面臨的主要問(wèn)題是，在中國(guó)移動(dòng)載頻資源仍較充裕的階段，區(qū)域的容量需求可通過(guò)載波擴(kuò)容、適當(dāng)加密站點(diǎn)并控制覆蓋范圍等方式滿足，反觀D-MIMO通過(guò)密集布放站點(diǎn)，容量提升的成本過(guò)高。針對(duì)成本問(wèn)題，我們作如下評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表1所示，可見，站點(diǎn)越密集，D-MIMO所獲得容量提升性價(jià)比越低。

5 規(guī)劃應(yīng)用策略

對(duì)于D-MIMO的降低站間干擾、容量增益，我們對(duì)其兩方面應(yīng)用分別進(jìn)行討論。

一是容量方面，鑒于以上D-MIMO的優(yōu)劣勢(shì)分析，我們認(rèn)為對(duì)于容量不足的場(chǎng)景，只有當(dāng)無(wú)法繼續(xù)增加載波資源、站點(diǎn)已過(guò)于密集而導(dǎo)致優(yōu)化過(guò)于困難，干擾無(wú)法控制時(shí)，才引入D-MIMO，具體思路如圖4所示。

二是在降低站間干擾方面，盡管D-MIMO提供了一種使用戶在站間邊緣體驗(yàn)連續(xù)性的方案，有助于構(gòu)造無(wú)差別的用戶體驗(yàn)，但考慮D-MIMO目前基于小區(qū)合并，應(yīng)用時(shí)需考慮是否容量受限。例如對(duì)于宏站范圍內(nèi)補(bǔ)弱補(bǔ)盲微站，在該區(qū)域容量不受限前提下，可開啟D-MIMO，相當(dāng)于擴(kuò)展該宏站覆蓋范圍，同時(shí)優(yōu)化了宏微間邊緣覆蓋。

圖4 容量需求場(chǎng)景中D-MIMO應(yīng)用思路

此外，對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)已開啟小區(qū)合并的區(qū)域（高鐵場(chǎng)景除外），建議可直接應(yīng)用D-MIMO，可有效提升邊緣用戶體驗(yàn)。

技術(shù)的引入需充分考慮技術(shù)成本及適用場(chǎng)景。目前的D-MIMO技術(shù)基于小區(qū)合并，新站的容量/投資收益比低，此外，目前中國(guó)移動(dòng)頻率資源尚未受限，未來(lái)異構(gòu)網(wǎng)架構(gòu)具有較豐富的覆蓋與容量解決方案，競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)3D-MIMO產(chǎn)業(yè)日趨成熟，更適合解決目前現(xiàn)網(wǎng)流量高地問(wèn)題。因此，在未解決低容量/投資比前，D-MIMO僅可作為針對(duì)小區(qū)合并的優(yōu)化手段、宏微干擾協(xié)同方案、密集組網(wǎng)場(chǎng)景優(yōu)化方案。

盡管目前該技術(shù)存在較明顯缺點(diǎn)，但仍需推動(dòng)廠商進(jìn)一步研發(fā)基于非小區(qū)合并的D-MIMO，一旦基于非小區(qū)合并的D-MIMO技術(shù)發(fā)展成熟，將允許網(wǎng)絡(luò)建設(shè)打破傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)，降低站點(diǎn)規(guī)劃難度、選址難度、優(yōu)化難度，大幅降低網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)與優(yōu)化成本，同時(shí)可為用戶提供“無(wú)處不在”優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，有效提高用戶感知。

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