5G技術(shù)4G化中3D MIMO的建設(shè)場(chǎng)景及應(yīng)用效果

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司|刁兆坤

3D MIMO作為5G Massive MIMO技術(shù)應(yīng)用于4G網(wǎng)絡(luò)的解決方案，具有提升容量、增強(qiáng)覆蓋、降低干擾等諸多突出優(yōu)點(diǎn)。

隨著4G用戶的迅速增長(zhǎng)，4G網(wǎng)絡(luò)正面臨著需求巨大、網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)更熱、用戶體驗(yàn)訴求強(qiáng)烈、特殊場(chǎng)景深度覆蓋困難等問(wèn)題，3D MIMO通過(guò)顯著增加收發(fā)天線(通道)，獲得更高的分集、陣列、空間復(fù)用、干擾抑制增益，從而顯著地提升系統(tǒng)性能。

MIMO技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無(wú)線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE 8天線宏站可以支持4流空分復(fù)用，而3D MIMO引入大規(guī)模陣列天線技術(shù)，使得空域16流、32流或更多流復(fù)用成為可能。在熱點(diǎn)區(qū)域，用戶數(shù)多且用戶在三維空間分布范圍大，結(jié)合精確的信道估計(jì)、用戶配對(duì)算法，即可實(shí)現(xiàn)空域16層及以上的視頻資源空分復(fù)用，讓無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率再上一個(gè)臺(tái)階。

3D MIMO的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在下行精準(zhǔn)波束賦形方面，3D MIMO利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)性以及波的干涉技術(shù)，通過(guò)調(diào)整天線陣元的輸出，產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖并將其主瓣指向終端，從而提高接收信噪比、減小干擾，增加系統(tǒng)的吞吐量和覆蓋范圍。3D MIMO下行采用更多天線進(jìn)行波束賦形，空間賦形波束更窄、能量更集中，能夠有效提升賦形增益并增加空間傳輸?shù)牧鲾?shù)。

3D MIMO水平天線通道數(shù)比8通道宏站提升1倍，垂直天線通道數(shù)比8通道宏站提升4倍，在同等波長(zhǎng)的條件下，3D MIMO的主瓣波束寬度更窄；3D MIMO現(xiàn)在下行支持8流的空分復(fù)用，上行支持4流空分復(fù)用，相比現(xiàn)在的8通道天線，下行和上行的小區(qū)流量提升4倍；更窄波束和更高增益，可以實(shí)現(xiàn)更高的波束賦型增益，并且降低干擾。8天線、3D MIMO與大規(guī)模天線陳列對(duì)比見(jiàn)圖1 。

在上行增強(qiáng)接收分集方面，3D MIMO通過(guò)上行使用更多接收天線，可提供更多上行接收信號(hào)樣本，進(jìn)行更精確的信道估計(jì)，從而提升接收機(jī)性能和抗干擾能力。還可通過(guò)高階空域?yàn)V波，精確估計(jì)上行空間信道，通過(guò)選擇最優(yōu)的合并權(quán)值，提升用戶信號(hào)信噪比，增強(qiáng)接收性能。

圖1 三種天線對(duì)比

圖2 3D MIMO的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3D MIMO可實(shí)現(xiàn)波束三維可調(diào)，通過(guò)大規(guī)模天線振子的應(yīng)用，除在水平方向外，在垂直方向上也分為多個(gè)通道進(jìn)行賦形處理，從而同時(shí)具備水平和垂直方向的波束調(diào)節(jié)能力，通過(guò)更多的空分維度和多流技術(shù)，同時(shí)服務(wù)更多用戶，提升頻譜效率和小區(qū)吞吐量。在宏覆蓋場(chǎng)景方面，3D MIMO可將廣播波束配置為水平半功率角為65°，垂直半功率角20°。在高層覆蓋場(chǎng)景方面，可將廣播波束配置為水平半功率角為20°，垂直半功率角為65°。

3D MIMO的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可同時(shí)提升覆蓋和容量，降低高頻建網(wǎng)成本。目前的4G系統(tǒng)，由于工作在較低頻段，難以在終端中大幅增加天線數(shù)量，從而導(dǎo)致終端峰值速率提升能力受限。希望通過(guò)空間分集、空間復(fù)用和波束賦形等技術(shù)，重點(diǎn)挖掘增強(qiáng)基站覆蓋、提升基站容量（吞吐量）和提高服務(wù)質(zhì)量（服務(wù)用戶的速率，尤其是邊緣用戶）等方面的能力。3D MIMO正好解決了特定區(qū)域的這些問(wèn)題。3D MIMO的技術(shù)優(yōu)勢(shì)見(jiàn)圖2。

圖3 3D MIMO場(chǎng)景分析

圖4 TDD 3D MIMO性能具優(yōu)勢(shì)

圖5 華為3D MIMO解決方案

圖6 安裝對(duì)比

3D MIMO的建設(shè)需求和場(chǎng)景分析

由于大規(guī)模陣列技術(shù)的引入，3D MIMO系統(tǒng)能夠在三維空間產(chǎn)生靈活指向用戶的極窄波束，這種極窄波束意味著在有效抑制對(duì)復(fù)用用戶干擾、不損失服務(wù)用戶主瓣方向能量的前提下，在整個(gè)三維空間，3D MIMO的大規(guī)模天線系統(tǒng)可提供最大復(fù)用層數(shù)，實(shí)現(xiàn)天線數(shù)量的空分復(fù)用。

從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度，3D MIMO實(shí)現(xiàn)16流空分復(fù)用，不需要定義新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，完全兼容現(xiàn)網(wǎng)4G終端，即基于現(xiàn)網(wǎng)終端就可以實(shí)現(xiàn)多用戶配對(duì)，共享信道資源。

從技術(shù)需求和其適應(yīng)的場(chǎng)景來(lái)看，3D MIMO適用于高樓覆蓋、高負(fù)荷和高干擾等應(yīng)用場(chǎng)景，如圖3所示。

從網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)看，特別是近兩年，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展呈現(xiàn)出熱點(diǎn)更熱的趨勢(shì)，20%的區(qū)域已經(jīng)承載60%~70%的流量。城區(qū)金融街、CBD、重要商業(yè)中心、高校等核心區(qū)域，一方面用戶集中、業(yè)務(wù)需求量大，另一方面存在高樓遮擋、深度覆蓋不足等問(wèn)題。3D MIMO技術(shù)提供更高維度的空分復(fù)用、更強(qiáng)的波束賦形能力，可有效應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜場(chǎng)景。3D MIMO利用空分復(fù)用技術(shù)，可支持16個(gè)終端共享相同的時(shí)間、頻率資源，將頻譜效率提升4~6倍，有效緩解流量激增和頻譜受限之間的矛盾。

3D MIMO的工程實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

TDD不需要雙工器，節(jié)省導(dǎo)頻開(kāi)銷，終端無(wú)需改動(dòng)，已率先商用，TDD在實(shí)現(xiàn)3D MIMO上，通過(guò)發(fā)揮制式及信道互易性優(yōu)勢(shì)，可降低產(chǎn)業(yè)鏈綜合成本30%以上，TDD 3D MIMO性能優(yōu)勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖7 總體規(guī)劃思路

圖8 深圳某城市3D MIMO建設(shè)

圖9 具體測(cè)試情況

以華為的3D MIMO解決方案為例，其整體解決方案如圖5所示。

3D MIMO天線和8T8R安裝對(duì)比如圖6所示。

3D MIMO站點(diǎn)的規(guī)劃和商用效果分析

針對(duì)4種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可根據(jù)緊急程度、價(jià)值高低，對(duì)3D MIMO的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行優(yōu)先級(jí)篩選，滾動(dòng)規(guī)劃、分步實(shí)施。其總體規(guī)劃思路如圖7所示。

以深圳某3D MIMO站點(diǎn)為例，實(shí)際商用實(shí)施和效果情況如圖8所示。

其覆蓋效果評(píng)估如圖9所示。

定點(diǎn)速率測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

從話統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)看，小區(qū)平均用戶和流量整體提升明顯。

上行干擾指標(biāo)改善1~2dB，終端發(fā)射功率下降。

3D MIMO是把5G技術(shù)應(yīng)用到4G網(wǎng)絡(luò)的典型案例和成功實(shí)踐，相比現(xiàn)有4G技術(shù)，采用3D MIMO技術(shù)的小區(qū)下行和上行平均吞吐量分別是現(xiàn)有4G基站的2~5倍和2倍，既有效解決了4G存在的“三高一限”嚴(yán)重制約用戶體驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，也將為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的規(guī)模發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐，可極大滿足5G時(shí)代用戶密集區(qū)域的流量業(yè)務(wù)需求。4G網(wǎng)絡(luò)5G化，5G技術(shù)4G化，使新業(yè)務(wù)在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用，保護(hù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施投資，投資4G即投資5G成為包括中國(guó)移動(dòng)在內(nèi)越來(lái)越多運(yùn)營(yíng)商的共識(shí)。

圖10 定點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

圖11 性能提升明顯

圖12 干擾改善效果明顯

3D MIMO作為5G Massive MIMO技術(shù)應(yīng)用于4G網(wǎng)絡(luò)的解決方案，具有提升容量、增強(qiáng)覆蓋、降低干擾等諸多突出優(yōu)點(diǎn)，借助大規(guī)模陣列天線帶來(lái)的三維波束賦形能力，提供更多業(yè)務(wù)流，相對(duì)目前TDLTE 8T8R網(wǎng)絡(luò)頻譜效率提升數(shù)倍，面向5G目標(biāo)，布局4G演進(jìn)，構(gòu)筑持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，更好地服務(wù)廣大用戶。