3D-MIMO性能驗(yàn)證及應(yīng)用策略研究

1 背景

4G網(wǎng)絡(luò)自商用以來，用戶數(shù)及流量快速增長(zhǎng)，用戶在移動(dòng)端的網(wǎng)絡(luò)使用行為向隨時(shí)接入、高容量需求接入演變。隨著大流量大視頻的到來，4G網(wǎng)絡(luò)核心熱點(diǎn)區(qū)域的容量壓力將進(jìn)一步加劇。為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，需研究在近中期能盡可能兼容現(xiàn)有終端和網(wǎng)絡(luò)，能充分利用已有站址和頻率等資源，同時(shí)能大幅提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋及容量的新技術(shù)，3D-MIMO正是在此背景下提出的無線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度需求。

2 3D-MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介

3D-MIMO是下一代移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)（5G）中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)。3D-MIMO通過引入陣列天線，可以形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內(nèi)，在水平和垂直兩個(gè)維度動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)方向，形成信號(hào)能量更集中、方向更精準(zhǔn)的波束，支持更多用戶在相同資源上并行傳輸，顯著提高了系統(tǒng)的空間分辨率，能夠深度挖掘空間維度資源、提升頻譜資源在多個(gè)用戶之間的復(fù)用能力[1，2]，構(gòu)建高效通信系統(tǒng)。3D-MIMO主要通過下行精準(zhǔn)波束賦形、上行增強(qiáng)接收分集、波束三維可調(diào)等技術(shù)來提升頻譜效率、增強(qiáng)基站覆蓋、提升基站容量（吞吐量）和服務(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[3，4]，具體示意圖如圖1所示。

圖1 3D-MIMO技術(shù)特點(diǎn)

3 3D-MIMO性能測(cè)試及評(píng)估分析

基于前述3D-MIMO技術(shù)理論分析，本節(jié)主要通過現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)測(cè)試，驗(yàn)證該技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)網(wǎng)的實(shí)際性能。本次選取部署3D-MIMO具有代表性的某一類城市密集商業(yè)區(qū)、高樓場(chǎng)景作為測(cè)試地點(diǎn)，采用某廠家設(shè)備對(duì)3D-MIMO與8T8R 兩種天線站型進(jìn)行覆蓋對(duì)比、容量對(duì)比、3D-MIMO上下行峰值速率測(cè)試及3D-MIMO CCE受限研究，并進(jìn)一步開展評(píng)估分析。

3.1 測(cè)試場(chǎng)景

本次測(cè)試選取測(cè)試場(chǎng)景及參數(shù)具體如表1所示，其中密集區(qū)域場(chǎng)景進(jìn)行3D-MIMO性能測(cè)試、與8T8R的覆蓋及容量對(duì)比測(cè)試，高樓區(qū)域場(chǎng)景只進(jìn)行3D-MIMO性能測(cè)試。

表1 3D-MIMO測(cè)試場(chǎng)景與參數(shù)

具體測(cè)試場(chǎng)景如圖2所示，其中密集城區(qū)場(chǎng)景特點(diǎn)為商業(yè)密集區(qū)，建筑物密集且道路狹窄，人流多；某高樓測(cè)試場(chǎng)景主要為辦公區(qū)域，覆蓋路面及辦公樓場(chǎng)景。

圖2 3D-MIMO測(cè)試場(chǎng)景

3.2 3D-MIMO測(cè)試驗(yàn)證及結(jié)論

針對(duì)上述測(cè)試場(chǎng)景，進(jìn)行3D-MIMO與8T8R覆蓋及容量對(duì)比測(cè)試、3D-MIMO上下行峰值速率測(cè)試、3D-MIMO CCE受限研究等四個(gè)方面對(duì)比測(cè)試及性能驗(yàn)證。

本文具體以3D-MIMO與8T8R進(jìn)行容量性能對(duì)比測(cè)試為例分析，詳細(xì)介紹測(cè)試方法、測(cè)試結(jié)果及測(cè)試結(jié)論，來驗(yàn)證3D-MIMO容量性能。其它驗(yàn)證測(cè)試方式與此相似。

（1）測(cè)試方法

① 基站設(shè)置傳輸模式為TM3/8自適應(yīng)，并開啟MUBF功能；

② 采用16部測(cè)試終端隨機(jī)部署在室外，按照近：中：遠(yuǎn)點(diǎn)為1:2:1的比例分布。接入3D-MIMO基站的同一個(gè)小區(qū)，發(fā)起下行UDP灌包，由路測(cè)軟件記錄各個(gè)終端的傳輸模式、下行RSRP、SINR、下行PDCP層吞吐量；隨后切換為上行UDP灌包，記錄上行吞吐量；同樣的接入8T8R基站進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

（2）測(cè)試結(jié)果

隨機(jī)擺點(diǎn)場(chǎng)景下， 3 D - MIMO的小區(qū)上行容量為19.1 Mbit/s，8T8R為5.1 Mbit/s；3D-MIMO的小區(qū)下行容量為370 Mbit/s，8T8R則為48 Mbit/s。

（3）測(cè)試結(jié)論

3D-MIMO 上行有更多的天線收，能明顯提升UL接收性能，提升UL小區(qū)容量；3D-MIMO下行有更多的天線發(fā)，BF性能更好，并且能更多MUBF配對(duì)層數(shù)，下行小區(qū)容量得到明顯提升。隨機(jī)擺點(diǎn)場(chǎng)景下，3D-MIMO的小區(qū)上行容量是8T8R的3.7倍，3D-MIMO的小區(qū)下行容量是8T8R的7.7倍；3D MIMO技術(shù)能夠大幅度提高小區(qū)容量。

3D-MIMO與8T8R覆蓋及容量對(duì)比測(cè)試，3D-MIMO上下行峰值速率測(cè)試、CCE受限研究各項(xiàng)測(cè)試及結(jié)果如表2所示。

表2 3D-MIMO測(cè)試及結(jié)果

3.3 3D-MIMO測(cè)試小結(jié)

經(jīng)過試點(diǎn)測(cè)試驗(yàn)證，3D-MIMO在峰值吞吐率方面，單載波下行吞吐量理論值為747.2 Mbit/s，測(cè)試值為640 Mbit/s，單載波上行吞吐量理論值為40.8 Mbit/s，測(cè)試值為40 Mbit/s，經(jīng)測(cè)試單載波上下行吞吐量測(cè)試值均與理論值接近，能顯著提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)速率。

3D-MIMO在覆蓋方面，3D-MIMO較8T8R方案的下行覆蓋能力顯著提升且邊緣覆蓋提升5～6 dB，上行多天線接收能力增強(qiáng)且邊緣覆蓋提升3～5 dB，因此3D-MIMO較8T8R覆蓋距離明顯增加，在現(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃時(shí)可考慮增加站間距或利用覆蓋增強(qiáng)提升網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋水平。

3D-MIMO在容量方面，3D-MIMO較8T8R在小區(qū)上下行容量上均有成倍增加，因此它具有更高的頻譜效益，適用于解決高熱區(qū)域場(chǎng)景。同時(shí)經(jīng)測(cè)試，只有在站點(diǎn)的CCE資源不受限時(shí)，才能保證3D-MIMO的吞吐量增益達(dá)到充分發(fā)揮。

4 應(yīng)用策略及建議

4.1 適用場(chǎng)景需求

4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多期規(guī)模建設(shè)，城區(qū)加站愈發(fā)困難，隨著4G大視頻大流量業(yè)務(wù)的發(fā)展，流量高地、高樓覆蓋以及TDD上行覆蓋提升是主要訴求。3D-MIMO的部署主要適用以下場(chǎng)景需求：

（1）流量高地：該場(chǎng)景下，頻譜資源有限，而現(xiàn)有載波資源不足，需要采用新的技術(shù)手段，在不需要用戶更換終端的前提下，能夠大幅提升頻譜效率，滿足移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量的激增需求。

（2）高樓場(chǎng)景：對(duì)高樓場(chǎng)景因存在傳統(tǒng)室分方案建設(shè)成本高、業(yè)主協(xié)調(diào)困難、后期維護(hù)難度大且周圍建筑天面空間有限等問題，在傳統(tǒng)方案部署難且無法形成有效覆蓋時(shí)，可考慮引入；同時(shí)，對(duì)高層建筑因建筑物厚度大、穿透損耗大，深度覆蓋不足、垂直維度覆蓋要求高時(shí)，可考慮引入。

（3）上行覆蓋要求提升：對(duì)雙V驅(qū)動(dòng)、用戶體驗(yàn)訴求強(qiáng)烈、上行是重點(diǎn)考慮的場(chǎng)景，可考慮引入；網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展帶來的VoLTE、視頻上傳、企業(yè)等新市場(chǎng)訴求強(qiáng)烈場(chǎng)景，可考慮引入。

4.2 TDD LTE實(shí)現(xiàn)3D-MIMO優(yōu)勢(shì)分析

對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)而言，建議考慮在TDD LTE網(wǎng)絡(luò)率先部署3D-MIMO，因?yàn)樵赥DD LTE網(wǎng)絡(luò)上部署3D-MIMO較FDD LTE更有優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）TDD LTE較FDD LTE在實(shí)現(xiàn)3D-MIMO時(shí)在設(shè)備改造上更簡(jiǎn)單且技術(shù)上更有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)?D-MIMO的天線端口較多，基站側(cè)采用TRX上移到天線實(shí)現(xiàn)，且TDD制式不需雙工器，在尺寸上具有優(yōu)勢(shì)，而FDD 在實(shí)現(xiàn)3D-MIMO時(shí)存在無源交調(diào)問題，技術(shù)上有瓶頸。

（2）TDD LTE上實(shí)現(xiàn)3D MIMO時(shí)終端無需改動(dòng)，避免大規(guī)模的終端更換而更易部署和推廣。TDD LTE上實(shí)現(xiàn)3D-MIMO不需協(xié)議支持，終端不需要測(cè)量，可節(jié)約芯片成本20%。TDD LTE是利用下行預(yù)估上行，所以節(jié)省導(dǎo)頻開銷，而FDD 上實(shí)現(xiàn)3D-MIMO會(huì)增加20%導(dǎo)頻開銷。FDD終端芯片需要增加20%的測(cè)量處理資源，另外老終端無法支持。

4.3 規(guī)劃應(yīng)用建議

在考慮引入3D-MIMO部署時(shí)，建議對(duì)不同場(chǎng)景規(guī)劃應(yīng)用建議如下。

（1）優(yōu)先考慮將3D-MIMO部署到高熱場(chǎng)景，如大流量、用戶數(shù)不是主要瓶頸的場(chǎng)景，應(yīng)優(yōu)先考慮部署3D-MIMO。

（2）考慮替換原站址引入3D-MIMO方案，因?yàn)?D-MIMO相比普通8T8R天線站點(diǎn)，允許的路徑損耗要多3.5 dB，故理論上站間距可適當(dāng)加大，但由于目前已完成規(guī)模建設(shè)，且現(xiàn)網(wǎng)深度覆蓋不足，建議利用此增益來進(jìn)一步提升深度覆蓋水平。因此，上述應(yīng)用場(chǎng)景下建議在原站址替換建站方案。

（3）考慮新建站點(diǎn)時(shí)引入3D-MIMO方案，因當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)已完成基本城區(qū)內(nèi)建設(shè)，對(duì)城區(qū)外新增覆蓋區(qū)域，考慮到建設(shè)成本和業(yè)務(wù)需求，不建議采用3D-MIMO設(shè)備成片新建；對(duì)補(bǔ)熱加站建設(shè)場(chǎng)景，建議考慮引入，為保證路測(cè)指標(biāo)不下降，站間距建議控制在對(duì)應(yīng)場(chǎng)景8T8R站點(diǎn)的1.1倍以內(nèi)。

5 存在問題及改進(jìn)建議

雖然3D MIMO在4G化的應(yīng)用測(cè)試中顯示出優(yōu)越的性能，但目前的技術(shù)、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)以及在工程建設(shè)中仍然存在不少問題。

（1）抱桿承重問題：普通8通道天線迎風(fēng)面積約0.45 m2左右，重量14～25 kg左右，而3D-MIMO天線迎風(fēng)面積小于0.4 m2，重量40～45 kg左右。3D-MIMO天線重量及風(fēng)阻明顯增大，建議利舊原有抱桿或新建抱桿安裝3D-MIMO設(shè)備時(shí)做好承重評(píng)估。后續(xù)一方面要引導(dǎo)設(shè)備廠商進(jìn)一步降低產(chǎn)品重量和迎風(fēng)面積；另一方面要在細(xì)分建設(shè)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，通過因地制宜的設(shè)計(jì)方案和施工措施，提高建設(shè)成功率。

（2）供電和散熱問題：3D-MIMO的RRU與天線集成在一起，在建設(shè)維護(hù)中需要注意該部分有源器件在室外環(huán)境下供電的安全性。因高度集成且內(nèi)置有源設(shè)備后，發(fā)熱量較大，需考慮在炎熱環(huán)境下的散熱性能以及設(shè)備耐久性。

（3）傳輸擴(kuò)容問題：由于回傳能力的需求提高，部分基站傳輸配置需要擴(kuò)容，建議擴(kuò)容配置如表3所示。