3D-MIMO技術(shù)在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

摘? 要：4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，用戶數(shù)量呈爆炸式增長，4G網(wǎng)絡(luò)速率亟需進一步提升。4G基站建設(shè)基本上已經(jīng)達到飽和，通過建設(shè)更多基站來提升4G小區(qū)網(wǎng)絡(luò)容量變得不太現(xiàn)實。3D-MIMO技術(shù)被用于解決這個問題，與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)相比，3D-MIMO技術(shù)采用了精準波束降低干擾、空間化提高頻譜等方式，大幅度地提升了現(xiàn)有小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)容量，進而提升了4G網(wǎng)絡(luò)速率。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò);頻譜效率;3D-MIMO

中圖分類號：TN929.5? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0047-03

Abstract：With the rapid development of 4G network in recent years，the number of users has increased explosively，and the speed of 4G network urgently needs to be further improved. The construction of 4G base stations has basically reached saturation. It is not realistic to increase the network capacity of 4G cell by building more base stations.3D-MIMO technology is used to solve this problem. Compared with traditional MIMO technology，3D-MIMO technology uses precise beamforming to reduce interference and spatialize to improve spectrum，which greatly improves the network capacity of existing cells and thus increases the network rate of 4G.

Keywords：wireless network;spectrum efficiency;3D-MIMO

0  引? 言

隨著TD-LTE網(wǎng)絡(luò)不斷加大建設(shè)力度，日均流量及4G在線用戶數(shù)每年成倍增長，網(wǎng)絡(luò)熱點區(qū)域越來越多，在新建站址越來越難的現(xiàn)狀下，現(xiàn)有宏站小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)容量亟需大幅度提升。為滿足用戶數(shù)和流量呈線性的快速增長的網(wǎng)絡(luò)需求，在4G網(wǎng)絡(luò)引入3D-MIMO技術(shù)，解決了網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋不足的問題，降低了無線網(wǎng)小區(qū)間用戶干擾，提升了網(wǎng)絡(luò)容量。3D-MIMO小區(qū)部署開通后，兼容現(xiàn)有4G終端，實現(xiàn)5G技術(shù)4G應(yīng)用，達到提升網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有資源效率的目的。

自2013年底第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)在中國商用之后，發(fā)展至今，已經(jīng)完成了全國范圍的4G覆蓋。同時，用戶數(shù)量不斷增多，4G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)已經(jīng)被應(yīng)用于國民工作和生活中的方方面面。因此滿足用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求、保證用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸可靠性、提升用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗感成為通信運營商必須要完成的目標。

傳輸速率一直都是通信系統(tǒng)追求的一個重要指標，在當(dāng)下這個對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有超大需求的時代，傳輸速率更成為通信運營商和通信設(shè)備商爭取客戶的一個重要指標。為了達到更高的通信傳輸速率，網(wǎng)絡(luò)制式和通信設(shè)備在不斷地更換，4G網(wǎng)絡(luò)的提出和商用，更是促進了運營商和設(shè)備商對更高速率的追求。

但是，經(jīng)過了前三代移動通信網(wǎng)絡(luò)的積淀和4G網(wǎng)絡(luò)五年多的發(fā)展，通信制式發(fā)展到今日已經(jīng)達到了一個瓶頸。同時經(jīng)過五年的規(guī)劃部署，4G網(wǎng)絡(luò)幾乎覆蓋了全國，基站的分配已經(jīng)達到了最優(yōu)化，通信設(shè)備商若想通過部署更多基站來提升網(wǎng)絡(luò)容量，將面臨較大的成本支出，然而其性能難以有很大的提升。

本文所闡述的3D-MIMO技術(shù)，通過彌補4G網(wǎng)絡(luò)中物理層的短板來提升用戶速率。采用3D-MIMO技術(shù)代替現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中使用的傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)，使得4G網(wǎng)絡(luò)中的物理層能跟上其他網(wǎng)絡(luò)層的發(fā)展，進而提升整個4G網(wǎng)絡(luò)的速率。

1? 傳統(tǒng)MIMO技術(shù)簡述

作為4G網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，MIMO的原理是通過分集天線技術(shù)，將多根天線集合到一起，最終實現(xiàn)信號的多發(fā)多收，從而節(jié)省頻譜資源，大大提升整個通信系統(tǒng)的信道容量。

通過運用MIMO技術(shù)，可以實現(xiàn)多根天線在同一時間完成對多個空間流的收發(fā)，并根據(jù)所傳信號的相位等信息區(qū)分出應(yīng)該把信號發(fā)往何處或者應(yīng)該接收何處的信號。通過空分復(fù)用，合理地利用空間這一龐大的資源，從而提升信道的容量，進而提升整個通信系統(tǒng)的性能。MIMO技術(shù)的優(yōu)勢總結(jié)如下：

（1）MIMO技術(shù)可以大大提升信道的容量。上文中已經(jīng)提出，通過天線分集技術(shù)，把多根天線集合到一起，利用空間資源，把基站中的信號通過多發(fā)多收的方式進行傳輸。MIMO技術(shù)的信道容量跟天線個數(shù)息息相關(guān)，在傳輸過程中，通過增加天線的個數(shù)，能夠大大增加信道容量。

（2）MIMO技術(shù)能大大提升整個通信系統(tǒng)的傳輸?shù)目煽啃浴IMO技術(shù)采用了天線分集技術(shù)中的空間復(fù)用技術(shù)，通過多根天線一起抑制衰落，能大大地降低空中信道對信號造成的衰落，從而有效提升收端的信號干擾噪聲比，保證傳輸?shù)馁|(zhì)量。

MIMO技術(shù)雖然優(yōu)勢很明顯，但時至今日，針對當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用環(huán)境，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)的缺點逐漸顯露，具體如下：

（1）空間覆蓋能力不強。傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)在做信號分析時，只針對水平的信號或者垂直的信號，是呈二維分布的，不能實現(xiàn)三維的傳輸，因此使用起來便利性不足。

（2）在分析水平傳輸過來的信號時，對信號的識別度比較差。在識別的過程中，對處于平面邊緣和平面中心的用戶的識別度極差，甚至無法識別，因此在使用傳統(tǒng)MIMO技術(shù)時，用戶在移動過程中的體驗感可能較差。

（3）抗干擾能力較差。傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)雖然采用空間復(fù)用技術(shù)，大大降低了傳輸過程的誤碼率，但是由于傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)只能分析平面信號和垂直信號，且針對平面信號沒辦法識別位于平面邊緣和平面中心的用戶，因此沒有辦法消除其他的用戶對終端造成的干擾。

（4）存在對高層建筑內(nèi)部覆蓋能力不強的缺陷。利用MIMO技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，高層建筑室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力較差，還需要一些室內(nèi)基站或者其他基站對其進行彌補。

（5）信道容量仍有很大的提升空間。傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)下行鏈路只能提供二流的空分復(fù)用技術(shù)，使得傳輸容量受到限制，從而使總的信道容量的提升也受到限制。

針對以上這些缺陷，為了更好地提升通信系統(tǒng)的可靠性和信道容量，進而提升4G網(wǎng)絡(luò)速率，3D-MIMO技術(shù)被應(yīng)用于LTE網(wǎng)絡(luò)中。

2? 3D-MIMO技術(shù)應(yīng)用

2.1? 3D-MIMO技術(shù)的原理

3D-MIMO技術(shù)是傳統(tǒng)的多發(fā)多收MIMO技術(shù)的一種改進版本，與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)不同，3D-MIMO技術(shù)使用了更多的天線集合在一起，最終實現(xiàn)了百發(fā)百收的模式。通過加入更多的天線個數(shù)，空間信道對信號造成的干擾和衰落幾乎可以忽略不計，從而大大地提升了收端信號的信號干擾噪聲比，進而大大提升信號傳輸?shù)目煽啃?。隨著天線個數(shù)的不斷增加，信道容量也將大大提升。

利用傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的現(xiàn)網(wǎng)采用的是8天線的四流空分復(fù)用，而3D-MIMO技術(shù)在傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)上做了改進，可以支持16流和32流的空分復(fù)用，從而大大地提升了通信系統(tǒng)的吞吐量，信道容量相對于傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)也有了大大的提升。

相對于傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)，3D-MIMO技術(shù)引入了大規(guī)模陣列技術(shù)，3D-MIMO技術(shù)因而可以在整個三維空間內(nèi)依靠極窄波束完成對干擾的抑制，從而有效提升其可靠性。

通過上述分析可以看出，3D-MIMO技術(shù)與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)相比，在可靠性、覆蓋能力和信道容量等方面都有很大的提升。

2.2? 實現(xiàn)空間立體維度的全覆蓋

與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)相比，3D-MIMO不只可以對天線進行水平方向的調(diào)節(jié)，還可以進行垂直方向的調(diào)節(jié)，通過引入垂直方向的調(diào)節(jié)，可以進一步增強小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)容量，3D-MIMO通過引入垂直方向的調(diào)節(jié)機制，很好地解決了高層建筑基站建設(shè)問題。提升了高層建筑室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，同時大大降低了基站的建設(shè)成本。

2.3? 高精波束降低干擾，精準覆蓋

3D-MIMO可以大大降低環(huán)境對系統(tǒng)造成的干擾，從而很精準地覆蓋目標，具體由公式（1）進行分析：

式（1）中，N為天線的根數(shù)。

通過式（1）可以分析出八天線，其水平方向是四列直線陣，因此其波束寬度為：

3D-MIMO技術(shù)中，天線的水平方向為八列直線陣，因此波束寬度是：

同理可以分析，在垂直方向上，波束寬度為：

由上述分析可以得到，N和波束寬度成反比。3D- MIMO技術(shù)就是采用了這種增加天線數(shù)目降低天線間距的方法，讓波束寬度變得更窄，從而提升業(yè)務(wù)的性能。通過3D-MIMO中的波束變窄的思路，可以實現(xiàn)對某個區(qū)域的特殊的業(yè)務(wù)供給，為一些重要的場所或者運營商重要客戶提供更穩(wěn)定、更可靠、更快速的業(yè)務(wù)服務(wù)。

2.4? 高效空分提升頻譜效率

借由3D-MIMO的波束寬度的思想，空間復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)起來變得更加簡單，提升了資源利用率因此小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)容量也隨之大大增加。

3? 應(yīng)用場景

3.1? 話務(wù)需求大、干擾較大、上行鏈路傳輸受限的場景

話務(wù)業(yè)務(wù)需求量較大的地方用戶數(shù)量比較多，因此頻譜資源受到了限制，小區(qū)邊緣的用戶話務(wù)業(yè)務(wù)可能極差，VIP用戶的話務(wù)業(yè)務(wù)也不能保證質(zhì)量。此外高干擾、上行受限的情況造成的影響也越來越大，目前通過建立基站來解決這種問題已經(jīng)變得不現(xiàn)實，引用3D-MIMO技術(shù)可以提高信道容量和通信可靠性，能夠有效解決以上問題。

3.2? 高樓覆蓋場景

3D-MIMO技術(shù)引入了垂直方向調(diào)節(jié)天線的機制，同時還可以在整個三維空間內(nèi)傳輸窄波，因此針對高層建筑覆蓋較差的場景，3D-MIMO技術(shù)十分適用。

4? 結(jié)? 論

通過本文的分析可以看出，3D-MIMO技術(shù)相對于傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)，大大提升了可靠性和信道容量，針對特殊場景，3D-MIMO能提出更好的方案，補齊了LTE網(wǎng)絡(luò)中物理層的短板，進而提高了網(wǎng)絡(luò)速率和用戶的業(yè)務(wù)體驗感。

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作者簡介：李智峰（1978-），男，漢族，廣東興寧人，工程師，本科，畢業(yè)于南京郵電大學(xué)，主要從事移動通信方面的咨詢規(guī)劃、設(shè)計等工作。