3D MIMO技術(shù)全面提升4.5G系統性能

　　隨著(zhù)標準和技術(shù)的不斷發(fā)展和演進(jìn)，4.5G在網(wǎng)絡(luò )容量、峰值速率、時(shí)延等技術(shù)指標層面與4G相比均有了質(zhì)的提升。3D MIMO作為4.5G的核心技術(shù)之一，打破傳統天線(xiàn)只能提供水平維度的限制，通過(guò)引入二維天線(xiàn)陣列，可同時(shí)實(shí)現水平和垂直方向上的MIMO，進(jìn)一步提升MIMO可利用的空間維度，將MIMO多天線(xiàn)技術(shù)推向了一個(gè)更高的發(fā)展階段，為全面提升無(wú)線(xiàn)通信系統性能提供了更多發(fā)展空間。

　　隨著(zhù)收發(fā)天線(xiàn)數目的逐漸增多和傳輸模式的不斷豐富，3D MIMO技術(shù)將繼續得到發(fā)展和演進(jìn)，在提高數據傳輸效率和可靠性的同時(shí)，全面提升無(wú)線(xiàn)通信系統性能。

　　MIMO多天線(xiàn)技術(shù)作為L(cháng)TE系統物理層的基本構成之一，主要可以分為空間復用、傳輸分集和波束賦形三種模式。它可以充分利用空間特性，通過(guò)在發(fā)送端和接收端均使用多根天線(xiàn)進(jìn)行數據的發(fā)送和接收，對于提高數據傳輸的峰值速率、擴展覆蓋、抑制干擾、增加系統容量、提升系統吞吐量都發(fā)揮著(zhù)重要作用， 已經(jīng)成為下一代通信中的關(guān)鍵技術(shù)。

　　現有的MIMO傳輸方案由于受限于傳統的基站天線(xiàn)構架，一般只能在水平維度實(shí)現對信號空間分布特性的控制，還無(wú)法充分利用3D信道中垂直維度的自由度，未能從更深層次挖掘出MIMO技術(shù)對于改善移動(dòng)通信系統整體效率與性能及最終用戶(hù)體驗的潛能。而隨著(zhù)天線(xiàn)設計構架的演進(jìn)以及AAS技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展，移動(dòng)通信系統的底層設計及網(wǎng)絡(luò )結構設計思路也發(fā)生了巨大變化，這一發(fā)展趨勢直接推動(dòng)著(zhù)MIMO技術(shù)向著(zhù)更高維度發(fā)展，為進(jìn)一步提升系統性能提供了更多可能。

　　針對現有基站天線(xiàn)結構在垂直維度賦形能力存在的缺陷問(wèn)題，一種自然的想法便是增加垂直維度的物理天線(xiàn)端口，以實(shí)現在基帶對每個(gè)陣子的獨立控制。有源天線(xiàn)系統的興起，解決了基于現有的被動(dòng)天線(xiàn)結構實(shí)現垂直賦形的難題，其將天線(xiàn)陣列中的每個(gè)輻射單元與相應的射頻/數字電路模塊集成在一起所構成，是能夠通過(guò)數字接口獨立控制每個(gè)陣子的主動(dòng)式天線(xiàn)陣列。在有源天線(xiàn)系統中，基站與天線(xiàn)系統之間不再需要射頻電纜、塔放或RRU這樣的中間環(huán)節，基站設備與天線(xiàn)系統之間可以直接通過(guò)光纖進(jìn)行連接。在這種情況下，射頻電纜這一橫亙在垂直維度物理天線(xiàn)端口開(kāi)放之路上的障礙隨之迎刃而解。

　　空間自由度是MIMO多天下技術(shù)的安身立命之本。在有源天線(xiàn)系統技術(shù)的有力支持下，垂直維度的空間自由度的大門(mén)已悄然向MIMO技術(shù)開(kāi)啟，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有了有源天線(xiàn)系統技術(shù)，3D MIMO技術(shù)在不需要改變現有天線(xiàn)尺寸的條件下，可以將每個(gè)垂直的天線(xiàn)陣子分割成多個(gè)陣子，從而開(kāi)發(fā)出MIMO的另一個(gè)垂直方向的空間自由度，從而將MIMO技術(shù)推向了一個(gè)更高的發(fā)展階段，為L(cháng)TE傳輸技術(shù)的性能提升開(kāi)拓出更廣闊的空間，使得進(jìn)一步降低小區間干擾、提高系統吞吐量和頻譜效率成為可能。

　　一直以來(lái)，3GPP/3GPP2均采用2D信道模型作為參考信道模型，電磁波僅通過(guò)水平方向進(jìn)行傳播，現有的MIMO技術(shù)研究也主要是針對2D信道進(jìn)行的。

　　與傳統MIMO不同的是，3D MIMO中所采用的天線(xiàn)規模發(fā)生了巨大變化，天線(xiàn)數目大幅增加，隨著(zhù)基站天線(xiàn)數目趨向于很多時(shí)，各UE的信道將趨向于正交，用戶(hù)間的干擾趨于消失，由此帶來(lái)的巨大的天線(xiàn)陣列增益將有效提升每個(gè)用戶(hù)的信噪比，因此可在相同的時(shí)頻資源上支持更多用戶(hù)的傳輸，提升小區的平均頻譜效率。3D MIMO通過(guò)引入新天線(xiàn)和新技術(shù)，在滿(mǎn)足靈活組網(wǎng)需求的同時(shí)，有效提升系統容量，已經(jīng)得到了業(yè)內的廣泛關(guān)注。

　　圖 普通扇區天線(xiàn)與3D MIMO天線(xiàn)室外覆蓋高層樓宇場(chǎng)景

　　傳統的基站為提高增益，垂直波瓣較窄，在覆蓋高層建筑時(shí)，往往只能覆蓋到部分樓層，從而需要多面天線(xiàn)來(lái)做覆蓋的場(chǎng)景。使用3D MIMO技術(shù)，則可以分裂出指向不同樓層位置的波瓣，在減少了天面建設需求的同時(shí)，也通過(guò)多個(gè)并行數據流傳輸，提高了頻率利用效率。

　　· 占用天面少：利用常規天線(xiàn)覆蓋高層樓宇時(shí)，需要分別針對低層、中層和高層設置多個(gè)天面，而3D MIMO技術(shù)的天面需求則很少；

　　· 垂直面覆蓋寬：3D MIMO天線(xiàn)相比常規天線(xiàn)，可實(shí)現單天線(xiàn)陣覆蓋整個(gè)樓層，垂直面的覆蓋角度可達+/-30度（而普通天線(xiàn)一般只能做到+/-8度）；

　　· 具體舉例：以天線(xiàn)距離樓宇100米，站高30米為例，利用普通天線(xiàn)（為防干擾鄰區下傾角為內置6度），只能覆蓋9層樓；而在同天線(xiàn)點(diǎn)利用3D MIMO天線(xiàn)，則可覆蓋25層樓；

　　· 虛擬分區：3D MIMO天線(xiàn)在覆蓋高層樓宇的同時(shí)，通過(guò)多個(gè)波束對應不同樓層形成虛擬分區，實(shí)現了空分復用的效果，同時(shí)也提升了頻譜效率。

　　圖 3D MIMO天線(xiàn)在垂直面跟蹤終端

　　相比于常規天線(xiàn)的垂直面不能隨終端的位置實(shí)時(shí)調整，3D MIMO天線(xiàn)可通過(guò)AAS（有源天線(xiàn)陣子）組合而成，每個(gè)陣子均可獨立調整權值，波束在垂直面跟蹤終端，從而可從整體上降低對鄰區的干擾。

　　圖 常規天線(xiàn)波束無(wú)法在垂直維度區分用戶(hù)

　　圖 3D MIMO天線(xiàn)在垂直維度區分用戶(hù)

　　相比于常規天線(xiàn)在垂直面不能實(shí)現針對終端的多波束，3D MIMO天線(xiàn)可實(shí)現針對不同終端的垂直面多波束，實(shí)現了垂直面空分，提升頻譜效率。上圖中UE1、2、4在水平面維度上與基站的夾角不同，所以基站可以在水平面維度形成3個(gè)分別對準他們的波束進(jìn)行服務(wù)；然而UE2和UE3在水平維度上與基站的夾角相同，那么UE2和UE3的波束會(huì )形成相互干擾。

　　3D MIMO技術(shù)提供了垂直面波束賦形，將UE2與UE3從垂直維度上再進(jìn)行一次區分，分別形成對準他們的波束為其進(jìn)行服務(wù)。

　　雖然3D MIMO的天線(xiàn)產(chǎn)品和技術(shù)本身還存在許多有待深度研究的內容，但是目前的研究成果顯示，3D MIMO中新天線(xiàn)和新技術(shù)的引入對于現有網(wǎng)絡(luò )中天線(xiàn)技術(shù)的應用場(chǎng)景實(shí)現了成功的突破，可靈活適應高樓覆蓋、熱點(diǎn)宏覆蓋、體育場(chǎng)覆蓋、最后一公里等多種場(chǎng)景的室外宏覆蓋。

　　圖 3D MIMO應用場(chǎng)景

　　4.5G通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò )帶寬、提升網(wǎng)絡(luò )能力來(lái)支持更加豐富的新業(yè)務(wù)，為用戶(hù)帶來(lái)全新體驗。隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，很多移動(dòng)運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )都面臨著(zhù)容量需求激增和站址資源難尋的矛盾。而移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得4G網(wǎng)絡(luò )正以更快的節奏加速擁抱4.5G。

　　4.5G作為4G的平滑演進(jìn)，是人們進(jìn)入智能生活的重要推進(jìn)器，它將移動(dòng)通信首次帶入1Gbps時(shí)代，并傾力打造低時(shí)延、無(wú)處不在的全連接智能移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )。3D MIMO作為5G Massive MIMO技術(shù)應用于4.5G的一個(gè)重要特性，具有組網(wǎng)靈活、有效降低選址難度、增強覆蓋、降低干擾、提升容量等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為4.5G的核心技術(shù)。

　　Massive MIMO通過(guò)大量增加通信的天線(xiàn)數量，使得系統性能達到空前的高度，已經(jīng)成為5G無(wú)線(xiàn)通信的一個(gè)重要研究方向。5G作為4.5G的進(jìn)一步演進(jìn)，相對于4G而言，將會(huì )是一次極大的飛躍，它不僅僅意味著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳輸速度得到了極大的提升，還將解決海量智能終端設備的接入問(wèn)題。而另一方面，如何在有限的無(wú)線(xiàn)頻譜資源情況下，實(shí)現海量的物聯(lián)接入將是一項巨大的挑戰，也將成為未來(lái)5G行業(yè)應用成功與否的關(guān)鍵。

　　為充分發(fā)揮多天線(xiàn)技術(shù)可通過(guò)擴展空間傳輸維度而成倍提高信道容量的優(yōu)勢，大唐移動(dòng)持續在多天線(xiàn)技術(shù)的增強與優(yōu)化方面進(jìn)行了深入的研究。同時(shí)為了響應國家TD-LTE通信產(chǎn)業(yè)布局發(fā)展需要的號召，大唐移動(dòng)已與國內產(chǎn)業(yè)界同仁攜手，共同推動(dòng)3D MIMO技術(shù)的研究發(fā)展，在測量和建立3D MIMO信道模型、建立和完善技術(shù)評估與仿真平臺、研究和提出新型的反饋設計與傳輸方案、研究和評估新型干擾控制機制、設計新型的3D MIMO天線(xiàn)、形成系統完整的解決方案，完成系統驗證樣機的設計和驗證等多個(gè)方面展開(kāi)工作。2014年7月，大唐移動(dòng)聯(lián)合業(yè)內伙伴，實(shí)現3D MIMO原型驗證，證明3D MIMO原理可行，具備應用前景。自2015年開(kāi)始，大唐移動(dòng)著(zhù)手啟動(dòng)3D MIMO商用設備的研發(fā)工作，已經(jīng)完成方案設計及算法研究工作，具備商用能力的設備將很快推向市場(chǎng)。

　　此外，作為IMT-2020（5G）推進(jìn)組的核心成員，大唐已經(jīng)在大規模天線(xiàn)、新型多址接入、超密集組網(wǎng)、高頻段通信、低時(shí)延高可靠、靈活頻譜共享等5G重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展。在2015年的5G峰會(huì )上，大唐不僅向業(yè)界分享了5G系統框架和關(guān)鍵技術(shù)研究的最新進(jìn)展，還展出了業(yè)界首個(gè)支持128數字通道大規模天線(xiàn)系統的5G綜合驗證系統。該系統可驗證5G相關(guān)的通信技術(shù)和產(chǎn)品實(shí)現技術(shù)，如支持128和256通道的大規模天線(xiàn)技術(shù)、PDMA圖樣分割非正交多址接入技術(shù)、U/C分離技術(shù)、業(yè)務(wù)本地化、RAN虛擬化等。通過(guò)搭建5G關(guān)鍵技術(shù)的硬件平臺和驗證環(huán)境，大唐將進(jìn)一步推動(dòng)5G的技術(shù)儲備和標準研究工作，為技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)夯實(shí)基礎。2016年3月，作為中國移動(dòng)的戰略合作伙伴，大唐成為了中國移動(dòng)聯(lián)合創(chuàng )新中心的首批成員單位，未來(lái)大唐將繼續與中國移動(dòng)在5G領(lǐng)域展開(kāi)廣泛深入的合作，共推5G發(fā)展。