基于3D MIMO解決高價(jià)值場景網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量的方法

鄧萌，謝武勝，馬文，張衡

(1 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司重慶分公司，重慶 401147；2 中國移動通信集團(tuán)重慶有限公司，重慶 408100)

隨著TD-LTE業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，TD-LTE用戶數(shù)和用戶DOU指數(shù)快速成倍增長。同時(shí)，帶來了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和建設(shè)的兩大新挑戰(zhàn)：一方面、網(wǎng)絡(luò)未來流量需求巨大，熱點(diǎn)更熱；另一方面、用戶體驗(yàn)要求不斷提高，使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋和用戶上下行體驗(yàn)需同步不斷改善。因此，為應(yīng)對如此的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和建設(shè)要求，尤其是在高價(jià)值業(yè)務(wù)場景下，需要天面具有更強(qiáng)的波束賦型能力，覆蓋提升，干擾更小。同時(shí)在終端不需要改動的情況下，全面提升現(xiàn)網(wǎng)頻譜效率能力，提升容量、降低運(yùn)營商建網(wǎng)要求，降低綜合TCO。

1 當(dāng)前現(xiàn)狀分析

隨著TD-LTE用戶數(shù)量的不斷攀升和數(shù)據(jù)流量資費(fèi)的不斷下降，高價(jià)值場景下網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量存在如下需求有待解決。

1.1 對高層建筑室內(nèi)覆蓋難度增大

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的70%～80%發(fā)生在室內(nèi)，高層建筑的室內(nèi)覆蓋采用傳統(tǒng)室分系統(tǒng)進(jìn)行解決，覆蓋效果比較好，但也具有準(zhǔn)入和部署成本高、工程量大、工期長、后期的維護(hù)費(fèi)用高等弊端。有鑒于此，通過室外覆蓋室內(nèi)，成為室內(nèi)覆蓋的一個(gè)補(bǔ)充方案。

1.2 覆蓋區(qū)域內(nèi)的電平覆蓋要求提高

在廣播覆蓋區(qū)域內(nèi)，以VoLTE為代表的無線業(yè)務(wù)，對于覆蓋邊緣的RSRP電平和SINR，相比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有更高的要求（小區(qū)邊緣RSRP≥-110 dBm，RSSINR≥-3 dB），普通8通道天線，在波束的廣播覆蓋、信噪比，業(yè)務(wù)賦形增益和接收增益略有不足，不利于覆蓋邊緣的VoLTE業(yè)務(wù)的用戶感知。

1.3 廣播覆蓋的靈活性要求提高

對于忙時(shí)用戶數(shù)較多、閑時(shí)用戶數(shù)較少的潮汐場景，需滿足忙時(shí)具有良好的無線覆蓋，閑時(shí)僅有基本的無線覆蓋即可。這種場景下，需可以根據(jù)覆蓋場景的實(shí)際話務(wù)量的需求，進(jìn)行不同載波的廣播覆蓋權(quán)值的自適應(yīng)調(diào)整，來滿足業(yè)務(wù)量遷移的場景要求。

1.4 覆蓋區(qū)域大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求增加

熱點(diǎn)小區(qū)忙時(shí)業(yè)務(wù)吞吐量逐步提高，部分高熱小區(qū)通過單純疊加載波，已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)增長的需求，需要通過提升頻譜效率的技術(shù)來滿足需求。

2 3D MIMO技術(shù)

3D MIMO作為頻譜效率提升的主要技術(shù)，在傳統(tǒng)水平面波束覆蓋基礎(chǔ)上，通過使用類似雷達(dá)的天線陣列，增加了垂直面的波束覆蓋能力，可以有效控制波束在水平和垂直兩個(gè)維度進(jìn)行覆蓋，使信號能量更集中，方向更精準(zhǔn)，增強(qiáng)空域復(fù)用和抗干擾能力。相比普通天線，3D MIMO技術(shù)能夠提供水平角度和垂直角度更為靈活的波束覆蓋和更強(qiáng)的MUMIMO能力，同時(shí)波束賦形增益顯著增加，干擾也會大大降低，整個(gè)系統(tǒng)中UE的SINR會大大提高。因此相對傳統(tǒng)MIMO技術(shù)，3D MIMO能夠支持更多用戶在相同頻譜資源上并行傳輸，更充分的發(fā)揮MIMO技術(shù)優(yōu)勢，大幅度提升小區(qū)吞吐量及小區(qū)邊緣數(shù)率，提升用戶感知。

本文將通過在高價(jià)值特殊場景中應(yīng)用3D MIMO技術(shù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，表明3D MIMO能夠很好的解決高價(jià)值場景下網(wǎng)絡(luò)容量及深度覆蓋問題，并投資可行。

3 基于3D MIMO解決高價(jià)值特殊場景網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量的方法驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證的環(huán)境條件

選定某主流硬件主設(shè)備廠家3D MIMO天線一體化設(shè)備，軟件功能可以讀取廣播權(quán)值，垂直和水平廣播波束可配置。設(shè)置核心網(wǎng)白名單，使得非測試終端無法接入3D MIMO驗(yàn)證小區(qū)；選點(diǎn)原則：近點(diǎn)（RSRP＞-90 dBm）、中點(diǎn)（-105 dBm＜RSRP＜-100 dBm）和遠(yuǎn)點(diǎn)（RSRP＜-110 dBm）。

表1 驗(yàn)證環(huán)境的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)配置需要滿足表1中的要求。

3.2 高層建筑覆蓋驗(yàn)證

3.2.1 場景說明

選取某運(yùn)營商在某區(qū)縣的廣電中心大樓站點(diǎn)。該建筑相對周邊地勢較高，樓宇高100 m左右，大樓內(nèi)沒有室分覆蓋，室內(nèi)均占用室外宏站信號。主覆蓋小區(qū)為A市移動大樓-ZLH_1小區(qū)，方位角350°，下傾角為10°，A市移動大樓-ZLH基站距離廣電中心大樓150 m左右，站高約25 m，且相對地勢較低，站點(diǎn)環(huán)境及周邊基站分布如圖1所示。

如此地理環(huán)境導(dǎo)致廣電大樓高層覆蓋較差，現(xiàn)場測試，大樓左側(cè)以及高層信號較差，RSRP均值在-100 dBm左右，15樓以上基本無TD-LTE信號。

3.2.2 驗(yàn)證效果

增加3D MIMO之后，大樓覆蓋明顯改善，RSRP均值提升至-88 dBm，之前無信號區(qū)域的RSRP提升至-100 dBm左右站點(diǎn)。CSFB和VoLTE語音通話測試，各撥打70次，全部接通無掉話。發(fā)起5次eSRVCC切換驗(yàn)證，主被叫共發(fā)起10次eSRVCC切換，10次均切換成功。通過分別選取在傳統(tǒng)TD-LTE站點(diǎn)和3D MIMO站點(diǎn)的RSRP低于-110 dBm的遠(yuǎn)點(diǎn)驗(yàn)證下載速率時(shí)，邊緣速率最大提升了近9倍，測試情況如表2所示。

圖1 驗(yàn)證站點(diǎn)及其周邊情況

表2 邊緣速率驗(yàn)證

據(jù)以上驗(yàn)證數(shù)據(jù)可以得知，3D MIMO能很好的解決高層建筑的覆蓋問題，能保障VoLTE等基本業(yè)務(wù)開展，提升邊緣用戶的感知。

3.3 高業(yè)務(wù)量場景驗(yàn)證

3.3.1 場景說明

選取某運(yùn)營商在某師范學(xué)院的站點(diǎn)。該站點(diǎn)屬于高校業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域，且在教室和宿舍區(qū)域有潮汐業(yè)務(wù)，樓宇平均高度均在30 m左右，區(qū)域內(nèi)沒有室分覆蓋，室內(nèi)均占用室外宏站信號。主覆蓋站點(diǎn)為A市師范學(xué)院站點(diǎn)，該站兩個(gè)小區(qū)分別覆蓋宿舍區(qū)和教學(xué)區(qū)，兩個(gè)小區(qū)均已配置F頻段，D1頻段和D2頻段，其余最近TD-LTE基站距離師范學(xué)院站點(diǎn)約300 m左右，且相對地勢較低，站點(diǎn)環(huán)境及周邊基站分布如圖2所示。

3.3.2 驗(yàn)證效果

增加3D MIMO之后，TD-LTE終端同時(shí)接入FTP業(yè)務(wù)（非灌包測試），每部終端平均下載速率39 Mbit/s左右，單小區(qū)下行總吞吐量峰值321 Mbit/s，單小區(qū)下行吞吐量較理論值提升近3倍。小區(qū)上行總速率峰值37 Mbit/s，單用戶上行速率較理論值提升近4倍，大大提升了單用戶感知速率，其它指標(biāo)如表3所示。

據(jù)以上驗(yàn)證數(shù)據(jù)可以得知，3D MIMO能很好的解決高業(yè)務(wù)量場景下的容量問題，提升客戶上下行業(yè)務(wù)感知和頻譜效率。

4 投資分析對比

3D MIMO都主要用于業(yè)務(wù)熱點(diǎn)的高價(jià)值區(qū)域，該部分區(qū)域均屬于站址協(xié)調(diào)難度較大的地方，通過在高價(jià)值區(qū)域使用3D MIMO，可以有效節(jié)約站址資源投資，如表4所示，在1：3站址情況下的投資成本對比，3D MIMO節(jié)約近4萬元。

按當(dāng)前某運(yùn)營商流量單價(jià)0.29元/MB、高價(jià)值區(qū)域單站日均流量6 GB預(yù)估計(jì)算，約半年就收回3D MIMO投資成本。

圖2 驗(yàn)證站點(diǎn)及其周邊情況

表3 主要其它指標(biāo)

表4 投資分析

5 對于3D MIMO使用建議

針對以上實(shí)際使用效果驗(yàn)證和投資對比分析可知，3D MIMO可在高價(jià)值業(yè)務(wù)區(qū)域進(jìn)行因地制宜的使用。

滿足城區(qū)高業(yè)務(wù)場景（如商圈、高校等）的容量提升，保障數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆炸性增長，在新建站址越來越難的現(xiàn)狀下，存量網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率可大幅度提升。

滿足高樓覆蓋場景需求。利用3D MIMO更大垂直方向角，解決高層因站址緊張及墻體穿損大等引起的覆蓋問題。

滿足上行體驗(yàn)提升場景需求。上行體驗(yàn)提升，網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，VoLTE，視頻上傳，企業(yè)等新市場訴求，多天線接收增益有效改善網(wǎng)絡(luò)上行能力。

6 結(jié)束語

對于基于3D MIMO技術(shù)解決高價(jià)值場景網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量的驗(yàn)證和投資對比，表明該方法是一種行之有效的解決方法，最大化利用好現(xiàn)有TD-LTE網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮頻譜資源效能，可在后期工程中推廣試用。

[1] 劉鵬，解偉. 某市3D-MIMO試點(diǎn)方案解析[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2016(9).

[2] 鄧萌, 馬文. TD-LTE單模反向升級為雙?；窘鉀Q網(wǎng)絡(luò)分流的應(yīng)用[J]. 電信技術(shù), 2015(1):90-93.