3D MIMO技術在TD-LTE商用網(wǎng)絡中的應用比較研究

賀廣龍，梁萬園，黃開莉，劉曾怡,3

(1 中國移動通信集團四川有限公司成都分公司，成都 610041；2 中國移動通信集團四川有限公司，成都 610000；3 四川大學，成都 610064）

伴隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和通信用戶的使用習慣及生活方式正在發(fā)生深刻的變化。業(yè)務對無線通信網(wǎng)絡“更大的帶寬，更深的覆蓋，更快的接入”的訴求從未降低。3D MIMO利用了二維大規(guī)模陣列MIMO天線和先進的信號處理算法，打破了傳統(tǒng)MIMO天線的賦型限制，可實現(xiàn)水平和垂直方向上精確的三維波束成形，實現(xiàn)更好的干擾抑制和空間多用戶復用的能力，是提升系統(tǒng)容量和傳輸效率的有效手段，成為4G演進和5G的核心技術。

1 3D MIMO技術

無線通信的迅速發(fā)展對系統(tǒng)的容量和頻譜效率提出了越來越高的要求。為此各種提高系統(tǒng)容量和頻譜效率的技術應運而生，MIMO是一種成倍提升系統(tǒng)頻譜效率的技術。MIMO技術能夠通過信號處理技術提高無線鏈路傳輸?shù)目煽啃院托盘栙|量，不僅可以提升系統(tǒng)容量和覆蓋，還可以帶來更高的用戶速率和更優(yōu)質的用戶體驗；MIMO技術可以帶來功率增益、復用增益、分集增益和陣列增益。

1.1 商用TD-LTE網(wǎng)絡MIMO技術

為了滿足TD-LTE頻譜效率的需求，商用TDLTE網(wǎng)絡上行和下行支持的主要MIMO方案如下。

1.1.1 常規(guī)下行MIMO技術

（1）開環(huán)與閉環(huán)：根據(jù)UE是否反饋預編碼矩陣索引PMI（Precoding Matrix Indication）信息以供eNode B下行數(shù)據(jù)發(fā)射使用，LTE中的下行MIMO方案分為開環(huán)MIMO和閉環(huán)MIMO。其中，開環(huán)MIMO不需要UE反饋PMI，而閉環(huán)MIMO需要UE反饋PMI。

（2）發(fā)射分集與空間復用：根據(jù)在相同時頻資源塊上多根天線同時傳輸獨立的空間數(shù)據(jù)流個數(shù)，LTE中的下行MIMO方案分為發(fā)射分集方案和空間復用方案。其中，發(fā)射分集方案同時傳輸?shù)莫毩⒌目臻g數(shù)據(jù)流個數(shù)只能為1（Rank1），而空間復用方案同時傳輸?shù)莫毩⒌目臻g數(shù)據(jù)流個數(shù)可以大于或等于1（Rank2）。開環(huán)與閉環(huán)、發(fā)射分集與空間復用的劃分可以綜合起來，將LTE下行MIMO方案分為4種，即開環(huán)發(fā)射分集、閉環(huán)發(fā)射分集、開環(huán)空間復用和閉環(huán)空間復用。

（3）單用戶與多用戶：根據(jù)在相同時頻資源塊上同時傳輸?shù)亩鄠€空間數(shù)據(jù)流是發(fā)送至或接收自一個用戶還是多個用戶，LTE中的下行MIMO方案分為單用戶MIMO和多用戶MIMO。其中，單用戶MIMO的空間數(shù)據(jù)流屬于同一個用戶，而多用戶MIMO的空間數(shù)據(jù)流屬于多個用戶。

1.1.2 TDD下行MIMO波束賦型技術

波束賦型（Beamforming）特性從3GPP R8協(xié)議定義，是下行多天線技術的一種。不同于FDD系統(tǒng)上下行使用不同頻率，TDD系統(tǒng)上下行頻率相同，因此可以依據(jù)上行信道信息估計下行信道。在實際部署過程中TDD eNode B對PDSCH（Physical Downlink Shared Channel）下行信號進行加權，形成對準UE的窄波束，將發(fā)射能量對準目標UE，從而提高目標UE的解調信噪比，改善小區(qū)邊緣用戶體驗。

1.1.3 多用戶上行MIMO（UL CoMP）技術

由于目前市場中超97%的終端使用R8和R9標準進行開發(fā)，其使用單天線上行發(fā)射，不涉及空間復用，因此單用戶上行MIMO在現(xiàn)實場景中未大量應用。由于eNode B具有多根獨立接收天線，可采用接收合并技術，上行MIMO技術為多用戶MIMO，又稱為UL CoMP技術；該技術利用鄰區(qū)的天線對UE的發(fā)送信號進行聯(lián)合接收。

1.2 3D MIMO天線原理

由于常規(guī)天線振子大小與頻段相關，大部分商用TD-LTE系統(tǒng)eNode B使用8T8R天線。8T8R Beamforming形成的窄波束在水平方向跟隨目標UE調整方向，使目標UE獲得較高SINR。但在垂直方向上，窄波束的指向不能智能改變，無法滿足較為復雜的立體覆蓋及高容量場景需求。

3D MIMO技術使用陣列天線，商用產(chǎn)品是64×64陣列，增加了垂直維度的邏輯天線數(shù)，進而實現(xiàn)了垂直面的波束賦型，即三維波束賦型（3D BF）。通過3D BF，eNode B對PDSCH下行信號進行水平方向和垂直方向用戶級波束加權，提升不同方位UE的接收SINR。在3D MIMO應用后，天線賦型的窄波束在水平方向和垂直方向都能隨著目標UE的位置進行調整，始終對準目標UE，從而使目標UE獲得更高的SINR，抬升信道質量。

eNode B根據(jù)配對條件決定配對UE以及每個UE發(fā)送的下行數(shù)據(jù)流數(shù)，然后根據(jù)迫零準則為對應的下行數(shù)據(jù)數(shù)流生成正交權值。eNode B利用這些正交權值分別對每個下行數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)符號與DRS（Dedicated Reference Signal）符號進行加權，經(jīng)過加權的符號合并后從eNode B天線端口發(fā)送出去，實現(xiàn)在同一個時頻資源上傳多個下行數(shù)據(jù)流，從而提高下行傳輸?shù)念l譜效率。

2 3D MIMO部署及驗證

2.1 現(xiàn)場部署實施

2.1.1 3D MIMO部署場景選取

根據(jù)MIMO技術原理特征，3D MIMO特別適用于部署在熱點區(qū)域、高樓覆蓋、深度覆蓋這3類場景中。其中，典型的區(qū)域如密集城區(qū)、中心商業(yè)區(qū)、廣場、體育館等。在這些區(qū)域中，用戶密集，需要支持大量在線用戶，上下行容量需求極高。3D MIMO特性能有效抑制干擾，并支持多層配對的MU-BF和MU-MIMO，從而顯著提升小區(qū)吞吐率，解決熱點區(qū)域容量訴求。

高樓覆蓋場景下，用戶垂直分布于不同樓層，普通站點的垂直覆蓋范圍較窄，難以覆蓋多個樓層。3D MIMO站點支持三維波束調整，增強了垂直維廣播波束覆蓋能力，從而可覆蓋更多樓層的用戶。

深度場景是指通過室外站點對室內進行覆蓋，通常有建筑物阻擋，由于穿透損耗等原因，導致用戶信號較弱，體驗較差。3D MIMO特性的上行多天線接收分集和下行波束賦形，能有效對抗傳播損耗與穿透損耗，從而提升鏈路質量，使用戶的上下行體驗速率得到明顯提升。

高校區(qū)域人流聚集，屬于典型的業(yè)務熱點區(qū)域；建筑類型多樣，既有場館、廣場、校內外商業(yè)聚集區(qū)，也有教學樓、辦公樓等高層建筑，同時還有密集的學生宿舍區(qū)、教職工居住區(qū)，非常適合3D MIMO技術應用。本文選取省會城市的一所大型高校及其周邊作為3D MIMO部署試點區(qū)域，驗證應用效果。

2.1.2 3D MIMO部署硬件

為了節(jié)省天面空間，本文使用的是3D MIMO天線與射頻處理單元（RRU）集成的有源天線處理單元（AAU）?，F(xiàn)場改造施工時，在保持基站主控單元（BBU）不變的情況下，將原來射頻單元和8T8R天線替換成AAU。

除了部署AAU外，還需要根據(jù)用戶數(shù)和容量情況，增加相應基帶資源和傳輸資源。本文在試驗區(qū)域使用D頻段（2 575～2 635 MHz）小區(qū)配置3D MIMO特性，帶寬為20M。

2.2 部署效果驗證

本文從下行覆蓋、速率/流量、用戶數(shù)/利用率3個方面進行了部署后的效果驗證。

2.2.1 下行覆蓋方面

3D MIMO特性包支持廣播覆蓋調整，針對高樓覆蓋場景，能顯著提升下行覆蓋性能，理論上提升約9 dB。根據(jù)成都各區(qū)域3D MIMO替換8T8R結果顯示，3D MIMO場景下平均用戶測量報告（MR）統(tǒng)計覆蓋率提升2.5%，如圖1所示。

圖1 替換前后深度覆蓋（MR）提升對比圖

2.2.2 速率/流量方面

3D MIMO部署后，64天線MU-MIMO特性相對于8天線的MU-MIMO特性，支持上行最大8流多用戶數(shù)的復用，可提升小區(qū)上行理論峰值吞吐率8倍。本文在單試點小區(qū)下進行8終端并行上行壓力測試，結果表明：每個終端平均上行吞吐率大于8 Mbit/s，小區(qū)平均上行吞吐率為60 Mbit/s左右，峰值能達到67 Mbit/s。根據(jù)OMC統(tǒng)計試點的6個站點，單載波平均上行流量提升3.44倍，如圖2所示。

圖2 3D-MIMO上行吞吐率對比圖

3D MIMO相對于下行2×2 MIMO，理論支持下行最大16流的多用戶數(shù)復用，極大的提升PDSCH信道容量，下行理論峰值速率提升近7倍。本文在單試點小區(qū)下進行16終端下行壓力測試結果，每個終端FTP下載速率平均在43 Mbit/s左右，小區(qū)平均下行吞吐率為500 Mbit/s左右，峰值能夠達到560 Mbit/s。根據(jù)OMC統(tǒng)計試點的6個站點，單載波平均下行流量提升3.45倍，如圖3所示。

圖3 3D-MIMO下行吞吐率對比圖

2.2.3 用戶數(shù)/利用率方面

圖4 上行負荷隨用戶數(shù)變化對比圖

圖5 下行負荷隨用戶數(shù)變化對比圖

3D MIMO采用上行空分復用技術，極大提升了上行的資源利用率，可容納更多的用戶，吸收更多流量，且在相同的用戶數(shù)下，負荷低于現(xiàn)網(wǎng)8T8R。通過線性擬合，在上行PRB利用率40%情況下峰值接入用戶提升189%，如圖4所示。

相同用戶數(shù)條件下，3D MIMO的下行負荷遠低于8T8R；反過來，采用相同的負荷下，3D MIMO可以容納更多的容量。通過線性擬合，在下行PRB利用率40%情況下峰值接入用戶提升257%，如圖5所示。

3 結論

本文從原理角度對3D MIMO在TD-LTE商用網(wǎng)絡中的應用進行了闡述，對傳統(tǒng)8T8R和3D MIMO技術進行了比對，找準了現(xiàn)場部署應用場景，經(jīng)過部署實踐和壓力測試，得出了如下結論：3D MIMO較8T8R單載波上行平均吞吐率提升3.44倍，下行提升3.45倍；PRB利用率40%情況下，3D MIMO較8T8R單載波的峰值接入用戶上行提升189%、下行提升257%；深度覆蓋上，3D MIMO較8T8R 的小區(qū)MR統(tǒng)計覆蓋率提升2.5%。在商用TD-LTE網(wǎng)絡上，應用3D MIMO能夠有效提升復雜場景中的覆蓋和容量；在Pre 5G的技術中能夠以較小的代價進行現(xiàn)網(wǎng)部署，可以在5G大規(guī)模建設前進行廣泛的試點及應用。