5G技術4G化中3D MIMO的建設場景及應用效果

中國移動通信集團設計院有限公司|刁兆坤

3D MIMO作為5G Massive MIMO技術應用于4G網絡的解決方案，具有提升容量、增強覆蓋、降低干擾等諸多突出優點。

隨著4G用戶的迅速增長，4G網絡正面臨著需求巨大、網絡熱點更熱、用戶體驗訴求強烈、特殊場景深度覆蓋困難等問題，3D MIMO通過顯著增加收發天線(通道)，獲得更高的分集、陣列、空間復用、干擾抑制增益，從而顯著地提升系統性能。

MIMO技術對于傳統的單天線系統來說，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業務?，F網TD-LTE 8天線宏站可以支持4流空分復用，而3D MIMO引入大規模陣列天線技術，使得空域16流、32流或更多流復用成為可能。在熱點區域，用戶數多且用戶在三維空間分布范圍大，結合精確的信道估計、用戶配對算法，即可實現空域16層及以上的視頻資源空分復用，讓無線網絡的頻譜效率再上一個臺階。

3D MIMO的技術優勢

在下行精準波束賦形方面，3D MIMO利用空間信道的強相關性以及波的干涉技術，通過調整天線陣元的輸出，產生強方向性的輻射方向圖并將其主瓣指向終端，從而提高接收信噪比、減小干擾，增加系統的吞吐量和覆蓋范圍。3D MIMO下行采用更多天線進行波束賦形，空間賦形波束更窄、能量更集中，能夠有效提升賦形增益并增加空間傳輸的流數。

3D MIMO水平天線通道數比8通道宏站提升1倍，垂直天線通道數比8通道宏站提升4倍，在同等波長的條件下，3D MIMO的主瓣波束寬度更窄；3D MIMO現在下行支持8流的空分復用，上行支持4流空分復用，相比現在的8通道天線，下行和上行的小區流量提升4倍；更窄波束和更高增益，可以實現更高的波束賦型增益，并且降低干擾。8天線、3D MIMO與大規模天線陳列對比見圖1 。

在上行增強接收分集方面，3D MIMO通過上行使用更多接收天線，可提供更多上行接收信號樣本，進行更精確的信道估計，從而提升接收機性能和抗干擾能力。還可通過高階空域濾波，精確估計上行空間信道，通過選擇最優的合并權值，提升用戶信號信噪比，增強接收性能。

圖1 三種天線對比

圖2 3D MIMO的技術優勢

3D MIMO可實現波束三維可調，通過大規模天線振子的應用，除在水平方向外，在垂直方向上也分為多個通道進行賦形處理，從而同時具備水平和垂直方向的波束調節能力，通過更多的空分維度和多流技術，同時服務更多用戶，提升頻譜效率和小區吞吐量。在宏覆蓋場景方面，3D MIMO可將廣播波束配置為水平半功率角為65°，垂直半功率角20°。在高層覆蓋場景方面，可將廣播波束配置為水平半功率角為20°，垂直半功率角為65°。

3D MIMO的技術優勢在于可同時提升覆蓋和容量，降低高頻建網成本。目前的4G系統，由于工作在較低頻段，難以在終端中大幅增加天線數量，從而導致終端峰值速率提升能力受限。希望通過空間分集、空間復用和波束賦形等技術，重點挖掘增強基站覆蓋、提升基站容量（吞吐量）和提高服務質量（服務用戶的速率，尤其是邊緣用戶）等方面的能力。3D MIMO正好解決了特定區域的這些問題。3D MIMO的技術優勢見圖2。

圖3 3D MIMO場景分析

圖4 TDD 3D MIMO性能具優勢

圖5 華為3D MIMO解決方案

圖6 安裝對比

3D MIMO的建設需求和場景分析

由于大規模陣列技術的引入，3D MIMO系統能夠在三維空間產生靈活指向用戶的極窄波束，這種極窄波束意味著在有效抑制對復用用戶干擾、不損失服務用戶主瓣方向能量的前提下，在整個三維空間，3D MIMO的大規模天線系統可提供最大復用層數，實現天線數量的空分復用。

從技術標準的角度，3D MIMO實現16流空分復用，不需要定義新的標準規范，完全兼容現網4G終端，即基于現網終端就可以實現多用戶配對，共享信道資源。

從技術需求和其適應的場景來看，3D MIMO適用于高樓覆蓋、高負荷和高干擾等應用場景，如圖3所示。

從網絡發展趨勢看，特別是近兩年，無線網絡發展呈現出熱點更熱的趨勢，20%的區域已經承載60%~70%的流量。城區金融街、CBD、重要商業中心、高校等核心區域，一方面用戶集中、業務需求量大，另一方面存在高樓遮擋、深度覆蓋不足等問題。3D MIMO技術提供更高維度的空分復用、更強的波束賦形能力，可有效應對這些復雜場景。3D MIMO利用空分復用技術，可支持16個終端共享相同的時間、頻率資源，將頻譜效率提升4~6倍，有效緩解流量激增和頻譜受限之間的矛盾。

3D MIMO的工程實現和應用

TDD不需要雙工器，節省導頻開銷，終端無需改動，已率先商用，TDD在實現3D MIMO上，通過發揮制式及信道互易性優勢，可降低產業鏈綜合成本30%以上，TDD 3D MIMO性能優勢見圖4。

圖7 總體規劃思路

圖8 深圳某城市3D MIMO建設

圖9 具體測試情況

以華為的3D MIMO解決方案為例，其整體解決方案如圖5所示。

3D MIMO天線和8T8R安裝對比如圖6所示。

3D MIMO站點的規劃和商用效果分析

針對4種不同的應用場景，可根據緊急程度、價值高低，對3D MIMO的規劃結果進行優先級篩選，滾動規劃、分步實施。其總體規劃思路如圖7所示。

以深圳某3D MIMO站點為例，實際商用實施和效果情況如圖8所示。

其覆蓋效果評估如圖9所示。

定點速率測試結果如圖10所示。

從話統數據來看，小區平均用戶和流量整體提升明顯。

上行干擾指標改善1~2dB，終端發射功率下降。

3D MIMO是把5G技術應用到4G網絡的典型案例和成功實踐，相比現有4G技術，采用3D MIMO技術的小區下行和上行平均吞吐量分別是現有4G基站的2~5倍和2倍，既有效解決了4G存在的“三高一限”嚴重制約用戶體驗的現實問題，也將為移動互聯網應用的規模發展提供有力的技術支撐，可極大滿足5G時代用戶密集區域的流量業務需求。4G網絡5G化，5G技術4G化，使新業務在現有LTE網絡上應用，保護當前的網絡基礎設施投資，投資4G即投資5G成為包括中國移動在內越來越多運營商的共識。

圖10 定點測試結果

圖11 性能提升明顯

圖12 干擾改善效果明顯

3D MIMO作為5G Massive MIMO技術應用于4G網絡的解決方案，具有提升容量、增強覆蓋、降低干擾等諸多突出優點，借助大規模陣列天線帶來的三維波束賦形能力，提供更多業務流，相對目前TDLTE 8T8R網絡頻譜效率提升數倍，面向5G目標，布局4G演進，構筑持續競爭優勢，更好地服務廣大用戶。