MIMO技術(shù)的3D化應用將成必然

　　隨著無線通信技術(shù)的迅猛革新，相關應用不斷豐富，移動數(shù)據(jù)業(yè)務及其需求快速增長，正愈發(fā)深刻地改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)與生活方式。與此同時，這種快速的發(fā)展將給無線接入網(wǎng)造成巨大的壓力，如何滿足人們?nèi)找嬖鲩L的移動通信需求成為各大運營商重點關注的問題。在技術(shù)和市場的雙重驅(qū)動下，大規(guī)模天線技術(shù)逐漸成熟起來，并為即將到來的5G時代提供了堅實的技術(shù)基礎。

　　大規(guī)模天線技術(shù)能夠顯著提高網(wǎng)絡覆蓋和容量性能，被認為是5G技術(shù)中最重要的物理層技術(shù)之一。作為應對移動通信數(shù)據(jù)業(yè)務爆發(fā)式增長所帶來挑戰(zhàn)的關鍵技術(shù)，3D MIMO(3-Dimension Multiple Input Multiple Output，三維多輸入多輸出)是大規(guī)模MIMO技術(shù)中發(fā)展及應用較為成熟的方向之一。當前階段，在4G移動通信系統(tǒng)中的傳輸方案主要采用2D MIMO，即只在水平方向上實施波束成形、多徑與分集傳輸?shù)葌鬏敺绞?，而垂直方向的自由度沒有得到充分開發(fā)和利用。隨著大規(guī)模天線技術(shù)的不斷發(fā)展，MIMO技術(shù)的3D化應用將是必然的發(fā)展方向。

　　大規(guī)模MIMO技術(shù)有效滿足5G需求

　　2010年，貝爾實驗室提出了大規(guī)模MIMO的概念。大規(guī)模MIMO技術(shù)具體是指在基站端使用具有大量小型化陣子的天線矩陣同時服務于多個用戶，天線數(shù)目一般多達幾十甚至上百，通過天線數(shù)目的增加帶來空間自由度的提升，進而提高系統(tǒng)覆蓋性能和整體容量。3D MIMO和大規(guī)模MIMO同為MIMO技術(shù)演進趨勢上最重要的候選技術(shù)，其原理是在原有2D水平維度基礎上，引入垂直維度，增加其垂直維度的波束成形能力，實現(xiàn)信號的3D化傳輸。一般認為3D MIMO是大規(guī)模MIMO的特殊應用。

　　這兩種MIMO技術(shù)具有傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)所無法比擬的物理特性和性能優(yōu)勢。主要表現(xiàn)如下。

　　隨著天線數(shù)目的成倍增加，各個用戶之間的信道呈現(xiàn)出漸進正交特性，從而有效抑制用戶間干擾，通過更高的空間自由度帶來信道以及系統(tǒng)容量的提升;基站使用大規(guī)模天線陣列，對信道快衰落和熱噪聲進行平均，實現(xiàn)信道硬化，從而有效地避免了深衰落情況，減少空口延遲，簡化系統(tǒng)調(diào)度策略;3D MIMO波束成形方式能夠使波束能量聚焦于很窄的空間方向，信號的傳輸可以對準用戶，大大提升了空間分辨率;額外增加的垂直方向空間自由度可用于發(fā)射信號波束成形，有效降低發(fā)射信號的峰均比，從而簡化射頻前端，大大降低系統(tǒng)部署成本;大規(guī)模天線陣列的使用增大了天線增益，有效地降低單個天線的發(fā)射功率，提升系統(tǒng)總能效，符合綠色通信的建設理念。

　　雖然大規(guī)模MIMO以及3D MIMO有可能使頻譜效率和能耗效率在4G技術(shù)原有基礎上再提升一個量級，從而有效滿足5G通信對速率、容量等相關性能的要求，但是該類技術(shù)在應用落地的過程中仍需解決包括檢測算法、信道估計、同步方式、預編碼算法、導頻污染、互易校準等相關問題。

　　由于多天線技術(shù)能夠很好地解決未來移動數(shù)據(jù)流量的需求問題，并對頻譜利用率、能量效率、系統(tǒng)容量等提升具有重要意義，大規(guī)模MIMO和3D MIMO技術(shù)一經(jīng)提出，學術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界即對其進行了關注。針對大規(guī)模MIMO技術(shù)的信道容量、傳輸、檢測等基本理論與技術(shù)的研究已經(jīng)廣泛地開展起來，并取得了許多關鍵成果，有些已在實際無線通信建設中得到了應用與檢驗。

　　目前主要的5G技術(shù)研究和標準化組織，如3GPP、ITU、歐盟的METIS等都將大規(guī)模MIMO技術(shù)作為未來5G通信的重要物理層技術(shù)，并且已積極開展相關研究和標準化工作。我國對大規(guī)模MIMO技術(shù)領域也非常重視，5G研究與標準化組織IMT-2020(5G)成立了針對該技術(shù)的專題與研究組，啟動了面向5G的技術(shù)研究與標準化工作，具體情況見表1。

　　表1 3GPP MIMO技術(shù)標準化進展

　　3D MIMO技術(shù)特點

　　空間自由度是MIMO多天線技術(shù)的關鍵所在。有源天線系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)于發(fā)展，使垂直維度的空間自由度應用條件逐漸成熟起來。有源天線系統(tǒng)中，基站設備可通過光纖直接連接至天線系統(tǒng)，而不再需要例如射頻電纜、塔放或RRU等中間環(huán)節(jié)。在以往的條件下，射頻電纜的部署是開放物理天線垂直維度的重大障礙，如今這一問題得到了良好的解決。有源天線系統(tǒng)中部署3D MIMO不需要改變現(xiàn)有天線尺寸，即可將每個垂直的天線陣子分割成多個陣子，從而開放天線在垂直方向上的空間自由度。這一技術(shù)的實現(xiàn)大大推動了3D MIMO技術(shù)的研究，同時其應用顯著提升了LTE傳輸技術(shù)的性能，降低了小區(qū)間干擾，并提高了系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率。

　　目前3D MIMO技術(shù)主要有空間復用、傳輸分集和波束成形3種模式。

　　空間復用技術(shù)是指無線基站使用多根天線發(fā)射相互獨立的多路信號，并在接收端采用干擾抑制技術(shù)對接收信號進行解碼組合，恢復原信號數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的空口容量理論上將隨著收發(fā)端天線對數(shù)量的增加而線性增大，而不需要占用額外的頻譜資源，能夠有效提升系統(tǒng)性能。使用空間復用技術(shù)將多路數(shù)據(jù)發(fā)送給同一用戶時，可有效提高該用戶的峰值速率，增強用戶體驗;發(fā)送給不同用戶時，可有效提高系統(tǒng)整體的吞吐量，滿足更高的容量需求。

　　傳輸分集技術(shù)與空間復用技術(shù)相反，其原理也是在無線基站處使用多根天線，但其發(fā)送的信號完全相同。由于這些相同的信號通過不同的路徑傳輸至用戶，其也經(jīng)歷了不同的衰落過程。接收端將采用信號合并技術(shù)，對接收到的來自不同天線的信號進行合并，從而恢復原始數(shù)據(jù)。由于合并信號相對于單天線信號在強度上有所加強，且由于不同的衰落過程不易受深衰落影響，可以看作是對多徑效應的正面應用，因此信號在接收端可獲得分集增益，從而提高鏈路可靠性。

　　波束成形技術(shù)在4G TD-LTE系統(tǒng)中已經(jīng)有著非常成熟的應用，并有效地提升了LTE系統(tǒng)的相關性能。其基本原理是在基站處采用相關天線陣列的信號預處理技術(shù)，通過調(diào)整天線陣列中每個陣元的加權(quán)系數(shù)，增強某些方向上的信號能量，同時削弱其他方向信號強度，使多天線發(fā)射的波束能量能夠?qū)视脩暨M行信號發(fā)射。由于波束具有指向性，在其特定方向上的輻射能量更集中，信號強度更高，即獲得多天線的陣列增益。多天線的波束成形技術(shù)，在獲得陣列增益的同時，也可以降低對其它方向的干擾，從而帶來系統(tǒng)容量的提升。

　　通過對空間特性的充分利用，3D MIMO技術(shù)顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾?，大大增加了無線網(wǎng)絡擴展覆蓋范圍，有效抑制了小區(qū)間干擾，提升了系統(tǒng)容量以及系統(tǒng)吞吐量，已經(jīng)成為下一代通信中的關鍵技術(shù)。

　　3D MIMO工程實施方案

　　實踐證明，采用3D MIMO技術(shù)可大幅度提升單站的容量和覆蓋能力，可解決運營商在同城競爭中面臨的站址緊張、建站難、深度覆蓋難等痛點，同時大幅提升單用戶流量滿足終端用戶對不同業(yè)務極致體驗的訴求。根據(jù)運營商實際應用情況，對3D MIMO工程實施方案進行了分析并給出部署配置建議。

　　上行特性部署參數(shù)——VMIMO

　　(1)小區(qū)級算法開關參數(shù)

　　上行調(diào)度開關中(參數(shù)ID CellAlgoSwitch.UlSchSwitch)，具體配置建議如下：該參數(shù)中的上行虛擬MIMO開關(參數(shù)ID UlVmimoSwitch)用于開啟/關閉多用戶虛擬MIMO功能，建議開啟;該參數(shù)中的VoLTE用戶VMIMO配對開關(參數(shù)ID VoLTEUeVmimoSwitch)用于開啟/關閉VoLTE用戶多用戶虛擬MIMO功能，建議開啟;上述兩個參數(shù)邏輯關系為：在上行虛擬MIMO開關為開的情況下，打開 VoLTE用戶VMIMO配對開關才會有效。

　　(2)小區(qū)上行調(diào)度算法參數(shù)

　　VMIMO優(yōu)化算法開關(參數(shù)ID CellUlschAlgo.VmimoOptAlgoSwitch)，具體配置建議如下：該參數(shù)中的重傳用戶配對開關(參數(shù)ID HarqVmimoSwitch)用于開啟/關閉重傳用戶配對功能，建議開啟;該參數(shù)中的預調(diào)度用戶配對開關(參數(shù)ID PreSchVmimoSwitch)S于開啟/關閉預調(diào)度用戶配對功能，建議開啟;該參數(shù)中的VMIMO干擾隨機化功能開關(參數(shù)ID VmimoResRandomSwitch)用于開啟/關閉VMIMO干擾隨機化功能，建議開啟;上述參數(shù)邏輯關系為：在上行虛擬MIMO開關為開的情況下，打開重傳用戶配對開關預調(diào)度用戶配對開關以及VMIMO干擾隨機化功能開關才會有效。

　　VMIMO最大配對層數(shù)(參數(shù)ID CellUlschAlgo.MaxLayerMMVmimo)，具體配置建議如下：該參數(shù)用于控制Massive MIMO下上行VMIMO最大配對層數(shù)，建議配置8層。

　　下行特性部署參數(shù)——MUBF

　　MUBF算法開關(參數(shù)ID CELLALGOSWITCH.MuBfAlgoSwitch)，具體配置建議如下：如需開啟MU-BF功能，將本參數(shù)配置為“MuBfSwitch1”;如重傳需MU-BF配對，將本參數(shù)配置為“HarqRetranPairSwitch-1”。

　　高階MUBF最大層數(shù)(參數(shù)ID CELLBF.HighOrderMubfMaxLayer)，具體配置建議如下：該參數(shù)用于控制高階MUBF允許的最大配對層數(shù)，可以配置為TWO_LAYERS，F(xiàn)OUR_LAYERS，EIGHT_LAYERS，SIXTEEN_LAYERS或TWENTYFOUR_LAYERS。建議配置為SIXTEEN_LAYERS。

　　3D MIMO工程實施效果

　　在某大學城區(qū)域開啟6個3D MIMO站點進行網(wǎng)絡優(yōu)化，總體效果良好，用戶上/下行感知速率提升，感知高負荷頻次明顯降低。

　　均衡優(yōu)化前現(xiàn)狀

　　3D MIMO開啟前，出現(xiàn)感知高負荷的小區(qū)數(shù)為22個;3D MIMO開啟后，感知高負荷的小區(qū)數(shù)為14個;總感知高負荷次數(shù)由187降低到72次，具體情況見表2。

　　表2 均衡優(yōu)化前后高負荷情況統(tǒng)計

　　3D MIMO開啟前，一周時間內(nèi)平均每小區(qū)下行感知速率為4.11Mbit/s，針對原有8T站點，3D MIMO開啟后為4.38Mbit/s，增長比例為6.7%。針對3D MIMO站點，一周時間內(nèi)平均每小區(qū)下行感知速率為5.65Mbit/s，相比3D MIMO開啟前，增長比例為37.5%，具體情況見表3。

　　表3 均衡優(yōu)化前后下行感知速率統(tǒng)計表(單位：Mbit/s)

　　3D MIMO開啟前，一周時間內(nèi)平均每小區(qū)上行感知速率為372.2kbit/s，針對原有8T站點，3D MIMO開啟后為408.3kbit/s，增長比例為9.7%。針對3D MIMO站點，一周時間內(nèi)平均每小區(qū)上行感知速率為425.8kbit/s，相比3D MIMO開啟前，增長比例為14.4%，見表4。

　　表4 均衡優(yōu)化前后上行感知速率統(tǒng)計表(單位：kbit/s)

　　原有8T站點，上下行PRB利用率相比3D MIMO開啟前有所下降。其中下行PRB利用率下降5.35%，上行PRB利用率下降1.96%。3D MIMO站點上下行PRB利用率相比3D MIMO開啟前有所上升。其中下行PRB利用率上升4.4%，上行PRB利用率上升5.0%。

　　均衡優(yōu)化效果評估

　　3D MIMO開啟后，由于3D MIMO小區(qū)和原有8T小區(qū)業(yè)務量(用戶數(shù))導致部分小區(qū)仍存在感知高負荷的問題，進行了相關均衡優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容見表5。

　　原有22個感知高負荷小區(qū)，通過初步均衡優(yōu)化，已解決存在高負荷的問題小區(qū)16個，還有6個小區(qū)有待于進一步參數(shù)調(diào)整解決。

　　表5 均衡優(yōu)化參數(shù)修改情況

　　優(yōu)化后，3D MIMO小區(qū)上下行感知速率相比優(yōu)化前略有下降，8T小區(qū)上下行感知速率略有提升，但均比3D MIMO開通前增益明顯。

　　大規(guī)模MIMO技術(shù)伴隨著網(wǎng)絡建設中遇到的覆蓋和容量需求而不斷發(fā)展與進步。我國LTE網(wǎng)絡經(jīng)過多期的建設，已經(jīng)基本實現(xiàn)良好的廣覆蓋。未來網(wǎng)絡的建設重點將向深度覆蓋和熱點容量吸收方向傾斜，相信3D MIMO技術(shù)必將發(fā)揮重要作用。