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3D-MIMO 從原理到技術(shù).docx

3D-MIMO不僅是現(xiàn)有TD-LTE的增強技術(shù)，更是未來5G實現(xiàn)容量和頻譜效率提升的核心技術(shù)，必將在未來的移動通信發(fā)展中發(fā)揮巨大作用。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)的豐富應(yīng)用帶動了無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速增長，這給無線接入網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，未來通信系統(tǒng)設(shè)計需要能夠更加高效地利用帶寬資源，從而大幅提升頻譜效率。4G移動通信系統(tǒng)的快速部署和普及促進了移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，在改變用戶日常生活和行為習慣的同時，也培育了用戶使用移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的習慣。移動通信手機和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ�活的必需品�?/p>

4G業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展也為現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的容量帶來了空前的壓力。為了進一步提升網(wǎng)絡(luò)容量并改善用戶的業(yè)務(wù)體驗，TD-LTE引入了多種增強技術(shù)，如CoMP、256QAM調(diào)制、載波聚合和上行數(shù)據(jù)壓縮等，而基于多天線的3D-MIMO則是最有效的增強技術(shù)。

3D-MIMO通過采用二維天線陣列和先進的信號處理算法，可以實現(xiàn)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。因此，3D-MIMO也成為4G演進和5G的核心技術(shù)。

3D-MIMO技術(shù)原理

如圖1所示，傳統(tǒng)的2D-MIMO天線端口數(shù)較少導致波束較寬，并且只能在水平維度調(diào)整波束方向，無法將垂直維的能量集中于終端。而3D-MIMO一般采用大規(guī)模的二維天線陣列，不僅天線端口數(shù)較多，而且可以在水平和垂直維度靈活調(diào)整波束方向，形成更窄、更精確的指向性波束，從而極大的提升終端接收信號能量并增強小區(qū)覆蓋。

圖1、3D-MIMO原理

傳統(tǒng)的2D-MIMO僅能在水平維度區(qū)分用戶也導致其同時、同頻可服務(wù)的用戶數(shù)受限。3D-MIMO可充分利用垂直和水平維的天線自由度，同時、同頻服務(wù)更多的用戶，極大地提升系統(tǒng)容量，還可通過多個小區(qū)垂直維波束方向的協(xié)調(diào)，達到降低小區(qū)間干擾的目的。3D-MIMO的應(yīng)用效果如圖2所示。

圖2、3D-MIMO的應(yīng)用效果

3D-MIMO的典型應(yīng)用場景

3D-MIMO的典型應(yīng)用場景如圖3所示，主要包括室外的宏/微覆蓋、高樓覆蓋和室內(nèi)覆蓋。

圖3、3D-MIMO的典型應(yīng)用場景

宏覆蓋場景下基站覆蓋面積較大，用戶數(shù)量較多，在新建站址越來越難和移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長越來越快的現(xiàn)狀下，亟需通過3D-MIMO大幅提升系統(tǒng)容量。微覆蓋主要針對室外業(yè)務(wù)熱點區(qū)域進行覆蓋，比如露天集會、商圈等用戶密度大的區(qū)域，微覆蓋場景下雖然基站覆蓋面積較小，但是用戶密度通常很高，同樣需要3D-MIMO來提升系統(tǒng)容量。

高樓覆蓋場景主要指通過位置較低的基站為附近的高層樓宇提供覆蓋。在這種場景下，用戶大量分布于不同樓層，這就需要基站具備垂直大角度范圍的覆蓋能力。而傳統(tǒng)的基站垂直覆蓋范圍通常很窄，可能需要部署多幅天線才能滿足需求，3D-MIMO能夠通過三維波束很好地實現(xiàn)整棟樓宇的覆蓋。

室內(nèi)覆蓋則主要針對室內(nèi)業(yè)務(wù)熱點區(qū)域進行覆蓋，如大型賽事、演唱會、商場和體育館等。在這種場景下，基站通常部署在天花板或者頂部的各個角落里，用戶相對基站的角度分布范圍很大，傳統(tǒng)的全向天線雖然覆蓋不成問題，但是無法將能量集中。而3D-MIMO既能覆蓋所有用戶，又能利用三維波束成形有效提升信號質(zhì)量。

3D-MIMO產(chǎn)品設(shè)計

3D-MIMO的系統(tǒng)性能取決于方案設(shè)計和標準增強，主要可以分為基于信道互易性的傳輸方案標準增強和基于碼本的傳輸方案標準增強。

基于信道互易性的傳輸方案

基于信道互易性的傳輸方案標準化內(nèi)容主要包括以下幾個方面。

一是天線校準，天線校準的精度直接關(guān)系到上下行信道互易性的準確度。傳統(tǒng)的利用定向耦合器構(gòu)成耦合盤來實現(xiàn)天線校準的方法完全基于實現(xiàn)，并不需要標準化。但是由于3D-MIMO采用了更多的收發(fā)通道，耦合盤的設(shè)計也變得更加復雜�；�于空口的天線校準也成為一種重要的候選解決方案，它的優(yōu)點是不需要復雜的耦合盤設(shè)計，但是需要相應(yīng)的標準增強。

二是CQI反饋增強，在現(xiàn)有LTE系統(tǒng)中，基于信道互易性的傳輸方案采用的是基于發(fā)送分集的CQI，而實際的數(shù)據(jù)傳輸會有較大的波束成形增益，所以基站使用的MCS和用戶反饋的CQI并不匹配，這就需要基站進行相應(yīng)的補償。

一般來說，波束成形增益越大，基站使用的MCS和用戶反饋的CQI之間的差別就越大，基站進行補償?shù)碾y度也就越大。由于3D-MIMO采用了更多的收發(fā)通道，波束成形增益相比傳統(tǒng)天線會大很多，因此3D-MIMO進行CQI補償?shù)碾y度也就增加。CQI反饋增強有利于改善3D-MIMO的系統(tǒng)性能。

三是上行探測信號增強，在基于信道互易性的傳輸方案中，基站依靠上行探測信號來獲取下行信道狀態(tài)信息，其準確度直接取決于上行探測信號的信道條件。隨著業(yè)務(wù)量的增長和用戶的增加，上行探測信號收到的干擾會越來越大，信道條件就越來越差。

增強上行探測信號主要有兩種方法，一種是改善信號強度，另一種是降低干擾強度。TDD系統(tǒng)中的上行探測信號一般用特殊子幀的最后兩個符號發(fā)送，因此改善信號強度的一種簡單增強方法是在這兩個連續(xù)符號上發(fā)送相同的上行探測信號來提升3dB的增益，同時可以通過碼分來保持其容量不受影響。另一方面，將2個正交的梳齒增強為4個正交的梳齒可以有效降低干擾強度，從而改善上行探測信號的信道條件。

四是DMRS參考信號增強，3D-MIMO提升系統(tǒng)性能的重要表現(xiàn)是可以同時、同頻支持更多用戶。目前的LTE系統(tǒng)中DMRS設(shè)計只能支持完全正交的2個用戶，因此要支持更多用戶就必須增強DMRS參考信號，使更多用戶保持正交。

此外，波束成形算法和多用戶配對算法雖然不是標準化內(nèi)容，但是關(guān)系到3D-MIMO最終的系統(tǒng)性能，隨著收發(fā)通道數(shù)的增加，如何設(shè)計低復雜度、高性能的波束成形算法和用戶配對算法，也是3D-MIMO必須要解決的問題。

基于碼本的傳輸方案

基于碼本的傳輸方案標準化內(nèi)容主要包括以下幾個方面。

一方面是碼本設(shè)計，目前LTE系統(tǒng)中的碼本只支持傳統(tǒng)的一維天線陣列，3D-MIMO采用的二維天線陣列需要相應(yīng)的碼本增強才能更好的發(fā)揮3D-MIMO的性能優(yōu)勢。

另一方面是CSI-RS發(fā)送方案及CSI反饋增強，在基于碼本的傳輸方案中，終端通過對CSI-RS進行測量來獲得信道狀態(tài)信息并反饋給基站，基站依賴于終端的反饋來獲得下行的信道狀態(tài)信息。目前LTE系統(tǒng)中的CSI-RS只支持傳統(tǒng)的一維天線陣列，3D-MIMO需要對CSI-RS進行相應(yīng)的優(yōu)化和標準增強。

此外，與基于信道互易性的傳輸方案一樣，基于碼本的傳輸方案一樣需要DMRS參考信號的增強來實現(xiàn)同時、同頻服務(wù)更多用戶。

3D-MIMO產(chǎn)品架構(gòu)

傳統(tǒng)基站采用“BBU+RRU+天線”的分布式架構(gòu)。3D-MIMO相比傳統(tǒng)基站采用了更多的收發(fā)通道，如果依然保持“BBU+RRU+天線”的架構(gòu)存在兩方面問題。

一方面，收發(fā)通道數(shù)的增加使得天線和RRU之間需要更多的饋線連接，這將給實際布網(wǎng)帶來很大的麻煩，增加了設(shè)備安裝的時間，饋線越多也越容易出錯。而將天線和RRU集成能很好地解決這個問題，不僅省去了饋線，而且消除了因饋線帶來的損耗（見表中的架構(gòu)1）。另一方面，通道數(shù)的增加也增加了對RRU和BBU之間CPRI接口的帶寬需求，從而增加了光纖的成本。

為了降低CPRI接口帶寬的需求，一種方法是將BBU的部分功能上移（見表中的架構(gòu)2），另一種方法是進一步將BBU、RRU和天線都集成到一起形成一體化站型（見表中的架構(gòu)3）。

架構(gòu)2雖然能降低CPRI接口帶寬需求，但是BBU和RRU之間的接口需要重新定義。架構(gòu)3直接取消了CPRI接口，更高的集成度將使得未來的布網(wǎng)和架站更加方便快捷，不過也對設(shè)備的尺寸、重量和散熱等方面的設(shè)計提出了更高的要求。