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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(qiáng)技術(shù)，更是未來(lái)5G實(shí)現(xiàn)容量和頻譜效率提升的核心技術(shù)，必將在未來(lái)的移動(dòng)通信發(fā)展中發(fā)揮巨大作用。

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的豐富應(yīng)用帶動(dòng)了無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速增長(zhǎng)，這給無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，未來(lái)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)通信系統(tǒng)的快速部署和普及促進(jìn)了移動(dòng)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(xí)慣的同時(shí)，也培育了用戶使用移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的習(xí)慣。移動(dòng)通信手機(jī)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(lái)了空前的壓力。為了進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量并改善用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，TD-LTE引入了多種增強(qiáng)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(qiáng)技術(shù)。

3D-MIMO通過(guò)采用二維天線陣列和先進(jìn)的信號(hào)處理算法，可以實(shí)現(xiàn)精確的三維波束成形，實(shí)現(xiàn)更好的干擾抑制和空間多用戶復(fù)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(jìn)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(dǎo)致波束較寬，并且只能在水平維度調(diào)整波束方向，無(wú)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(hào)能量并增強(qiáng)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(dǎo)致其同時(shí)、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(shí)、同頻服務(wù)更多的用戶，極大地提升系統(tǒng)容量，還可通過(guò)多個(gè)小區(qū)垂直維波束方向的協(xié)調(diào)，達(dá)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(chǎng)景

3D-MIMO的典型應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)景

宏覆蓋場(chǎng)景下基站覆蓋面積較大，用戶數(shù)量較多，在新建站址越來(lái)越難和移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)越來(lái)越快的現(xiàn)狀下，亟需通過(guò)3D-MIMO大幅提升系統(tǒng)容量。微覆蓋主要針對(duì)室外業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行覆蓋，比如露天集會(huì)、商圈等用戶密度大的區(qū)域，微覆蓋場(chǎng)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(lái)提升系統(tǒng)容量。

高樓覆蓋場(chǎng)景主要指通過(guò)位置較低的基站為附近的高層樓宇提供覆蓋。在這種場(chǎng)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(guò)三維波束很好地實(shí)現(xiàn)整棟樓宇的覆蓋。

室內(nèi)覆蓋則主要針對(duì)室內(nèi)業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行覆蓋，如大型賽事、演唱會(huì)、商場(chǎng)和體育館等。在這種場(chǎng)景下，基站通常部署在天花板或者頂部的各個(gè)角落里，用戶相對(duì)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(wèn)題，但是無(wú)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(hào)質(zhì)量。

3D-MIMO產(chǎn)品設(shè)計(jì)

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

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(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。

一是天線校準(zhǔn)，天線校準(zhǔn)的精度直接關(guān)系到上下行信道互易性的準(zhǔn)確度。傳統(tǒng)的利用定向耦合器構(gòu)成耦合盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)天線校準(zhǔn)的方法完全基于實(shí)現(xiàn)，并不需要標(biāo)準(zhǔn)化。但是由于3D-MIMO采用了更多的收發(fā)通道，耦合盤(pán)的設(shè)計(jì)也變得更加復(fù)雜�；�于空口的天線校準(zhǔn)也成為一種重要的候選解決方案，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要復(fù)雜的耦合盤(pán)設(shè)計(jì)，但是需要相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)。

二是CQI反饋增強(qiáng)，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(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)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(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

一般來(lái)說(shuō)，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(jìn)行補(bǔ)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(huì)大很多，因此3D-MIMO進(jìn)行CQI補(bǔ)償?shù)碾y度也就增加。CQI反饋增強(qiáng)有利于改善3D-MIMO的系統(tǒng)性能。

三是上行探測(cè)信號(hào)增強(qiáng)，在基于信道互易性的傳輸方案中，基站依靠上行探測(cè)信號(hào)來(lái)獲取下行信道狀態(tài)信息，其準(zhǔn)確度直接取決于上行探測(cè)信號(hào)的信道條件。隨著業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)和用戶的增加，上行探測(cè)信號(hào)收到的干擾會(huì)越來(lái)越大，信道條件就越來(lái)越差。

增強(qiáng)上行探測(cè)信號(hào)主要有兩種方法，一種是改善信號(hào)強(qiáng)度，另一種是降低干擾強(qiáng)度。TDD系統(tǒng)中的上行探測(cè)信號(hào)一般用特殊子幀的最后兩個(gè)符號(hào)發(fā)送，因此改善信號(hào)強(qiáng)度的一種簡(jiǎn)單增強(qiáng)方法是在這兩個(gè)連續(xù)符號(hào)上發(fā)送相同的上行探測(cè)信號(hào)來(lái)提升3dB的增益，同時(shí)可以通過(guò)碼分來(lái)保持其容量不受影響。另一方面，將2個(gè)正交的梳齒增強(qiáng)為4個(gè)正交的梳齒可以有效降低干擾強(qiáng)度，從而改善上行探測(cè)信號(hào)的信道條件。

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

此外，波束成形算法和多用戶配對(duì)算法雖然不是標(biāo)準(zhǔn)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(jì)低復(fù)雜度、高性能的波束成形算法和用戶配對(duì)算法，也是3D-MIMO必須要解決的問(wèn)題。

基于碼本的傳輸方案

基于碼本的傳輸方案標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。

一方面是碼本設(shè)計(jì)，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(qiáng)才能更好的發(fā)揮3D-MIMO的性能優(yōu)勢(shì)。

另一方面是CSI-RS發(fā)送方案及CSI反饋增強(qiáng)，在基于碼本的傳輸方案中，終端通過(guò)對(duì)CSI-RS進(jìn)行測(cè)量來(lái)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(lái)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(duì)CSI-RS進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)。

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(hào)的增強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)、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(wèn)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(shí)際布網(wǎng)帶來(lái)很大的麻煩，增加了設(shè)備安裝的時(shí)間，饋線越多也越容易出錯(cuò)。而將天線和RRU集成能很好地解決這個(gè)問(wèn)題，不僅省去了饋線，而且消除了因饋線帶來(lái)的損耗（見(jiàn)表中的架構(gòu)1）。另一方面，通道數(shù)的增加也增加了對(duì)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(jiàn)表中的架構(gòu)2），另一種方法是進(jìn)一步將BBU、RRU和天線都集成到一起形成一體化站型（見(jiàn)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(lái)的布網(wǎng)和架站更加方便快捷，不過(guò)也對(duì)設(shè)備的尺寸、重量和散熱等方面的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。