隨著標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的不斷發(fā)展和演進(jìn)，4.5G在網(wǎng)絡(luò)容量、峰值速率、時(shí)延等技術(shù)指標(biāo)層面與4G相比均有了質(zhì)的提升。2017年，中國移動(dòng)基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)積極部署了CA（載波聚合）、3D-MIMO、NB-IoT等技術(shù)，引領(lǐng)了行業(yè)發(fā)展趨勢。其中3D MIMO作為4.5G/5G的核心技術(shù)之一，打破傳統(tǒng)天線只能提供水平維度的限制。通過引入二維天線陣列，可實(shí)現(xiàn)3D（水平和垂直方向上）MIMO。進(jìn)一步提升MIMO可利用的空間維度，將MIMO多天線技術(shù)推向了一個(gè)更高的發(fā)展階段，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率、系統(tǒng)容量、可靠性，為全面提升無線通信系統(tǒng)性能提供了更多發(fā)展空間。

1 3D-MIMO技術(shù)背景

早期原有的MIMO傳輸方案由于受限于傳統(tǒng)的基站天線構(gòu)架，一般只能在水平維度實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)空間分布特性的控制，還無法充分利用3D信道中垂直維度的自由度，未能從更深層次挖掘出MIMO技術(shù)對(duì)于改善移動(dòng)通信系統(tǒng)整體效率與性能及最終用戶體驗(yàn)的潛能。而隨著天線設(shè)計(jì)構(gòu)架的演進(jìn)以及AAS（有源天線系統(tǒng)）技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路也發(fā)生了巨大變化，直接推動(dòng)著MIMO技術(shù)向著更高維度發(fā)展。

隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，4.5G作為4G的平滑演進(jìn)，是人們進(jìn)入智能生活的重要推進(jìn)器。它將移動(dòng)通信首次帶入1Gbps時(shí)代，并傾力打造低時(shí)延、無處不在的全連接智能移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，3D MIMO作為5G Massive MIMO技術(shù)應(yīng)用于4.5G的一個(gè)重要特性，具有組網(wǎng)靈活、有效降低選址難度、增強(qiáng)覆蓋、降低干擾、提升容量等優(yōu)點(diǎn)。

2 3D-MIMO技術(shù)原理

MIMO多天線技術(shù)作為LTE系統(tǒng)物理層的基本構(gòu)成之一，主要可以分為空間復(fù)用、傳輸分集和波束賦形三種模式。而3D-MIMO技術(shù)采用大規(guī)模陣列天線、以波束賦形算法為基礎(chǔ)，并結(jié)合了SDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)多場景覆蓋。

波束賦形(Beamforming)：在波束成形技術(shù)中，基站擁有多根天線，通過調(diào)節(jié)各個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位，使其在手機(jī)接收點(diǎn)形成電磁波的疊加，從而達(dá)到提高接收信號(hào)強(qiáng)度的目的。從基站方面看，利用信號(hào)處理產(chǎn)生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線的方向圖，因此稱為“波束賦形”。通過這一技術(shù)，發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其他方向擴(kuò)散，并且基站可以通過監(jiān)測用戶的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動(dòng)，保證在任何時(shí)候手機(jī)接收點(diǎn)的電磁波信號(hào)都處于疊加狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，多天線可以同時(shí)瞄準(zhǔn)多個(gè)用戶，構(gòu)造朝向多個(gè)目標(biāo)客戶的不同波束，并有效減小各個(gè)波束之間的干擾。這種多用戶的波束成形在空間上有效地分離了不同用戶間的電磁波。

SDMA：空分多址，3D MIMO天線在覆蓋高層樓宇的同時(shí)，通過多個(gè)波束對(duì)應(yīng)不同樓層形成虛擬分區(qū)，實(shí)現(xiàn)了空分復(fù)用的效果，同時(shí)也提升了頻譜效率。

大規(guī)模天線陣列技術(shù)：空間自由度是MIMO多天下技術(shù)的安身立命之本。在有源天線系統(tǒng)技術(shù)的有力支持下，垂直維度的空間自由度的大門已悄然向MIMO技術(shù)開啟，簡單來說，有了有源天線系統(tǒng)技術(shù)，3D MIMO技術(shù)在不需要改變現(xiàn)有天線尺寸的條件下，可以將每個(gè)垂直的天線陣子分割成多個(gè)陣子（天線數(shù)目大幅增加），大規(guī)模天線陣列正是基于多用戶波束成形的原理，在基站端布置多根天線，對(duì)幾十個(gè)目標(biāo)接收機(jī)調(diào)制各自的波束，通過空間信號(hào)隔離，在同一頻率資源上同時(shí)傳輸幾十條信號(hào)。從而開發(fā)出MIMO的另一個(gè)垂直方向的空間自由度，使得進(jìn)一步降低小區(qū)間干擾、提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率成為可能。

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