3D-MIMO實(shí)現(xiàn)16流空分復(fù)用 頻譜效率再上臺階

隨著4G用戶總量的快速增長和高清語音、視頻業(yè)務(wù)的快速普及，未來網(wǎng)絡(luò)流量的爆發(fā)式增長和有限的頻譜資源之間的矛盾將愈加突出。3D-MIMO利用空分復(fù)用技術(shù)，可支持16個(gè)終端共享相同的時(shí)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。

多流空分復(fù)用是3D-MIMO提升頻譜效率的關(guān)鍵

當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，呈現(xiàn)出熱點(diǎn)更熱的趨勢，20%的區(qū)域已經(jīng)承載了70%的流量。城區(qū)CBD、商業(yè)中心等核心區(qū)域，一方面用戶集中、業(yè)務(wù)需求量大，另一方面存在高樓遮擋、深度覆蓋不足等問題。現(xiàn)網(wǎng)3D-MIMO技術(shù)提供更高維度的空分復(fù)用、更強(qiáng)的波束賦型能力，可有效應(yīng)對這些復(fù)雜場景。

3D-MIMO中的關(guān)鍵技術(shù)空分復(fù)用，又稱空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA），在中國提出的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA中就引入了SDMA。根據(jù)多天線技術(shù)原理，空分復(fù)用是多個(gè)用戶共享時(shí)頻資源，通過空域信道特征來區(qū)分多個(gè)用戶的信號，同時(shí)通過精確的信道相關(guān)性估計(jì)、用戶配對、干擾抑制賦形等降低多用戶之間的干擾。

現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE 8天線宏站可以支持4流空分復(fù)用，而3D-MIMO引入大規(guī)模陣列天線技術(shù)，使得空域16流、32流或更多流復(fù)用成為可能。

熱點(diǎn)區(qū)域16流空分復(fù)用，相比8流吞吐量提升一倍

在熱點(diǎn)區(qū)域，用戶數(shù)多且用戶在3維空間分布范圍大，結(jié)合精確的信道估計(jì)、用戶配對算法，即可實(shí)現(xiàn)空域16層及以上的視頻資源空分復(fù)用，讓無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率再上一個(gè)臺階。

由于大規(guī)模陣列技術(shù)的引入，3D-MIMO系統(tǒng)能夠在3維空間產(chǎn)生靈活指向用戶的非常窄的波束，這種極窄波束意味著在有效抑制對復(fù)用用戶干擾，不損失服務(wù)用戶主瓣方向能量前提下，在整個(gè)3維空間，3D-MIMO的大規(guī)模天線系統(tǒng)可提供最大復(fù)用層數(shù)可達(dá)到天線數(shù)量的空分復(fù)用能力。

3D-MIMO示意圖

華為的外場測試驗(yàn)證結(jié)果顯示：近點(diǎn)用戶場景，16流空分復(fù)用，相比8流空分復(fù)用可以獲得接近一倍的吞吐量增益；用戶均勻分布在小區(qū)遠(yuǎn)中近點(diǎn)場景，16流相比8流空分復(fù)用可以獲得60%的容量增益；即使對于用戶密集分布場景，16流相比8流空分復(fù)用也能獲得45%的容量增益。

更高的基帶處理能力和更優(yōu)的中射頻關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)16流的基礎(chǔ)

從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度，3D-MIMO實(shí)現(xiàn)16流空分復(fù)用，不需要定義新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，完全兼容現(xiàn)網(wǎng)4G終端，即基于現(xiàn)網(wǎng)終端就可以實(shí)現(xiàn)多用戶配對，共享信道資源。在前期的外場測試中，即采用16部現(xiàn)網(wǎng)4G終端實(shí)現(xiàn)16流復(fù)用。

從工程實(shí)現(xiàn)的角度，一方面，隨著天線數(shù)和用戶數(shù)的增加，對信道估計(jì)、用戶配對和信號處理等算法都提出更高要求。保證空分復(fù)用性能的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的估計(jì)多用戶信道響應(yīng)，和高精度實(shí)時(shí)求取用戶間空域干擾抑制賦形權(quán)值。通常需要復(fù)雜的降噪算法，才能保證信道估計(jì)的誤差精度（如小于20~30dB），滿足多層空分復(fù)用性能要求。同時(shí)，權(quán)值求取算法涉及復(fù)雜的高維矩陣計(jì)算，基帶處理復(fù)雜度隨天線數(shù)呈指數(shù)增長（提升幾十上百倍）。若基帶處理能力受限，將會限制多用戶配對能力，導(dǎo)致空分復(fù)用性能下降。因此，為有效應(yīng)對未來流量增長和頻譜受限的矛盾，要求基站系統(tǒng)具備強(qiáng)大的基帶處理能力。華為公司自研的基帶芯片在具備強(qiáng)大DSP處理能力的同時(shí)，嵌入了FFT、矩陣運(yùn)算、MIMO加速等多套硬件加速器，使得3D-MIMO的空分復(fù)用能力得以充分發(fā)揮。

另一方面，3D-MIMO系統(tǒng)對中射頻硬件也提出了新的挑戰(zhàn)。提高天線設(shè)計(jì)集成度，在有限的天面空間中置放更多的天線陣子和射頻通道。隨著空分復(fù)用用戶數(shù)的增加，對中射頻硬件的通路一致性指標(biāo)也提出了更高要求。3D-MIMO空分復(fù)用利用了TDD系統(tǒng)上下行信道互易的特點(diǎn)，但是若中射頻硬件通路的一致性指標(biāo)不好，將破壞互異性，造成空分復(fù)用的用戶間相互干擾。隨著空分復(fù)用層數(shù)的增加，硬件通路非理想因素對系統(tǒng)容量造成的損失也大幅增加。所以3D-MIMO空分復(fù)用要求中射頻系統(tǒng)在達(dá)到高集成度的同時(shí)，還要具備良好的通路響應(yīng)一致性。

綜上所述，3D-MIMO需要基于基帶、天面二維演進(jìn)，才能將性能優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。華為公司的3D-MIMO中射頻系統(tǒng)在具備大功率、高集成度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高精度自校準(zhǔn)。配合基帶算法可實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用的用戶間幾十dB以上的干擾抑制能力，即用戶的波束主瓣（天線增益最大的波瓣）對準(zhǔn)其他所有復(fù)用用戶的波束零陷（天線無增益或負(fù)增益的波束），使得時(shí)頻資源上空分復(fù)用的層數(shù)可達(dá)到天線數(shù)量，并且每個(gè)用戶的SINR還能滿足最高階MCS的SINR要求，確保3D-MIMO性能最優(yōu)。

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