劉毅+牛海濤+張振剛+孔建坤

【摘 要】為了在進(jìn)一步提升4G用戶速率的同時(shí)彌補(bǔ)傳統(tǒng)MIMO天線的技術(shù)缺陷，采用新型的3D-MIMO技術(shù)，通過(guò)立體深化覆蓋、精準(zhǔn)波束降低干擾、空間化提高頻譜利用等多種方式，實(shí)現(xiàn)了提升資源利用率、增強(qiáng)覆蓋深度、弱化干擾影響的成效，提升了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)速率。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線網(wǎng)絡(luò)速率 天饋 3D-MIMO

Research on the Application of 3D-MIMO Antenna Technology

[Abstract] In order to further increase 4G user rate and compensate technical deficiencies of the traditional MIMO antenna， the novel 3D-MIMO technology was adopted to enhance the resource utilization， improve deep coverage， mitigate interference and increase wireless network rate by means of multi-dimensional deep coverage， accurate beam and spatialization of spectrum utilization.

[Key words]wireless network rate antenna feeder 3D-MIMO

1 引言

伴隨著4G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)于高速的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)可度和依賴度不斷提高。通信運(yùn)營(yíng)商意識(shí)到在這個(gè)大數(shù)據(jù)流量爆發(fā)的時(shí)代，正視數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)重要性并提升數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶感知對(duì)于企業(yè)發(fā)展的重要性。

（1）速率：運(yùn)營(yíng)商當(dāng)下的盈利保證

截止2016年6月，移動(dòng)4G用戶數(shù)近4.29億，4G用戶滲透率超過(guò)51%。和2014年相比，2015年移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)143.7%，手機(jī)上網(wǎng)客戶DoU（Dataflow of Usage，每用戶平均每月數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)消耗量）增加118.5%，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)收入占通信服務(wù)總收入占比上升至52%，無(wú)線上網(wǎng)收入增加30.5%，無(wú)線上網(wǎng)業(yè)務(wù)所占比重仍舊不斷攀升。DoU和運(yùn)營(yíng)商的營(yíng)收增長(zhǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)：用戶DoU高于500 MB，運(yùn)營(yíng)商收入呈現(xiàn)正增長(zhǎng)；用戶DoU小于500 MB，運(yùn)營(yíng)商收入呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。

因此對(duì)于通信運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，無(wú)線上網(wǎng)業(yè)務(wù)已經(jīng)從2G時(shí)代的可有可無(wú)，變?yōu)榱?G時(shí)代的重中之重。如何提升用戶的數(shù)據(jù)使用量、增加用戶黏性以及獲取更大的利潤(rùn)，這一連串的疑問(wèn)都指向了同一個(gè)問(wèn)題：如何提升速率。因?yàn)橹挥袚碛懈叩乃俾?，才能真正的持有更多的用戶，使得利益提升?/p>

（2）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)速率提升遇瓶頸

無(wú)論是通信運(yùn)營(yíng)商還是通信設(shè)備商都已經(jīng)注意到，速率在這個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代所扮演的重要角色。對(duì)于高速率的追求一直促使著各種通信技術(shù)的高速更新?lián)Q代，尤其是LTE高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)的應(yīng)用，更是加速了這一進(jìn)程。

TD-LTE作為這場(chǎng)高速數(shù)據(jù)時(shí)代大變革的領(lǐng)軍技術(shù)之一，帶來(lái)了全新的體驗(yàn)與強(qiáng)大的沖擊感。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)）的高頻譜利用、抗多徑干擾、非對(duì)稱數(shù)字業(yè)務(wù)傳輸?shù)忍匦?，使得TD-LTE得以廣泛應(yīng)用。AMC（Adaptive Modulation and Coding，自適應(yīng)調(diào)制編碼）技術(shù)的自適應(yīng)能力，保障了TD-LTE數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量?；旌献詣?dòng)重傳技術(shù)高效地補(bǔ)償由于采用鏈路適配所帶來(lái)的誤碼，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，減小了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，為數(shù)據(jù)語(yǔ)音的實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。MIMO技術(shù)的應(yīng)用更是效果顯著，其多發(fā)多收的技術(shù)特點(diǎn)大幅地提高了資源的空間利用率，成倍提升數(shù)據(jù)容量。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)提升的同時(shí)，設(shè)備廠商和終端公司也相應(yīng)推出了各種新型的設(shè)備與技術(shù)以迎合時(shí)代的需求。如上下行載波聚合技術(shù)，倍增了傳輸帶寬；Small Cell的應(yīng)用有效彌補(bǔ)了TD-LTE覆蓋深度不足的缺陷，降低了建設(shè)成本。配合新型的基站技術(shù)，終端公司也不斷更新自己的硬件支撐能力，不斷推出更高等級(jí)的終端設(shè)備，為高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供保障。

然而，無(wú)論是通信制式的更新，還是基站設(shè)備的提升以及終端能力的改進(jìn)，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的提升都已經(jīng)到達(dá)了彼此配合的收益最大化，無(wú)論是連接層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層都有著可觀的發(fā)展，而今物理層數(shù)據(jù)的傳播成為了整體速率提升的一個(gè)阻礙，具體的說(shuō)，天線技術(shù)遲遲停留在傳統(tǒng)MIMO技術(shù)，使得TD-LTE這個(gè)大桶，總有天線這個(gè)短板使得整體無(wú)法得產(chǎn)生質(zhì)的變化。因此，本文接下來(lái)將對(duì)傳統(tǒng)MIMO技術(shù)進(jìn)行介紹，分析其優(yōu)勢(shì)和缺陷，并在此基礎(chǔ)上對(duì)3D-MIMO技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 傳統(tǒng)MIMO技術(shù)簡(jiǎn)述

MIMO技術(shù)作為TD-LTE的核心技術(shù)，其通過(guò)多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍地提高系統(tǒng)信道容量。

2.1 MIMO技術(shù)原理

MIMO是指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)通過(guò)多重天線進(jìn)行同步收發(fā)，所以可以增加資料傳輸率。MIMO技術(shù)原理。

MIMO較專業(yè)的解釋，應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)資料通過(guò)多重切割之后，經(jīng)過(guò)多重天線進(jìn)行同步傳送，由于無(wú)線訊號(hào)在傳送的過(guò)程當(dāng)中，為了避免發(fā)生干擾起見(jiàn)，會(huì)通過(guò)不同的反射或穿透路徑，因此到達(dá)接收端的時(shí)間會(huì)不一致。為了避免資料不一致而無(wú)法重新組合，因此接收端會(huì)同時(shí)具備多重天線接收，然后利用DSP重新計(jì)算的方式，根據(jù)時(shí)間差的因素，將分開(kāi)的資料重新作組合，最終傳送出正確且快速的資料流。

由于傳送的資料經(jīng)過(guò)分割傳送，不僅單一資料流量降低，可拉高傳送距離，而且增加了天線接收范圍，因此MIMO技術(shù)不僅可以增加既有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜的資料傳輸速度，而且又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是強(qiáng)化了訊號(hào)接收距離。

2.2 傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與缺陷

MIMO允許多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來(lái)自不同空間方位的信號(hào)，使空間成為一種可以用于提高性能的資源，并能夠增加無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋范圍，具有兩大優(yōu)勢(shì)，具體內(nèi)容如下：

（1）優(yōu)勢(shì)一，提高信道容量。MIMO接入點(diǎn)到MIMO客戶端之間可以同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，信道容量可以隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高無(wú)線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。

（2）優(yōu)勢(shì)二，提高信道的可靠性。利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益及空間分集增益，可以利用多天線來(lái)抑制信道衰落，降低誤碼率。

雖然MIMO技術(shù)具有如此優(yōu)越的技術(shù)特點(diǎn)，但是由于其信號(hào)平面化傳播的方式，使得其在覆蓋深度、干擾抑制以及資源利用三個(gè)方面仍舊存在不足，詳細(xì)的分析主要有以下五點(diǎn)：

（1）缺陷一，空間覆蓋不足。傳統(tǒng)MIMO只支持單純水平面或垂直面的信號(hào)分析，無(wú)法立體化地實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋，在一定程度上還是對(duì)空間資源的浪費(fèi)。對(duì)于高層樓宇，15層以上用戶深度速度較差，小區(qū)邊緣用戶速率低。

（2）缺陷二，平面信號(hào)識(shí)別度低。平面信號(hào)無(wú)法識(shí)別中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，隨著用戶的位置移動(dòng)，會(huì)造成中心用戶和邊緣用戶的感知驟降。

（3）缺陷三，干擾消除能力欠缺。雖然通過(guò)空間復(fù)用和分級(jí)增益，降低了無(wú)碼，但是平面信號(hào)無(wú)法跟蹤終端，消除其對(duì)其它用戶或小區(qū)產(chǎn)生的干擾，且普通宏站賦型波束寬，易對(duì)鄰區(qū)UE產(chǎn)生干擾。

（4）缺陷四，對(duì)高層室內(nèi)覆蓋不足。對(duì)于高層建筑，依舊依賴于室分或者其它形式的基站進(jìn)行補(bǔ)盲，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇的全覆蓋和深度覆蓋。

（5）缺陷五，容量仍有待提升。下行只能提供2流空分復(fù)用，且在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)配置下上行容量一直受限。

鑒于傳統(tǒng)MIMO技術(shù)存在覆蓋深度不足、干擾抑制不足以及資源利用不足的遺憾，需要探索一種新型的天線傳播技術(shù)，來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)有傳統(tǒng)MIMO平面信號(hào)所存在的弊端，即3D-MIMO技術(shù)。

3 3D-MIMO技術(shù)的應(yīng)用

3D-MIMO技術(shù)是基于Massive MIMO的一種全新的天線覆蓋方式。2010年底Thomas L.Marzetta提出了Massive MIMO的概念，讓基站使用多達(dá)數(shù)百根天線，同時(shí)支持多個(gè)UE。在基站天線數(shù)趨于無(wú)窮大時(shí)，影響系統(tǒng)性能的熱噪聲和小區(qū)間干擾可以被忽略不計(jì)，Massive MIMO通過(guò)數(shù)量眾多的天線來(lái)增加有用信號(hào)的功率，通過(guò)增加信干噪比（SNR）來(lái)降低干擾的影響。在基站天線數(shù)趨于無(wú)窮時(shí)，發(fā)送信號(hào)占用帶寬足夠小，信道近似平坦信道，信道衰落系數(shù)為1，MIMO信道容量隨著天線數(shù)目的增加而線性增大。

相比較傳統(tǒng)MIMO技術(shù)，新型的3D-MIMO技術(shù)無(wú)論是在覆蓋深度、覆蓋范圍、信號(hào)識(shí)別度、抗干擾能力、容量等方面都有顯著的提升。

3.1 空間立體維度全覆蓋

3D-MIMO除調(diào)節(jié)天線水平維度的角度外，加入了垂直維度的角度機(jī)制，從而釋放了垂直維度，可以進(jìn)一步增強(qiáng)空間復(fù)用，提升小區(qū)容量，這是與傳統(tǒng)MIMO技術(shù)只能進(jìn)行平面信號(hào)傳播的巨大區(qū)別。

較之傳統(tǒng)MIMO基站，1個(gè)3D-MIMO基站即可覆蓋整棟高樓。

全新的3D-MIMO基站可覆蓋60°垂直范圍、10°～20°水平范圍。

這樣高層覆蓋選址難、覆蓋范圍不足的問(wèn)題就得到了大大改善，并且可以提高小區(qū)邊緣業(yè)務(wù)速率。

3.2 高精波束降低干擾，精準(zhǔn)覆蓋

根據(jù)如下公式：

2Ψ0.5≈51×（2/N）

其中，天線N表示天線陣列單元數(shù)，d表示天線陣列單元間距?？梢源致該?jù)算8天線宏站其水平方向是4列直線陣，波束寬度為51÷2=25.5°。針對(duì)3D-MIMO天線，水平方向是8列直線陣，波束寬度為51÷4=12.25°；在垂直方向，3D-MIMO的垂直波束寬度是：51×（10/（7×8））=9.1°。

所以得出N越大，波束越窄。也就是天線陣列單元數(shù)越多，波束越窄。

因此3D-MIMO技術(shù)通過(guò)增加天線數(shù)量，使業(yè)務(wù)波束變窄，波束能量更集中，從而增強(qiáng)業(yè)務(wù)性能。

相比較普通宏站賦型波束寬易對(duì)鄰區(qū)UE產(chǎn)生干擾，3D-MIMO技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精三維波束，波束寬度降低一半，降低干擾。并且3D-MIMO基站利用高精的波束可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)覆蓋，通過(guò)智能權(quán)值來(lái)分區(qū)并精準(zhǔn)覆蓋場(chǎng)館，可降低小區(qū)間干擾，同時(shí)節(jié)省站點(diǎn)數(shù)量，降低投資，能夠全方位立體的追蹤用戶位置，實(shí)現(xiàn)VIP區(qū)域重點(diǎn)保護(hù)、VIP用戶精準(zhǔn)保護(hù)。

此外3D-MIMO可以識(shí)別小區(qū)中心和邊緣用戶，消除由于用戶物理位置變動(dòng)而引發(fā)的感知驟降。

3.3 高效空分提升頻譜效率

由于波束的窄化，同樣的空間資源下，使得空間復(fù)用更容易，可以容納的流數(shù)也隨之增多，小區(qū)容量得以提升。

相比較普通宏站提供的下行2流空分復(fù)用以及1UL：3DL的上行配比，3D-MIMO可以提供下行8～16流的空分復(fù)用、上行4～8流的空分復(fù)用，如圖9所示。這使得在普通宏站相同的覆蓋半徑的情況下，3D-MIMO基站可以提供之前3～5倍的容量，完全可以滿足熱點(diǎn)區(qū)域的大容量業(yè)務(wù)需求。

而且對(duì)于光纖部署受限的區(qū)域，可通過(guò)無(wú)線固定接入方式覆蓋盲區(qū)，如圖10所示。3D-MIMO基站+CPE的方式可解決這部分區(qū)域光纖部署無(wú)法到位的問(wèn)題，相比較宏站+CPE方式能提供更大的系統(tǒng)容量。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

為更好地保障窄帶物聯(lián)網(wǎng)，更好地提供服務(wù)，在推動(dòng)接入終端及產(chǎn)品應(yīng)用外，從通信運(yùn)營(yíng)商角度，需不斷嘗試探索新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提升NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)性能。

4.1 提升用戶上下行感知速率效果驗(yàn)證

2016年7月，山東移動(dòng)青島公司在青島嶗山啤酒節(jié)通信保障期間進(jìn)行3D-MIMO技術(shù)試點(diǎn)，自18點(diǎn)啤酒節(jié)開(kāi)幕到21點(diǎn)，人流量達(dá)到最大，期間小區(qū)最大用戶數(shù)據(jù)達(dá)到220左右。小區(qū)上行最大總速率達(dá)到21 MB/s，單用戶開(kāi)幕期間平均上行速率7 MB/s以上。

4部普通4G終端同時(shí)接入FTP業(yè)務(wù)（非灌包測(cè)試），小區(qū)上行總速率峰值40 MB/s，均值40 MB/s，相比傳統(tǒng)4G小區(qū)（10 MB/s）上行速率提升4倍。8部普通4G終端進(jìn)行同時(shí)FTP下載，小區(qū)下行總吞吐率峰值349 MB/s，均值340 MB/s，相比傳統(tǒng)4G小區(qū)（110 MB/s）下行速率提升3倍，大大提升了單用戶感知速率。

4.2 提升立體覆蓋效果驗(yàn)證

青島世奧國(guó)際樓宇高100 m左右，長(zhǎng)寬40 m左右，樓內(nèi)四周為房間，中間為電梯和樓道，房間門較小，對(duì)信號(hào)衰減非常大，貫穿覆蓋困難較大。覆蓋方案選擇在世奧國(guó)際斜對(duì)面的東海路移動(dòng)大樓的裙樓位置建設(shè)3D-MIMO小區(qū)，將3D-MIMO的垂直波瓣寬度由普通模式的10°調(diào)整為60°，水平方向調(diào)整為30°，盡可能將功率分配在垂直方向。

借助3D-MIMO技術(shù)，使世奧國(guó)際大廈面向站點(diǎn)一側(cè)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)從脫網(wǎng)提升至平均-100 dBm左右，室內(nèi)定點(diǎn)測(cè)試平均下載速率在20 MB/s左右，同時(shí)平均SINR也有較大幅度的提升，由之前的2～7提升至20以上。同時(shí)，與傳統(tǒng)8通道宏站相比，3D-MIMO站點(diǎn)各自的小區(qū)邊緣下行速率提升5至8倍，對(duì)用戶感知改善明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

由以上對(duì)比分析可知，3D-MIMO技術(shù)通過(guò)多天線空間覆蓋的方式增強(qiáng)了小區(qū)的覆蓋深度，利用高精波束降低了小區(qū)間干擾，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)覆蓋，其立體化空間特性還增強(qiáng)了頻譜利用，提升了用戶容量，很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)MIMO的不足，有效地提升了用戶在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上的優(yōu)秀體驗(yàn)感。在3D-MIMO技術(shù)帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，不得不正視其所存在的不足，如天線數(shù)量的增加使得受風(fēng)受力面加大，無(wú)形中增加了抱桿或者墻體安裝的施工成本，并存在更大的安全隱患。一個(gè)新興技術(shù)的創(chuàng)始之初總會(huì)有所缺陷，但是相信隨著技術(shù)的不斷完善也演進(jìn)，3D-MIMO會(huì)在這個(gè)高速信息時(shí)代大放異彩。

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