高阶MIMO实验验证及商用分析

詹文浩+戴国华

【摘 要】高阶MIMO的应用将极大提高4.5G系统的频谱效率，增强覆盖，提高用户的体验速率，为了对高阶MIMO进行研究，首先介绍其发展状况，通过测试得出了高阶MIMO在单站覆盖、定点速率和路測上的增益，并且比较了不同传输模式下的下行速率，验证了高阶MIMO对现有网络的提升。最后通过分析高阶MIMO对网络和终端的影响，总结了高阶MIMO的商用前景和发展方向。

高阶MIMO 单站覆盖 定点速率

1 引言

由于当前4G网络在速度、容量和应用体验等方面存在局限，而5G的网络预计也要到2020年后才会商用，因此3GPP定义了LTE-Advanced Pro（即4.5G）作为4G和5G之间承上启下的新标准。4.5G作为LTE系统演进的必然方向，未来也将与5G系统长期共存。

在业界的宣传当中，一般认为4.5G在eMBB场景下的关键技术主要包括：增强载波聚合技术（三载波或以上的聚合）、高阶多天线技术（高阶MIMO，FDD下行4×4 MIMO或以上、TDD下行8×8 MIMO或以上）、高阶调制技术（下行256QAM/上行64QAM）、授权频谱辅助接入（LAA，Licensed-Assisted Access）。其中高阶MIMO的应用将极大提高4.5G系统的频谱效率，增强覆盖，提高用户的体验速率。本文将介绍FDD下行4×4 MIMO在现网上的实验验证情况，分析其商业部署的前景，并探讨将会遇到的网络和终端升级的问题。

2 FDD下行4×4 MIMO实验验证

中国电信联合华为公司和高通公司在深圳对FDD下行4×4 MIMO技术开展了现网测试，测试频段为1.8 GHz，带宽均为15 MHz，传输模式默认为TM4。测试基站支持2天线发射或4天线发射，测试终端支持2天线或4天线接收。

2.1 单站覆盖增益测试

单站的情况下，因为每根天线发射的功率相同，4天线发射的发射功率相比2天线发射增加一倍。在覆盖边缘区域，4×4 MIMO相比现有的2×2 MIMO还会有分集的增益。

针对室外覆盖的场景，在覆盖边缘区域下三种MIMO类型的测试结果如图1所示。

以接收功率-120 dBm作为小区覆盖的边缘，此时2×2 MIMO的速率约为7 Mbit/s，4×2 MIMO的速率约为12 Mbit/s，4×4 MIMO的速率约为18 Mbit/s。4×2 MIMO相比2×2 MIMO有71%的增益，4×4 MIMO相比2×2 MIMO增益为157%。如果以10 Mbit/s作为小区边缘的参考速率，则4×2 MIMO相比2×2 MIMO的覆盖有7 dB的增益，4×4MIMO在覆盖上的增益会更大。

测试结果表明，4×4 MIMO可极大地增加单站的覆盖，对于用户数不大、流量需求不高的边远地区，使用4×4 MIMO可以减少基站的数量。

2.2 定点增益测试

定点的测试主要分为近点、中点和远点。在近点，信道条件较好，终端可达到较高的接收功率和SINR，再通过基站配置来减少干扰。测试三种MIMO类型的峰值速率结果如图2所示：

对两组测试结果进行平均，4×4 MIMO的峰值速率可达到208.8 Mbit/s，2×2 MIMO和4×2 MIMO分别能达到107.7 Mbit/s和104.6 Mbit/s的速率。4×4 MIMO相比2×2 MIMO的峰值速率有94%的增益。因为近点信道条件较好，4×2 MIMO与2×2 MIMO配置下终端上报的RI值都为2，但由于4天线发射时导频开销较大，因此4×2 MIMO反而会有一定的负增益。

实验中选定SINR值约为10 dB的点为中点，SINR值约为0 dB的点为远点，各选取了12个点进行测试，在中远点三种MIMO类型定点测试结果如图3所示。

4×2 MIMO相比2×2 MIMO在中点的增益为10%到50%，在远点能达到50%到100%的增益。4×4 MIMO相比2×2 MIMO在中点的增益为100%到150%，在远点能达到150%到350%的增益。

测试结果表明，4×4 MIMO对定点的速率有很大的提升，在信道条件越差的情况下，4×4 MIMO的速率增益越大，在远点时的速率提升最为明显。

2.3 路测增益测试

路测可以很好地反应在终端移动的场景下网络的整体情况，终端遍历测试小区内的所有特征点，三种MIMO类型的路测结果如图4所示。

按照50%的概率，2×2 MIMO的速率为39 Mbit/s，4×2 MIMO的速率为42.5 Mbit/s，相比2×2 MIMO增益为8.9%。4×4 MIMO的速率为60.1 Mbit/s，相比2×2 MIMO增益为54%。

在移动的场景下，4×2 MIMO的增益并不明显，4×4 MIMO仍有较大增益，但相对于定点的增益要小很多。在移动场景下，无线环境变化更快，信道估计更加困难，4×4 MIMO对终端的信道估计的能力要求更高，因此对速率会有一定的影响。

2.4 TM9对比TM4测试

在3GPP Rel-10版本加入了TM9发送模式，使得LTE系统最多能支持8×8 MIMO。TM9引入了CSI-RS实现对CSI信号的反馈，同时使用DMRS和CRS实现对下行信号的相干解调和小区信号测量的反馈，多种参考信号的使用可以更准确地反馈信道信息，提高参考信号的利用效率，降低多天线发射时参考信号的开销。但在实际使用中，为了兼容R8/R9版本的终端，在使用TM9时，需要保持原有的CRS结构，并且额外增加CSI-RS和DMRS，反而增加了参考信号的开销。4×4 MIMO下TM9和TM4模式路测结果如图5所示：

3 下行4×4 MIMO网络和终端实现分析

通过实验数据，可以看出下行4×4 MIMO对网络覆盖、网络容量、峰值速率和用户的使用速率都有较大的提升。在信道条件越差的区域，4×4 MIMO的速率增益越加明显。4×4 MIMO作为4.5G关键技术，受到了许多运营商的关注。目前全球已经有超过20个国家部署了4×4 MIMO的商用或测试网络，并且已经有部分高端的终端能够支持4×4 MIMO的技术。

3.1 4×4 MIMO网络部署及影响

相比原来LTE的基站，4×4 MIMO的基站最大的不同在于发射天线从2根变为4根，RRU数量翻倍。在实际部署当中，可以在原LTE基站上新增RRU，采用双拼的方案将2天线升级为4天线。对于新建的基站，也可采用一体化的天线方案，直接部署4天线发射支持4×4 MIMO。支持4×4 MIMO的基站相比原LTE基站在成本上将会有不小的增加，但与此同时，4天线发射的基站对于覆盖有很大的增强，在一些用户和流量并不密集的区域可以减少基站的建设。

3.2 终端实现4×4 MIMO的难点

相比于基站侧，4×4 MIMO对终端的影响将更大，终端不但需要考虑成本问题，还需要更多地考虑设计和空间的问题。目前包括三星、华为在内的一些终端厂商均有商用终端支持4×4 MIMO，但都只限于旗舰机型，预计今年还会有多款的终端可支持4×4 MIMO。

终端要支持4×4 MIMO，基带芯片、射频和天线是关键。目前高通、海思、MTK等芯片厂商的主流芯片均能支持4×4 MIMO甚至是多载波聚合下的4×4 MIMO，基带芯片已经不成为瓶颈。但射频与天线成为影响终端支持4×4 MIMO的主要因素。天线尺寸受波长影响，频率越低，需要越大尺寸的天线，因此在低频段需要的天线尺寸过大，受终端空间的限制，终端很难支持低频段的4×4 MIMO。终端天线个数的增加还意味着射频前端的数量也需要增加，随之带来的是终端成本的增加、终端内部空间的愈发紧张以及终端的功耗的提高等问题。

4 高阶MIMO商用发展分析

4×4 MIMO的商用需要网络和终端同步的促进和推动，若只有网络支持4天线发射，对于整体的容量和速率并没有很大的增益；若只有终端支持4天线接收，终端也只能单纯地提高接收的功率。这导致网络和终端支持4×4 MIMO所付出的代价并不划算。因此在目前4×4 MIMO商用的前期，需要网络和终端厂商的共同支持，才能让4×4 MIMO系统能发挥最大的效益。

LTE在协议上最多能支持8×8 MIMO，但目前使用LTE的频段多局限于3 GHz以下的频段，在这些频段内天线尺寸依旧较大，在终端在要布置8天线接收难度很大，因此预计在LTE上终端4天线接收会是极限。基站上布置8天线发射形成8×4 MIMO的模式，利用多用户MIMO技术实现网络整体容量的进一步提升也将是LTE阶段MIMO演进的一种形式。但8天线发射的基站带来的功率和改造上的挑战也较大，现有的LTE基站将可能大部分无法通过升级改造来达到，因此目前尚没有厂家对支持8天线发射基站有明确的规划。从目前看来，4×4 MIMO将会是LTE系统发展的必然方向以及未来LTE系统的主流配置，通过4×4 MIMO、增强型载波技术和下行256QAM等技术的融合，LTE系统可达到Gbit/s级的下行传输，基本满足了LTE-Advanced对于速率的要求。

5 结束语

本文介绍了FDD下行4×4 MIMO的实验验证情况，分析了网络和终端实现4×4 MIMO的难点及未来高阶MIMO商用的发展前景，从单站覆盖、定点速率和路测等方面对4×4 MIMO的性能进行了测试，测试表明，4×4 MIMO对网络覆盖和用户速率都有极大的提升。从技术实现的角度来看，4×4 MIMO对终端和基站都提出了更高的要求，但覆盖能力的提升有利于提高网络部署的灵活度。未来4×4 MIMO作为LTE-Advanced的关键技术将可能成为运营商LTE系统长期的主流配置。

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