基于3D MIMO解决高价值场景网络覆盖和容量的方法

邓萌，谢武胜，马文，张衡

(1 中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆 401147；2 中国移动通信集团重庆有限公司，重庆 408100)

随着TD-LTE业务的迅猛发展，TD-LTE用户数和用户DOU指数快速成倍增长。同时，带来了网络运营和建设的两大新挑战：一方面、网络未来流量需求巨大，热点更热；另一方面、用户体验要求不断提高，使得网络覆盖和用户上下行体验需同步不断改善。因此，为应对如此的网络发展和建设要求，尤其是在高价值业务场景下，需要天面具有更强的波束赋型能力，覆盖提升，干扰更小。同时在终端不需要改动的情况下，全面提升现网频谱效率能力，提升容量、降低运营商建网要求，降低综合TCO。

1 当前现状分析

随着TD-LTE用户数量的不断攀升和数据流量资费的不断下降，高价值场景下网络的覆盖和容量存在如下需求有待解决。

1.1 对高层建筑室内覆盖难度增大

数据业务的70%～80%发生在室内，高层建筑的室内覆盖采用传统室分系统进行解决，覆盖效果比较好，但也具有准入和部署成本高、工程量大、工期长、后期的维护费用高等弊端。有鉴于此，通过室外覆盖室内，成为室内覆盖的一个补充方案。

1.2 覆盖区域内的电平覆盖要求提高

在广播覆盖区域内，以VoLTE为代表的无线业务，对于覆盖边缘的RSRP电平和SINR，相比数据业务有更高的要求（小区边缘RSRP≥-110 dBm，RSSINR≥-3 dB），普通8通道天线，在波束的广播覆盖、信噪比，业务赋形增益和接收增益略有不足，不利于覆盖边缘的VoLTE业务的用户感知。

1.3 广播覆盖的灵活性要求提高

对于忙时用户数较多、闲时用户数较少的潮汐场景，需满足忙时具有良好的无线覆盖，闲时仅有基本的无线覆盖即可。这种场景下，需可以根据覆盖场景的实际话务量的需求，进行不同载波的广播覆盖权值的自适应调整，来满足业务量迁移的场景要求。

1.4 覆盖区域大量数据业务的需求增加

热点小区忙时业务吞吐量逐步提高，部分高热小区通过单纯叠加载波，已经不能满足业务增长的需求，需要通过提升频谱效率的技术来满足需求。

2 3D MIMO技术

3D MIMO作为频谱效率提升的主要技术，在传统水平面波束覆盖基础上，通过使用类似雷达的天线阵列，增加了垂直面的波束覆盖能力，可以有效控制波束在水平和垂直两个维度进行覆盖，使信号能量更集中，方向更精准，增强空域复用和抗干扰能力。相比普通天线，3D MIMO技术能够提供水平角度和垂直角度更为灵活的波束覆盖和更强的MUMIMO能力，同时波束赋形增益显著增加，干扰也会大大降低，整个系统中UE的SINR会大大提高。因此相对传统MIMO技术，3D MIMO能够支持更多用户在相同频谱资源上并行传输，更充分的发挥MIMO技术优势，大幅度提升小区吞吐量及小区边缘数率，提升用户感知。

本文将通过在高价值特殊场景中应用3D MIMO技术进行对比验证，表明3D MIMO能够很好的解决高价值场景下网络容量及深度覆盖问题，并投资可行。

3 基于3D MIMO解决高价值特殊场景网络覆盖和容量的方法验证

3.1 验证的环境条件

选定某主流硬件主设备厂家3D MIMO天线一体化设备，软件功能可以读取广播权值，垂直和水平广播波束可配置。设置核心网白名单，使得非测试终端无法接入3D MIMO验证小区；选点原则：近点（RSRP＞-90 dBm）、中点（-105 dBm＜RSRP＜-100 dBm）和远点（RSRP＜-110 dBm）。

表1 验证环境的设备网络设置

网络配置需要满足表1中的要求。

3.2 高层建筑覆盖验证

3.2.1 场景说明

选取某运营商在某区县的广电中心大楼站点。该建筑相对周边地势较高，楼宇高100 m左右，大楼内没有室分覆盖，室内均占用室外宏站信号。主覆盖小区为A市移动大楼-ZLH_1小区，方位角350°，下倾角为10°，A市移动大楼-ZLH基站距离广电中心大楼150 m左右，站高约25 m，且相对地势较低，站点环境及周边基站分布如图1所示。

如此地理环境导致广电大楼高层覆盖较差，现场测试，大楼左侧以及高层信号较差，RSRP均值在-100 dBm左右，15楼以上基本无TD-LTE信号。

3.2.2 验证效果

增加3D MIMO之后，大楼覆盖明显改善，RSRP均值提升至-88 dBm，之前无信号区域的RSRP提升至-100 dBm左右站点。CSFB和VoLTE语音通话测试，各拨打70次，全部接通无掉话。发起5次eSRVCC切换验证，主被叫共发起10次eSRVCC切换，10次均切换成功。通过分别选取在传统TD-LTE站点和3D MIMO站点的RSRP低于-110 dBm的远点验证下载速率时，边缘速率最大提升了近9倍，测试情况如表2所示。

图1 验证站点及其周边情况

表2 边缘速率验证

据以上验证数据可以得知，3D MIMO能很好的解决高层建筑的覆盖问题，能保障VoLTE等基本业务开展，提升边缘用户的感知。

3.3 高业务量场景验证

3.3.1 场景说明

选取某运营商在某师范学院的站点。该站点属于高校业务热点区域，且在教室和宿舍区域有潮汐业务，楼宇平均高度均在30 m左右，区域内没有室分覆盖，室内均占用室外宏站信号。主覆盖站点为A市师范学院站点，该站两个小区分别覆盖宿舍区和教学区，两个小区均已配置F频段，D1频段和D2频段，其余最近TD-LTE基站距离师范学院站点约300 m左右，且相对地势较低，站点环境及周边基站分布如图2所示。

3.3.2 验证效果

增加3D MIMO之后，TD-LTE终端同时接入FTP业务（非灌包测试），每部终端平均下载速率39 Mbit/s左右，单小区下行总吞吐量峰值321 Mbit/s，单小区下行吞吐量较理论值提升近3倍。小区上行总速率峰值37 Mbit/s，单用户上行速率较理论值提升近4倍，大大提升了单用户感知速率，其它指标如表3所示。

据以上验证数据可以得知，3D MIMO能很好的解决高业务量场景下的容量问题，提升客户上下行业务感知和频谱效率。

4 投资分析对比

3D MIMO都主要用于业务热点的高价值区域，该部分区域均属于站址协调难度较大的地方，通过在高价值区域使用3D MIMO，可以有效节约站址资源投资，如表4所示，在1：3站址情况下的投资成本对比，3D MIMO节约近4万元。

按当前某运营商流量单价0.29元/MB、高价值区域单站日均流量6 GB预估计算，约半年就收回3D MIMO投资成本。

图2 验证站点及其周边情况

表3 主要其它指标

表4 投资分析

5 对于3D MIMO使用建议

针对以上实际使用效果验证和投资对比分析可知，3D MIMO可在高价值业务区域进行因地制宜的使用。

满足城区高业务场景（如商圈、高校等）的容量提升，保障数据业务爆炸性增长，在新建站址越来越难的现状下，存量网络的频谱效率可大幅度提升。

满足高楼覆盖场景需求。利用3D MIMO更大垂直方向角，解决高层因站址紧张及墙体穿损大等引起的覆盖问题。

满足上行体验提升场景需求。上行体验提升，网络快速发展，VoLTE，视频上传，企业等新市场诉求，多天线接收增益有效改善网络上行能力。

6 结束语

对于基于3D MIMO技术解决高价值场景网络覆盖和容量的验证和投资对比，表明该方法是一种行之有效的解决方法，最大化利用好现有TD-LTE网络资源，发挥频谱资源效能，可在后期工程中推广试用。

[1] 刘鹏，解伟. 某市3D-MIMO试点方案解析[J]. 电信工程技术与标准化, 2016(9).

[2] 邓萌, 马文. TD-LTE单模反向升级为双模基站解决网络分流的应用[J]. 电信技术, 2015(1):90-93.