3D-MIMO技术原理与应用

帅农村，钟柱明

（中国移动通信集团广东有限公司东莞分公司，广东 东莞 523129）

1 引言

随着4G网络的不断完善，4G用户渗透率不断上升，4G流量呈现爆炸性增长。为争取更大的市场份额，移动市场竞争形势不断加剧，运营商将不断推出各种不限流量套餐，可以预见，未来4G网络流量还将保持快速增长的趋势。快速增长的流量，会给4G无线网络的容量带来巨大的挑战，如何快速提升网络容量，同时降低干扰水平是目前急需解决的问题。针对容量问题，通常会采用直接软硬件扩容、小区分裂、新建基站等方式来解决。但对于高负荷和高密度站点的场景，扩容和站点加密会进一步引入干扰问题。本文从3D-MIMO波束赋形原理，以及多流复用理论出发推导，证明3D-MIMO技术是一种能够快速有效解决网络容量问题和有效降低干扰水平的技术手段，研究了下行多用户空间复用中用于提升单用户速率的解决方案，并系统性地提出3D-MIMO网络规划原则，该原则在现网已得到充分的验证，具有较高的实用价值。

2 3D-MIMO技术原理

2.1 3D-MIMO覆盖提升和干扰降低原理

3D-MIMO与8T8R天线结构对比如图1所示：

图1 3D-MIMO与8T8R天线结构对比（D频段）

当前TD-LTE网络一般采用8T8R的天线，在8T8R的天线结构下，一个水平排列的所有阵子只有一个物理端口与其对应，所有阵子作为一个整体进行信号传输，因此无法对一个水平排列的所有阵子进行独立加权，导致基站无法在垂直维度实现针对业务的动态优化，没有垂直维能力。随着数据流量的不断攀升，网络干扰增大，迫切需要天线架构具备更精准的波束赋形能力。3D-MIMO系统赋予每个阵元单独调节电流和相位的能力，天线（64T64R）水平方向的物理通道数增加到16个，垂直方向的物理通道数增加到4个。

3D-MIMO天线架构具备垂直维度赋型能力，从图2可以看出，3D-MIMO垂直维覆盖角度约33°，8T8R垂直维覆盖角度约6°，3D-MIMO垂直覆盖能力相比8T8R大幅提升，因而3D-MIMO垂直维的波束赋型可以直接覆盖高楼层。

除了垂直覆盖的提升，与8T8R相比，3D-MIMO系统的波束赋形能力也得到大大增强。波束赋形技术具体实现方式为对多个天线输出信号进行相位加权，基站信号在用户方向形成同相叠加，而在其他方向形成相位抵消，降低用户间干扰，提高接收端的信噪比，提升系统的性能。如图3所示，未使用波束赋形时，波束形状、能量强弱位置是固定的，对于叠加减弱点用户，如果处于小区边缘，信号强度低。使用波束赋形后，通过对信号加权，调整各天线振子的发射功率和相位，可改变波束形状，使主瓣对准用户，信号强度提高。

图2 3D-MIMO（左）和8T8R（右）天线垂直方向图

图3 波束赋形干涉示意图

如图1中3D-MIMO天线结构所示，天线阵列水平阵元之间和垂直阵元之间有固定大小的间距，根据无线信号平面波传输理论，同一个时刻不同天线阵元发射的信号存在相位差。假设是水平方向角，θ是波束的垂直方向角。对于(φ,θ)的方向发射的波束，则各阵元 形 成 的 相 位 记 为假 设 发射信号为S(t)，经过的各阵子的空间信道冲激响应为，用户终端m收到的信号为Y(t)（其中N为阵子数量）：

若为了使接收端的信号等幅同相，则需要对发射信号进行波束赋形，假设S'(t)=S(t)×W，其中W为加权向量，则矩阵中的每一个值对应每一个天线阵元。

经过加权的信号经过信道后得到的信号为，可以表示为：

其中1N表示第N个1，从公式(3)可以看到，波束赋形的加权使最终业务信号呈现一定的方向性，从而达到调整波束的宽度和方向的目的。以4天线为例，实际产品的加权如图4所示：

图4 信号加权示意图

而3D-MIMO（64T64R）基站天线数量增加，使得发射信号在加权时可调整的权值自由度更大，即W中的元素更多，最终得到的PDSCH波束更窄，因此波束上的能量更加集中，波束对准的用户可以获得更大的下行信号强度，提升波束赋形用户的下行信噪比，可以大幅降低下行发射对邻区UE产生的干扰。

2.2 3D-MIMO基于多流复用提升系统容量

3D-MIMO多流空分复用技术如图5所示。

香农理论给出了通信系统可获得的性能边界。根据香农理论，任何通信链路存在一个容量或传输速率界限。

Foschini[1]和Telatar[2]基于香农容量理论，推导了无线网络MIMO容量的表达方式：

其中Nt为系统发射天线数，Nr为系统接收天线数，INr为接收天线受到的干扰。

图5 3D-MIMO多流空分复用技术

从公式(5)可以看出，最高容量与基站天线和用户数量直接相关。通信系统的发射或者接收天线数越大，系统容量C越大。

在实际产品中，对于下行传输，基站首先基于UE上行反馈的SRS信息，利用TDD上下行信道的互易性，生成下行多用户配对数据流的波束赋形权值，然后利用权值分别对每个用户的下行数据流和DM-RS进行加权，经基站天线端口下发，这就是下行多用户。

而对于上行传输，首先通过调度判断配对用户之间的空间相关性是否满足条件，满足条件的用户进行配对，配对成功的用户使用同样的时频资源发送数据，经过各自的信道到达接收天线。3D-MIMO译码器通过对各天线上的信号进行空间相关性提取，获得上行多用户接收信号权值，对占用相同时频资源的用户进行加权合并运算，并对这些用户进行多用户检测，这就是上行多用户虚拟3D-MIMO加权合并算法。

如公式(5)所示，随着接收天线数大大增加，天线自由度更多，对于用户的下行或上行信号加权维度更多，用户之间信号分辨率更大，可以支撑更多用户复用相同时频资源进行传输，提升小区的下行和上行频谱效率。

综上所述，理论上3D-MIMO（64T64R）一方面可以带来相对于传统天线更强的波束赋形增益，具有更强的干扰抑制能力，另一方面，更强的多用户空间复用能力，极大地提升了系统的容量，3D-MIMO能够快速有效降低干扰水平和有效解决网络容量问题。

3 3D-MIMO技术应用

3.1 3D-MIMO传输模式配置

在3D-MIMO下行多用户空间复用方案具体实施过程中，对LTE不同的下行波束赋形传输技术进行了分析、验证。

目前LTE下行波束赋形传输模式有：传输模式7（TM7），单流波束赋形；传输模式8（TM8），单、双流波束赋形。由于TM7信道估计训练序列的正交性在多层配对时优于TM8，所以在配对层数为4层以上时，TM7多用户配对性能明显优于TM8。根据外场实际测试结果，3D-MIMO 16用户峰值测试下，TM7速率可达到650 Mbit/s，而TM8仅能达到520 Mbit/s。

在3D-MIMO基站下，为保证重载站点忙时的小区整体下行容量，最大化小区性能，目前建议将重载3D-MIMO站点的下行传输模式配置为TM7。但对每子帧调度用户数不多的站点，最优的传输方式配置方式建议配置为TM8，允许用户进行双流MU-BF，既保证了小区整体下行容量也不会导致用户感知速率下降。

为了得到最优化的TM8双流性能，需要UE支持上行天线选择性发送SRS功能，使得下行波束赋形更加精准。根据天选UE与非天选UE在TM8双流配对时外场实测性能对比数据，天选UE可获得40%～90%的下行容量增益。预计2018年内中高端手机都会支持上行天线选择性发送，建议在2018年内将重载的3D-MIMO站点的传输模式配置为TM8，以获得更佳的用户下载速率。

3.2 3D-MIMO基站规划原则

针对3D-MIMO的快速提升容量和降低干扰水平的特性，3D-MIMO基站规划原则如下：

（1）部署原则：主要针对容量不足场景，经D3扩容或者预测D3扩容后容量仍然不足以支撑业务发展区域。

（2）部署方式：采用替换原有D频段基站的方式。

（3）部署场景：基于地理、用户分布和业务特征，3D-MIMO建议部署如表1所示的五种典型场景：

表1 3D-MIMO建议部署场景

3.3 3D-MIMO现网应用情况

（1）工业区大话务场景

东莞新民兴盛路基站，周边是工业区，人口密集。此种场景业务特征表现为4G网络下行高流量，用户密度高导致4G网络下行容量受限。改造方式为将原普通D频段基站替换为3D-MIMO基站。3D-MIMO基站开通后，东莞新民兴盛路基站小区忙时流量提升2.6倍，充分发挥了3D-MIMO高容量的特性，释放了因网络容量不足压抑的网络流量。效果如图6所示。

（2） 高层住宅区高干扰场景

东莞锦绣山河基站覆盖的是东莞高端楼盘锦绣山河，锦绣山河住宅楼都是高层楼宇。此种场景业务特征表现为高层用户由于干扰大导致VoLTE无法通话，用户投诉较多。改造方式为将原普通D频段基站替换为3D-MIMO基站。3D-MIMO基站开通后，利用其灵活垂直波束赋型特点，针对该站点进行高层覆盖调整，改造后该站VoLTE上行丢包率下降1/2，实现用户投诉闭环处理。效果如图7所示。

3.4 3D-MIMO工程实施相关问题分析及解决建议

3D-MIMO基站在现网应用表现了良好的效果，但在工程实施过程中还存在以下两大问题：

（1）3D-MIMO基站天线宽度大导致安装受限的问题

问题描述：3D-MIMO基站采用64T64R，基站天线宽度达到820 mm。城区基站因为考虑和环境的协调，一般安装在美化外罩中，3D-MIMO基站天线宽度大，导致美化外罩站点无法安装，限制了3D-MIMO技术的应用。

图6 工业区场景图和应用效果

图7 高层住宅区场景图和应用效果

解决建议：考虑3D-MIMO小型化发展，即开发32T32R产品，提高工程的可实施性。

（2）传输接入容量不足影响3D-MIMO高容量特性充分发挥的问题

问题描述：3D-MIMO基站传输带宽要求高，厂家目前配置了GE口和10GE口两种传输接口。现有的传输网络中，10GE口主要用于组建传输环，3D-MIMO基站10GE传输接入实现难度较大。

解决建议：经核算，2 G E传输带宽已可满足3D-MIMO基站3/3/3配置下的传输接入需求，为此建议3D-MIMO基站标配2GE口，满足传输接入需求，使得3D-MIMO高容量特性充分发挥。

4 结论

从前文论述的3D-MIMO技术原理可以看出，一方面，3D-MIMO基站天线数量多，发射信号的权值调整自由度更大，使得PDSCH波束更窄，从而波束上的能量更加集中，波束对准的用户可以获得更强的网络覆盖和更低的网络干扰。另一方面，随着3D-MIMO接收天线数大大增加，对于用户的下行或上行信号加权维度更多，用户之间信号分辨率更大，可以支撑更多用户复用相同时频资源进行传输，从而大幅提升基站容量。现网实际应用情况也表明，3D-MIMO技术在快速提升4G网络容量和降低高层干扰等方面发挥了积极的作用，有效提升了客户感知。但是由于3D-MIMO基站天线宽度大和传输接入带宽要求高等因素，导致不少场景工程实施受限，建议厂家后续对设备小型化和传输接口配置进行优化，相信3D-MIMO技术在现网应用中可以发挥更大的作用。