对3D-MIMO天线技术应用的探讨

◆洪家振

对3D-MIMO天线技术应用的探讨

◆洪家振

(中通服咨询设计研究院有限公司 江苏 210019)

对3D-MIMO天线技术来说，通过对大规模阵列天线的集成，以多天线技术与空分复用技术为基础，能够完成三维精准波束赋形与多流多用户资源复用。在3D-MIMO天线技术支持下，能够保证网络容量大幅度提高，具备更加强大的深度覆盖能力，并有效减少系统感染，实现上网速率与用户感知的全方位提升。基于此本文将简述3D-MIMO天线技术的应用背景，并介绍了3D-MIMO天线技术的原理，最后以具体的实例分析3D-MIMO天线技术的应用效果。

3D-MIMO天线技术；天线阵列；波束赋形

0 前言

3D-MIMO除了能够对已有的TD-LTE进行增强以外，还有利于促使5G的容量与频率效率提高。3D-MIMO天线技术主要采用了二维天线阵列，能够避免受到传统天线只具备水平维度的影响，并可以在水平与垂直两个方面完成MIMO，从而让MIMO有更多的空间维度进行利用。此外，依托于3D-MIMO信道模形产生的信道传输参数和真实通信将保持良好相符性，能够促使多天线技术发展进一步提升，并获得更大成效，对促进天线通信系统性能提升有重要的意义。

1 3D-MIMO天线技术应用背景

在4G时代下，用户数量逐年增长，各种应用业务也飞速发展，但在城市很多小区与公共场所中将面临着越来越沉重的业务压力，对于这些流量热点区域来说，已经不能采取载波扩容解决问题。加之用户数量的大量增加，不仅会产生巨大的干扰，也将引起上行受限等问题。在LTE网络未来的发展过程中，需要探索更加有效的方法与手段，既要增加容量，还要进一步扩大覆盖面，并有效减少各种干扰[1]。而通过对3D-MIMO天线技术的应用，能够让上述目标得以实现，这是一种以MassiveMIMO为基础的新型天线覆盖技术，主要借助与雷达差不多的天线阵列，能够从水平与垂直等方向对信号作出相应的调整，从而有效集中已有的信号能量，并获得精准的方向，减少各小区之间形成的干扰。在应用3D-MIMO天线技术以后，有利于各用户在相同频谱资源上传输，实现了小区吞吐量与边缘用户速率的显著提升。

2 3D-MIM0技术原理概述

2.1 超宽垂直波瓣，提升覆盖能力

图1 3D-MIMO波束垂直方向倾角可调

3D-MIM0技术不仅能够对天线水平维度角度作出调节，还增加了垂直维度角度机制，能够对垂直维度作出释放，有效提升空间复用，获得更大的小区容量[2]。而传统MIMO技术仅仅可以作出平面信号传播，不同于传统MIMO基站，3D-MIMO基站能够将整个建筑覆盖在内，包括60°垂直范围和10-20°水平范围。通过对该技术的应用，有效解决了覆盖范围小的难题，促使小区边缘业务速率大幅度提升。具体情况如图1所示。

2.2 高精度波束赋形，减少系统干扰

波束赋形实现精度提升以后，能够有效减少为系统带来的干扰，在运用3D-MIMO天线技术以后，能够获得更加高精的三维波速，这不同于普通宏站赋形波束为邻区UE造成的干扰，不仅让波束宽度减少了50%，也有效实现了干扰的最大程度减少。在建设3D-MIMO基站以后，通过获得的高精波束，能够让覆盖变得更加精准，利用智能权值进行分区，同时让场馆得到精准覆盖，能够有效减少小区之间造成的干扰[3]。这样可以减少对站点的建设，节约资金的投入，可以对用户位置作立体的、全方位的追踪，尤其是能够让VIP区域得到有力保护，并实现对VIP用户的精准保护，具体如图2所示。

图2 3D-MIMO波束变窄示意图

2.3 多天线空分复用，提高频谱效率

不同于传统MIMO，3D-MIMO运用的天线模型也有较大变化，其数量有了很大提升。因为对波束的窄化，在空间资源不变的情况下，能够让空间复用变得简单，并有效提升了能够复用的流数[4]。对普通宏站的下行2流空分复用下来，在运用3D-MIMO天线技术以后，能够获得下行8-16流的空分复用和上行4-8流的空分复用，以此扩展了小区容量，并实现了频率效率的提高。具体情况如图3所示。

图3 3D-MIMO空分复用增强示意图

3 3D-MIMO天线技术应用实例分析

3.1 试点概况

小区A、小区B和小区C位于城市交通枢纽旁，周边有很多的酒店与公共场所，不仅有巨大的人流量，同时也有庞大数量的移动上网用户。为提升小区容量和覆盖范围，保证每个用户的正常上网需求，先选择应用D-MIMO天线技术，在基站设备D-MIMO改造结束后，得出网络指标对比，具体情况与效果将在后文阐述。

3.2 下行性能测试结果

主要采取单UE测试方式，因为改造之前这三个小区是载波聚合小区，而改造后成单小区，则在完成改造以后，单小区用户数量增加了一倍。表1、表2分别为下行性能与上行性能的测试结果。

表1 下行性能测试结果

表2 上行性能测试结果

3.3 流量和用户感知增益

通过在小区A、小区B和小区C中应用3D-MIMO天线技术，下行流量和上行流量一共为29.95GB，增长幅度为21.69个百分点；小区中用户数平均增长26.58个，增长幅度为8.13%个百分点。由此可见，通过对3D-MIMO天线技术的应用，实现了系统容量的大幅度提升。上行用户体验速率与下行用户体验速率分别增长了0.79Mbps和5.87Mbps，用户感知得到了有效增强。

4 结语

总之，通过对3D-MIMO天线技术的应用，不仅可以将高频率资源空间充分挖掘出来，实现频谱效率的有效提升，还能切实增强用户的体验，有利于解决话务热点相关问题，呈现出良好的应用应用前景。在3D-MIMO天线技术深入应用过程中，我们应该继续加大探索与研究力度，确保尽快形成商务部署能力，为4G技术朝着5G技术的不断演进奠定良好的基础。

[1]黄晓栋，王锐.3D-MIMO技术应用研究[J].电信技术，2017.

[2]李德忠，白波，林琳.3D-MIMO技术测试验证研究[J].移动通信，2017.

[3]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.

[4]张彬，温正阳.3D-MIMO技术在后LTE时代中的应用[J].移动通信，2015.