3D—MIMO技术测试验证研究

2017-06-10李德忠白波林琳

移动通信 2017年8期

关键词：吞吐量波束频谱

李德忠+白波+林琳

【摘要】3D-MIMO是4G+和5G的关键技术之一，为了给出3D-MIMO应用建议，介绍了3D-MIMO技术原理及试验基站的测试方法和结论，试验结论证实3D-MIMO技术能够显著提升小区边缘速率和吞吐量。

【关键词】3D-MIMO 小区边缘速率小区吞吐量

Study on the Test of 3D-MIMO

LI Dezhong， BAI Bo， LIN Lin

[Abstract]3D-MIMO is one of the key techniques of 4G+ and 5G. In order to present the suggestion on the application of 3D-MIMO， the technical principle of 3D-MIMO was introduced， as well as the testing method and conclusions were explained. Experimental results verify that 3D-MIMO technique can effectively enhance the rate and throughput in the cell edge.

[Key words]3D- MIMO cell edge rate cell throughput

1 3D-MIMO研究背景

随着4G网络的建设发展，城市热点区域内现有的频谱资源难以满足容量需求，独栋高层等特殊场景网络覆盖部署难度较大。3D-MIMO是4G+和5G的关键技术之一，通过使用类似雷达的天线阵列，可在水平和垂直两个维度动态调整信号方向，使信号能量更集中，方向更精准，支持更多用户在相同频谱资源上并行传输，从而达到提升小区吞吐量及边缘用户速率的效果。3D-MIMO设备由于通道数成倍增加，现网基站设备基带板卡无法支持，3D-MIMO設备是一种新的宏基站型态。

2 3D-MIMO技术原理

3D-MIMO基站配置的天线数目通常有几十、几百甚至几千根，是现有MIMO系统天线数目的1～2个数量级以上。3D-MIMO显著提高了系统的空间分辨率，能够深度挖掘空间维度资源，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力。它可以形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，构建高效通信系统。当基站天线数目远大于UE数目时，系统具有很高的空间自由度、抗干扰能力，提高了系统的鲁棒性能。

3D-MIMO技术的4G化应用，通过空间分集、空间复用和波束赋形等技术，增强基站覆盖能力、提升小区吞吐量、提高边缘用户速率。

传统的基站垂直波瓣较窄，在覆盖高层建筑时，只能覆盖到部分楼层。使用3D MIMO技术，在原有水平波束赋型基础上，增加垂直维度的波束赋型能力，实现三维BF效果，借助更窄的用户波束，全面提升多用户空分复用能力，垂直波宽可达35～40度。

3D-MIMO设备利用较强的下行波束赋型能力以及很好的上行解调能力，提升深度覆盖能力和高调制比例，从而进一步提升速率。

3D-MIMO设备利用多天线MU-MIMO技术，通过多个并行数据流传输，提高了频率利用效率。使网络能力从2流提升到16流，扩展网络能力空间，通过算法使普通商用终端进行复用配对，可提升频谱效率5～8倍。

3 3D-MIMO技术测试验证

3.1 测试场景

拟覆盖建筑为25层（100 m）独栋高层，建筑面积3×104 m2，楼层较高且内部屏蔽严重，10层～25层室内信号覆盖较弱，平均信号电平约-100 dBm。部署3D-MIMO天线于大楼前方，挂高30 m，距离覆盖大楼为240 m。

3.2 小区参数配置

128T128R总发射功率为40 W（46 dBm），带宽20 MHz，单载波，支持D3频段，支持典型的广播权值，支持TM3/8自适应传输，支持上下行多用户多流，下行支持16用户空分复用，上行支持4用户空分复用。

3.3 测试方法

测试内容分为以下条目：

（1）基础性能测试：包括接入性能测试、数据业务性能测试、CSFB业务和VoLTE业务性能测试。

按照以下选点原则，选取3个定点进行各项业务性能测试：

SINR：好点（SINR：15 dB～20 dB）、中点（SINR：5 dB～10 dB）、差点（SINR： -5 dB～0 dB）；

RSRP：近点（RSRP>-90 dBm）、中点（-105 dBm

（2）深度覆盖测试：按照站高、站间距以及目前楼层的高度，调整3D-MIMO上仰角度，对楼层进行全体覆盖测试。

（3）大容量测试：根据天馈半功率角特性，16部终端主要分布在空旷区域且天馈主瓣覆盖方向，进行大容量上行和下行测试。

3.4 测试结果

（1）3D-MIMO下行高话务承载能力。在3D MIMO小区覆盖下，16UE同时做下行业务，小区吞吐量稳定在660 Mbps左右，单用户下载速率稳定在40 Mbps，单载波吞吐率是普通8T8R小区6倍以上。

（2）3D-MIMO高楼覆盖能力：设备挂高30 m，试验小区与测试高层间距约240 m情况下可实现100 m高楼全覆盖，15～25楼层RSRP较8T8R小区平均提升9 dB～22 dB。

（3）3D-MIMO上行业务能力。在3D MIMO小区覆盖下，4UE同时做上行业务，单用户上传速率稳定在10 Mbps，小区吞吐量稳定在40 Mbps左右，接近理论峰值，较传统8T8R小区提升5倍以上。

（4）不同业务负荷对比测试显示性能增益与业务负荷关联较大。当忙时业务负荷超过50%时，上下行频谱效率增益均超过1倍，流量增益超过30%。业务负荷较低场景中，可配对用户数较少，频谱效率增益约为50%～80%，流量与8天线小区持平。

4 3D-MIMO技术应用建议

3D MIMO技术在原有水平波束赋型基础上，增加垂直维度的波束赋型能力，实现三维BF效果。垂直波宽可达35～40度，具备较强的下行波束赋型能力以及很好的上行解调能力，可用于城区高楼场景覆盖，解决高楼站址紧张，墙体穿透损耗大等问题，天线挂高在20 m～30 m，楼间距在200 m～300 m左右的情况下，可保证20～25层楼宇的室内覆盖。

3D-MIMO设备使用多天线MU-MIMO技术，使网络能力从2流提升至16流，扩展网络能力空间，通过算法使普通商用终端进行复用配对，可提升频谱效率5～8倍，用于话务较高的热点区域，提升系统容量。

3D-MIMO基站采用了64T64R技术，对射频模块、基带处理的要求大幅提高。目前初步分析综合成本约为8天线宏站的3.5倍。

综合考虑3D-MIMO基站的性价比，初期仅考虑在穷尽现有TD-LTE频率资源和技术手段仍难以满足覆盖和容量需求的特殊场景进行部署。具体如下：

（1）高层高流量商务楼宇。覆盖高层商务楼宇，应优先使用大张角天线进行覆蓋，如无法满足覆盖需求时，可应用3D-MIMO基站。

（2）高校宿舍区、密集广场、繁华路段等极端高流量区域。应优先使用载频扩容方案，在F/D频段全部部署仍无法满足容量需求时，可考虑应用3D-MIMO基站。

（3）重点室外活动区域保障。在人流量集中的大型室外活动区域通信保障时，可考虑应用3D-MIMO基站。

3D-MIMO组网方式与工程实施方式与传统基站基本一致。设备质量较传统基站增加约10 kg～15 kg，对于利旧存量站点，需要复核站址的承重能力。3D-MIMO单小区吞吐量较原有8T8R基站大幅提升，对基站传输带宽提出了更高要求，建议参考接入现网用户的测试结果，初期按照传统基站传输2倍考虑，后期根据实际容量增长情况逐步扩容。

5 结束语

高频段可实现大阵列天线小型化，适合工程部署，3D-MIMO天线建议部署在2.6 G及以上频段。

1.9 G及以下不适合工程部署。考虑到当前厂商3D-MIMO基站报价较高，初期暂不具备大规模组网条件，可以考虑在特殊场景进行覆盖增强、容量提升补点应用。随着3D-MIMO技术的不断演进，面向5G技术新空口及高频段的3D-MIMO技术势必会在运营商的蜂窝网络部署中占到一席之地。

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