3D MIMO技术在TD-LTE商用网络中的应用比较研究

贺广龙，梁万园，黄开莉，刘曾怡,3

(1 中国移动通信集团四川有限公司成都分公司，成都 610041；2 中国移动通信集团四川有限公司，成都 610000；3 四川大学，成都 610064）

伴随着移动互联网业务的快速发展，互联网和通信用户的使用习惯及生活方式正在发生深刻的变化。业务对无线通信网络“更大的带宽，更深的覆盖，更快的接入”的诉求从未降低。3D MIMO利用了二维大规模阵列MIMO天线和先进的信号处理算法，打破了传统MIMO天线的赋型限制，可实现水平和垂直方向上精确的三维波束成形，实现更好的干扰抑制和空间多用户复用的能力，是提升系统容量和传输效率的有效手段，成为4G演进和5G的核心技术。

1 3D MIMO技术

无线通信的迅速发展对系统的容量和频谱效率提出了越来越高的要求。为此各种提高系统容量和频谱效率的技术应运而生，MIMO是一种成倍提升系统频谱效率的技术。MIMO技术能够通过信号处理技术提高无线链路传输的可靠性和信号质量，不仅可以提升系统容量和覆盖，还可以带来更高的用户速率和更优质的用户体验；MIMO技术可以带来功率增益、复用增益、分集增益和阵列增益。

1.1 商用TD-LTE网络MIMO技术

为了满足TD-LTE频谱效率的需求，商用TDLTE网络上行和下行支持的主要MIMO方案如下。

1.1.1 常规下行MIMO技术

（1）开环与闭环：根据UE是否反馈预编码矩阵索引PMI（Precoding Matrix Indication）信息以供eNode B下行数据发射使用，LTE中的下行MIMO方案分为开环MIMO和闭环MIMO。其中，开环MIMO不需要UE反馈PMI，而闭环MIMO需要UE反馈PMI。

（2）发射分集与空间复用：根据在相同时频资源块上多根天线同时传输独立的空间数据流个数，LTE中的下行MIMO方案分为发射分集方案和空间复用方案。其中，发射分集方案同时传输的独立的空间数据流个数只能为1（Rank1），而空间复用方案同时传输的独立的空间数据流个数可以大于或等于1（Rank2）。开环与闭环、发射分集与空间复用的划分可以综合起来，将LTE下行MIMO方案分为4种，即开环发射分集、闭环发射分集、开环空间复用和闭环空间复用。

（3）单用户与多用户：根据在相同时频资源块上同时传输的多个空间数据流是发送至或接收自一个用户还是多个用户，LTE中的下行MIMO方案分为单用户MIMO和多用户MIMO。其中，单用户MIMO的空间数据流属于同一个用户，而多用户MIMO的空间数据流属于多个用户。

1.1.2 TDD下行MIMO波束赋型技术

波束赋型（Beamforming）特性从3GPP R8协议定义，是下行多天线技术的一种。不同于FDD系统上下行使用不同频率，TDD系统上下行频率相同，因此可以依据上行信道信息估计下行信道。在实际部署过程中TDD eNode B对PDSCH（Physical Downlink Shared Channel）下行信号进行加权，形成对准UE的窄波束，将发射能量对准目标UE，从而提高目标UE的解调信噪比，改善小区边缘用户体验。

1.1.3 多用户上行MIMO（UL CoMP）技术

由于目前市场中超97%的终端使用R8和R9标准进行开发，其使用单天线上行发射，不涉及空间复用，因此单用户上行MIMO在现实场景中未大量应用。由于eNode B具有多根独立接收天线，可采用接收合并技术，上行MIMO技术为多用户MIMO，又称为UL CoMP技术；该技术利用邻区的天线对UE的发送信号进行联合接收。

1.2 3D MIMO天线原理

由于常规天线振子大小与频段相关，大部分商用TD-LTE系统eNode B使用8T8R天线。8T8R Beamforming形成的窄波束在水平方向跟随目标UE调整方向，使目标UE获得较高SINR。但在垂直方向上，窄波束的指向不能智能改变，无法满足较为复杂的立体覆盖及高容量场景需求。

3D MIMO技术使用阵列天线，商用产品是64×64阵列，增加了垂直维度的逻辑天线数，进而实现了垂直面的波束赋型，即三维波束赋型（3D BF）。通过3D BF，eNode B对PDSCH下行信号进行水平方向和垂直方向用户级波束加权，提升不同方位UE的接收SINR。在3D MIMO应用后，天线赋型的窄波束在水平方向和垂直方向都能随着目标UE的位置进行调整，始终对准目标UE，从而使目标UE获得更高的SINR，抬升信道质量。

eNode B根据配对条件决定配对UE以及每个UE发送的下行数据流数，然后根据迫零准则为对应的下行数据数流生成正交权值。eNode B利用这些正交权值分别对每个下行数据流的数据符号与DRS（Dedicated Reference Signal）符号进行加权，经过加权的符号合并后从eNode B天线端口发送出去，实现在同一个时频资源上传多个下行数据流，从而提高下行传输的频谱效率。

2 3D MIMO部署及验证

2.1 现场部署实施

2.1.1 3D MIMO部署场景选取

根据MIMO技术原理特征，3D MIMO特别适用于部署在热点区域、高楼覆盖、深度覆盖这3类场景中。其中，典型的区域如密集城区、中心商业区、广场、体育馆等。在这些区域中，用户密集，需要支持大量在线用户，上下行容量需求极高。3D MIMO特性能有效抑制干扰，并支持多层配对的MU-BF和MU-MIMO，从而显著提升小区吞吐率，解决热点区域容量诉求。

高楼覆盖场景下，用户垂直分布于不同楼层，普通站点的垂直覆盖范围较窄，难以覆盖多个楼层。3D MIMO站点支持三维波束调整，增强了垂直维广播波束覆盖能力，从而可覆盖更多楼层的用户。

深度场景是指通过室外站点对室内进行覆盖，通常有建筑物阻挡，由于穿透损耗等原因，导致用户信号较弱，体验较差。3D MIMO特性的上行多天线接收分集和下行波束赋形，能有效对抗传播损耗与穿透损耗，从而提升链路质量，使用户的上下行体验速率得到明显提升。

高校区域人流聚集，属于典型的业务热点区域；建筑类型多样，既有场馆、广场、校内外商业聚集区，也有教学楼、办公楼等高层建筑，同时还有密集的学生宿舍区、教职工居住区，非常适合3D MIMO技术应用。本文选取省会城市的一所大型高校及其周边作为3D MIMO部署试点区域，验证应用效果。

2.1.2 3D MIMO部署硬件

为了节省天面空间，本文使用的是3D MIMO天线与射频处理单元（RRU）集成的有源天线处理单元（AAU）。现场改造施工时，在保持基站主控单元（BBU）不变的情况下，将原来射频单元和8T8R天线替换成AAU。

除了部署AAU外，还需要根据用户数和容量情况，增加相应基带资源和传输资源。本文在试验区域使用D频段（2 575～2 635 MHz）小区配置3D MIMO特性，带宽为20M。

2.2 部署效果验证

本文从下行覆盖、速率/流量、用户数/利用率3个方面进行了部署后的效果验证。

2.2.1 下行覆盖方面

3D MIMO特性包支持广播覆盖调整，针对高楼覆盖场景，能显著提升下行覆盖性能，理论上提升约9 dB。根据成都各区域3D MIMO替换8T8R结果显示，3D MIMO场景下平均用户测量报告（MR）统计覆盖率提升2.5%，如图1所示。

图1 替换前后深度覆盖（MR）提升对比图

2.2.2 速率/流量方面

3D MIMO部署后，64天线MU-MIMO特性相对于8天线的MU-MIMO特性，支持上行最大8流多用户数的复用，可提升小区上行理论峰值吞吐率8倍。本文在单试点小区下进行8终端并行上行压力测试，结果表明：每个终端平均上行吞吐率大于8 Mbit/s，小区平均上行吞吐率为60 Mbit/s左右，峰值能达到67 Mbit/s。根据OMC统计试点的6个站点，单载波平均上行流量提升3.44倍，如图2所示。

图2 3D-MIMO上行吞吐率对比图

3D MIMO相对于下行2×2 MIMO，理论支持下行最大16流的多用户数复用，极大的提升PDSCH信道容量，下行理论峰值速率提升近7倍。本文在单试点小区下进行16终端下行压力测试结果，每个终端FTP下载速率平均在43 Mbit/s左右，小区平均下行吞吐率为500 Mbit/s左右，峰值能够达到560 Mbit/s。根据OMC统计试点的6个站点，单载波平均下行流量提升3.45倍，如图3所示。

图3 3D-MIMO下行吞吐率对比图

2.2.3 用户数/利用率方面

图4 上行负荷随用户数变化对比图

图5 下行负荷随用户数变化对比图

3D MIMO采用上行空分复用技术，极大提升了上行的资源利用率，可容纳更多的用户，吸收更多流量，且在相同的用户数下，负荷低于现网8T8R。通过线性拟合，在上行PRB利用率40%情况下峰值接入用户提升189%，如图4所示。

相同用户数条件下，3D MIMO的下行负荷远低于8T8R；反过来，采用相同的负荷下，3D MIMO可以容纳更多的容量。通过线性拟合，在下行PRB利用率40%情况下峰值接入用户提升257%，如图5所示。

3 结论

本文从原理角度对3D MIMO在TD-LTE商用网络中的应用进行了阐述，对传统8T8R和3D MIMO技术进行了比对，找准了现场部署应用场景，经过部署实践和压力测试，得出了如下结论：3D MIMO较8T8R单载波上行平均吞吐率提升3.44倍，下行提升3.45倍；PRB利用率40%情况下，3D MIMO较8T8R单载波的峰值接入用户上行提升189%、下行提升257%；深度覆盖上，3D MIMO较8T8R 的小区MR统计覆盖率提升2.5%。在商用TD-LTE网络上，应用3D MIMO能够有效提升复杂场景中的覆盖和容量；在Pre 5G的技术中能够以较小的代价进行现网部署，可以在5G大规模建设前进行广泛的试点及应用。