5G技术4G化中3D MIMO的建设场景及应用效果

中国移动通信集团设计院有限公司|刁兆坤

3D MIMO作为5G Massive MIMO技术应用于4G网络的解决方案，具有提升容量、增强覆盖、降低干扰等诸多突出优点。

随着4G用户的迅速增长，4G网络正面临着需求巨大、网络热点更热、用户体验诉求强烈、特殊场景深度覆盖困难等问题，3D MIMO通过显著增加收发天线(通道)，获得更高的分集、阵列、空间复用、干扰抑制增益，从而显著地提升系统性能。

MIMO技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。现网TD-LTE 8天线宏站可以支持4流空分复用，而3D MIMO引入大规模阵列天线技术，使得空域16流、32流或更多流复用成为可能。在热点区域，用户数多且用户在三维空间分布范围大，结合精确的信道估计、用户配对算法，即可实现空域16层及以上的视频资源空分复用，让无线网络的频谱效率再上一个台阶。

3D MIMO的技术优势

在下行精准波束赋形方面，3D MIMO利用空间信道的强相关性以及波的干涉技术，通过调整天线阵元的输出，产生强方向性的辐射方向图并将其主瓣指向终端，从而提高接收信噪比、减小干扰，增加系统的吞吐量和覆盖范围。3D MIMO下行采用更多天线进行波束赋形，空间赋形波束更窄、能量更集中，能够有效提升赋形增益并增加空间传输的流数。

3D MIMO水平天线通道数比8通道宏站提升1倍，垂直天线通道数比8通道宏站提升4倍，在同等波长的条件下，3D MIMO的主瓣波束宽度更窄；3D MIMO现在下行支持8流的空分复用，上行支持4流空分复用，相比现在的8通道天线，下行和上行的小区流量提升4倍；更窄波束和更高增益，可以实现更高的波束赋型增益，并且降低干扰。8天线、3D MIMO与大规模天线陈列对比见图1 。

在上行增强接收分集方面，3D MIMO通过上行使用更多接收天线，可提供更多上行接收信号样本，进行更精确的信道估计，从而提升接收机性能和抗干扰能力。还可通过高阶空域滤波，精确估计上行空间信道，通过选择最优的合并权值，提升用户信号信噪比，增强接收性能。

图1 三种天线对比

图2 3D MIMO的技术优势

3D MIMO可实现波束三维可调，通过大规模天线振子的应用，除在水平方向外，在垂直方向上也分为多个通道进行赋形处理，从而同时具备水平和垂直方向的波束调节能力，通过更多的空分维度和多流技术，同时服务更多用户，提升频谱效率和小区吞吐量。在宏覆盖场景方面，3D MIMO可将广播波束配置为水平半功率角为65°，垂直半功率角20°。在高层覆盖场景方面，可将广播波束配置为水平半功率角为20°，垂直半功率角为65°。

3D MIMO的技术优势在于可同时提升覆盖和容量，降低高频建网成本。目前的4G系统，由于工作在较低频段，难以在终端中大幅增加天线数量，从而导致终端峰值速率提升能力受限。希望通过空间分集、空间复用和波束赋形等技术，重点挖掘增强基站覆盖、提升基站容量（吞吐量）和提高服务质量（服务用户的速率，尤其是边缘用户）等方面的能力。3D MIMO正好解决了特定区域的这些问题。3D MIMO的技术优势见图2。

图3 3D MIMO场景分析

图4 TDD 3D MIMO性能具优势

图5 华为3D MIMO解决方案

图6 安装对比

3D MIMO的建设需求和场景分析

由于大规模阵列技术的引入，3D MIMO系统能够在三维空间产生灵活指向用户的极窄波束，这种极窄波束意味着在有效抑制对复用用户干扰、不损失服务用户主瓣方向能量的前提下，在整个三维空间，3D MIMO的大规模天线系统可提供最大复用层数，实现天线数量的空分复用。

从技术标准的角度，3D MIMO实现16流空分复用，不需要定义新的标准规范，完全兼容现网4G终端，即基于现网终端就可以实现多用户配对，共享信道资源。

从技术需求和其适应的场景来看，3D MIMO适用于高楼覆盖、高负荷和高干扰等应用场景，如图3所示。

从网络发展趋势看，特别是近两年，无线网络发展呈现出热点更热的趋势，20%的区域已经承载60%~70%的流量。城区金融街、CBD、重要商业中心、高校等核心区域，一方面用户集中、业务需求量大，另一方面存在高楼遮挡、深度覆盖不足等问题。3D MIMO技术提供更高维度的空分复用、更强的波束赋形能力，可有效应对这些复杂场景。3D MIMO利用空分复用技术，可支持16个终端共享相同的时间、频率资源，将频谱效率提升4~6倍，有效缓解流量激增和频谱受限之间的矛盾。

3D MIMO的工程实现和应用

TDD不需要双工器，节省导频开销，终端无需改动，已率先商用，TDD在实现3D MIMO上，通过发挥制式及信道互易性优势，可降低产业链综合成本30%以上，TDD 3D MIMO性能优势见图4。

图7 总体规划思路

图8 深圳某城市3D MIMO建设

图9 具体测试情况

以华为的3D MIMO解决方案为例，其整体解决方案如图5所示。

3D MIMO天线和8T8R安装对比如图6所示。

3D MIMO站点的规划和商用效果分析

针对4种不同的应用场景，可根据紧急程度、价值高低，对3D MIMO的规划结果进行优先级筛选，滚动规划、分步实施。其总体规划思路如图7所示。

以深圳某3D MIMO站点为例，实际商用实施和效果情况如图8所示。

其覆盖效果评估如图9所示。

定点速率测试结果如图10所示。

从话统数据来看，小区平均用户和流量整体提升明显。

上行干扰指标改善1~2dB，终端发射功率下降。

3D MIMO是把5G技术应用到4G网络的典型案例和成功实践，相比现有4G技术，采用3D MIMO技术的小区下行和上行平均吞吐量分别是现有4G基站的2~5倍和2倍，既有效解决了4G存在的“三高一限”严重制约用户体验的现实问题，也将为移动互联网应用的规模发展提供有力的技术支撑，可极大满足5G时代用户密集区域的流量业务需求。4G网络5G化，5G技术4G化，使新业务在现有LTE网络上应用，保护当前的网络基础设施投资，投资4G即投资5G成为包括中国移动在内越来越多运营商的共识。

图10 定点测试结果

图11 性能提升明显

图12 干扰改善效果明显

3D MIMO作为5G Massive MIMO技术应用于4G网络的解决方案，具有提升容量、增强覆盖、降低干扰等诸多突出优点，借助大规模阵列天线带来的三维波束赋形能力，提供更多业务流，相对目前TDLTE 8T8R网络频谱效率提升数倍，面向5G目标，布局4G演进，构筑持续竞争优势，更好地服务广大用户。