3D-MIMO性能验证及应用策略研究

1 背景

4G网络自商用以来，用户数及流量快速增长，用户在移动端的网络使用行为向随时接入、高容量需求接入演变。随着大流量大视频的到来，4G网络核心热点区域的容量压力将进一步加剧。为应对挑战，需研究在近中期能尽可能兼容现有终端和网络，能充分利用已有站址和频率等资源，同时能大幅提升网络覆盖及容量的新技术，3D-MIMO正是在此背景下提出的无线网络新技术，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。

2 3D-MIMO技术简介

3D-MIMO是下一代移动蜂窝通信网络（5G）中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。3D-MIMO通过引入阵列天线，可以形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，在水平和垂直两个维度动态调整信号方向，形成信号能量更集中、方向更精准的波束，支持更多用户在相同资源上并行传输，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[1，2]，构建高效通信系统。3D-MIMO主要通过下行精准波束赋形、上行增强接收分集、波束三维可调等技术来提升频谱效率、增强基站覆盖、提升基站容量（吞吐量）和服务质量（服务用户的速率，尤其是边缘用户）等方面的能力[3，4]，具体示意图如图1所示。

图1 3D-MIMO技术特点

3 3D-MIMO性能测试及评估分析

基于前述3D-MIMO技术理论分析，本节主要通过现场试点测试，验证该技术应用到现网的实际性能。本次选取部署3D-MIMO具有代表性的某一类城市密集商业区、高楼场景作为测试地点，采用某厂家设备对3D-MIMO与8T8R 两种天线站型进行覆盖对比、容量对比、3D-MIMO上下行峰值速率测试及3D-MIMO CCE受限研究，并进一步开展评估分析。

3.1 测试场景

本次测试选取测试场景及参数具体如表1所示，其中密集区域场景进行3D-MIMO性能测试、与8T8R的覆盖及容量对比测试，高楼区域场景只进行3D-MIMO性能测试。

表1 3D-MIMO测试场景与参数

具体测试场景如图2所示，其中密集城区场景特点为商业密集区，建筑物密集且道路狭窄，人流多；某高楼测试场景主要为办公区域，覆盖路面及办公楼场景。

图2 3D-MIMO测试场景

3.2 3D-MIMO测试验证及结论

针对上述测试场景，进行3D-MIMO与8T8R覆盖及容量对比测试、3D-MIMO上下行峰值速率测试、3D-MIMO CCE受限研究等四个方面对比测试及性能验证。

本文具体以3D-MIMO与8T8R进行容量性能对比测试为例分析，详细介绍测试方法、测试结果及测试结论，来验证3D-MIMO容量性能。其它验证测试方式与此相似。

（1）测试方法

① 基站设置传输模式为TM3/8自适应，并开启MUBF功能；

② 采用16部测试终端随机部署在室外，按照近：中：远点为1:2:1的比例分布。接入3D-MIMO基站的同一个小区，发起下行UDP灌包，由路测软件记录各个终端的传输模式、下行RSRP、SINR、下行PDCP层吞吐量；随后切换为上行UDP灌包，记录上行吞吐量；同样的接入8T8R基站进行相关测试。

（2）测试结果

随机摆点场景下， 3 D - MIMO的小区上行容量为19.1 Mbit/s，8T8R为5.1 Mbit/s；3D-MIMO的小区下行容量为370 Mbit/s，8T8R则为48 Mbit/s。

（3）测试结论

3D-MIMO 上行有更多的天线收，能明显提升UL接收性能，提升UL小区容量；3D-MIMO下行有更多的天线发，BF性能更好，并且能更多MUBF配对层数，下行小区容量得到明显提升。随机摆点场景下，3D-MIMO的小区上行容量是8T8R的3.7倍，3D-MIMO的小区下行容量是8T8R的7.7倍；3D MIMO技术能够大幅度提高小区容量。

3D-MIMO与8T8R覆盖及容量对比测试，3D-MIMO上下行峰值速率测试、CCE受限研究各项测试及结果如表2所示。

表2 3D-MIMO测试及结果

3.3 3D-MIMO测试小结

经过试点测试验证，3D-MIMO在峰值吞吐率方面，单载波下行吞吐量理论值为747.2 Mbit/s，测试值为640 Mbit/s，单载波上行吞吐量理论值为40.8 Mbit/s，测试值为40 Mbit/s，经测试单载波上下行吞吐量测试值均与理论值接近，能显著提高现有网络速率。

3D-MIMO在覆盖方面，3D-MIMO较8T8R方案的下行覆盖能力显著提升且边缘覆盖提升5～6 dB，上行多天线接收能力增强且边缘覆盖提升3～5 dB，因此3D-MIMO较8T8R覆盖距离明显增加，在现网规划时可考虑增加站间距或利用覆盖增强提升网络深度覆盖水平。

3D-MIMO在容量方面，3D-MIMO较8T8R在小区上下行容量上均有成倍增加，因此它具有更高的频谱效益，适用于解决高热区域场景。同时经测试，只有在站点的CCE资源不受限时，才能保证3D-MIMO的吞吐量增益达到充分发挥。

4 应用策略及建议

4.1 适用场景需求

4G网络经过多期规模建设，城区加站愈发困难，随着4G大视频大流量业务的发展，流量高地、高楼覆盖以及TDD上行覆盖提升是主要诉求。3D-MIMO的部署主要适用以下场景需求：

（1）流量高地：该场景下，频谱资源有限，而现有载波资源不足，需要采用新的技术手段，在不需要用户更换终端的前提下，能够大幅提升频谱效率，满足移动网络流量的激增需求。

（2）高楼场景：对高楼场景因存在传统室分方案建设成本高、业主协调困难、后期维护难度大且周围建筑天面空间有限等问题，在传统方案部署难且无法形成有效覆盖时，可考虑引入；同时，对高层建筑因建筑物厚度大、穿透损耗大，深度覆盖不足、垂直维度覆盖要求高时，可考虑引入。

（3）上行覆盖要求提升：对双V驱动、用户体验诉求强烈、上行是重点考虑的场景，可考虑引入；网络快速发展带来的VoLTE、视频上传、企业等新市场诉求强烈场景，可考虑引入。

4.2 TDD LTE实现3D-MIMO优势分析

对LTE网络而言，建议考虑在TDD LTE网络率先部署3D-MIMO，因为在TDD LTE网络上部署3D-MIMO较FDD LTE更有优势。主要体现在以下方面。

（1）TDD LTE较FDD LTE在实现3D-MIMO时在设备改造上更简单且技术上更有优势。因为3D-MIMO的天线端口较多，基站侧采用TRX上移到天线实现，且TDD制式不需双工器，在尺寸上具有优势，而FDD 在实现3D-MIMO时存在无源交调问题，技术上有瓶颈。

（2）TDD LTE上实现3D MIMO时终端无需改动，避免大规模的终端更换而更易部署和推广。TDD LTE上实现3D-MIMO不需协议支持，终端不需要测量，可节约芯片成本20%。TDD LTE是利用下行预估上行，所以节省导频开销，而FDD 上实现3D-MIMO会增加20%导频开销。FDD终端芯片需要增加20%的测量处理资源，另外老终端无法支持。

4.3 规划应用建议

在考虑引入3D-MIMO部署时，建议对不同场景规划应用建议如下。

（1）优先考虑将3D-MIMO部署到高热场景，如大流量、用户数不是主要瓶颈的场景，应优先考虑部署3D-MIMO。

（2）考虑替换原站址引入3D-MIMO方案，因为3D-MIMO相比普通8T8R天线站点，允许的路径损耗要多3.5 dB，故理论上站间距可适当加大，但由于目前已完成规模建设，且现网深度覆盖不足，建议利用此增益来进一步提升深度覆盖水平。因此，上述应用场景下建议在原站址替换建站方案。

（3）考虑新建站点时引入3D-MIMO方案，因当前4G网络已完成基本城区内建设，对城区外新增覆盖区域，考虑到建设成本和业务需求，不建议采用3D-MIMO设备成片新建；对补热加站建设场景，建议考虑引入，为保证路测指标不下降，站间距建议控制在对应场景8T8R站点的1.1倍以内。

5 存在问题及改进建议

虽然3D MIMO在4G化的应用测试中显示出优越的性能，但目前的技术、产品实现以及在工程建设中仍然存在不少问题。

（1）抱杆承重问题：普通8通道天线迎风面积约0.45 m2左右，重量14～25 kg左右，而3D-MIMO天线迎风面积小于0.4 m2，重量40～45 kg左右。3D-MIMO天线重量及风阻明显增大，建议利旧原有抱杆或新建抱杆安装3D-MIMO设备时做好承重评估。后续一方面要引导设备厂商进一步降低产品重量和迎风面积；另一方面要在细分建设场景的基础上，通过因地制宜的设计方案和施工措施，提高建设成功率。

（2）供电和散热问题：3D-MIMO的RRU与天线集成在一起，在建设维护中需要注意该部分有源器件在室外环境下供电的安全性。因高度集成且内置有源设备后，发热量较大，需考虑在炎热环境下的散热性能以及设备耐久性。

（3）传输扩容问题：由于回传能力的需求提高，部分基站传输配置需要扩容，建议扩容配置如表3所示。