MASSIVE MIMO在我国的应用分析

2019-03-27

福建质量管理 2019年1期

(乐山职业技术学院四川乐山 614000)

一、引言

LTE系统引入的关键技术显著增加了数据传输速率和频谱效率，并支持多种带宽分配，因而不仅频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖范围也得到显著提升[1]。2011年3月LTE Advanced作为LTE的下一代网络技术标准正式诞生，在原有LTE标准的MIMO基础上做了进一步的提升，标志真正的4G技术得以诞生。自2010年来，美国Bell实验室、Rice大学、瑞典的Lund大学等引领着国际上学术界对Massive MIMO理论和技术问题进行深入探索。在2011年的技术研讨会上展示了Massive MIMO原型机在节能和干扰抑制等方面的潜力和优势[2]。至此，Massive MIMO引起了研究者的广泛注意，并在业界开始了火热的研究。

二、大规模MIMO技术

Massive MIMO是指在基站端采用大规模的天线阵列，天线数量达到数十根甚至上百根，并且可以在同一时频资源内服务于多个用户[3]。在此基础上，通过增加天线数目构建大规模的MIMO系统，可以提高数据速率、服务更多移动终端。同时，也能在最大程度上保证运营商在前期设备上的投入，实现平滑过渡。

大规模MIMO引入了AAS(有源天线系统)，降低了塔上安装复杂度、设备数及成本，同时也提升了设备的可靠性。基站端可以支持上百根协作天线，大规模的天线阵列使得天线布局从原来的一维线性天线布阵到二维乃至三维的天线布阵，形成3D-MIMO技术[4]。3D-MIMO技术目前是大规模MIMO技术实现的典型方式，在应用领域已经获得突破性的进展，本文以3D-MIMO技术为代表对大规模MIMO技术的进一步发展提出自己的思考。

(一)3D-MIMO技术的产生背景

随着4G用户总量的快速增长，同时伴随着高清语音、视频业务的快速普及，必将带来网络流量爆炸式的增长，而有限的频谱资源又无法提供这种快速的增长。3D-MIMO利用空间复用技术，从传统的8通道宏站最大支持4流空分复用提升到16流空分复用，结合精确的信道估计以及用户配对算法，即可同时支持16个终端共享相同的时频域资源，提升频谱效率4到6倍，显著提升信道容量。可有效缓解频谱受限和流量增长之间的矛盾[5]。

虽然MIMO技术和3D-MIMO技术的天线产品本身还不是特别成熟，但是这并不妨碍业界对其投入的关切目光。因为，3D-MIMO实现的空间复用在已有4G标准规范基础上，可以直接在线网终端实现多用户配对，共享信道资源，引入这项新的天线技术对现有的应用网络着实是一个突破。

(二)3D-MIMO技术的优势体现

3D-MIMO从室外覆盖高层楼宇更加实惠经济。常规的基站在覆盖高层建筑时，由于一个基站的垂直波瓣覆盖面较窄，需要分别针对高层、中层、低层设置多个天线面进行覆盖。3D-MIMO则可以分裂出指向不同楼层的波瓣，一方面减少天线面数的建设，甚至可实现单天线阵列覆盖整栋楼宇，另一方面通过多个数据流传输，提高频谱的利用效率。

3D-MIMO可降低邻区干扰并提升频谱使用效率。常规的天线在垂直面无法实现针对终端的多波束。3D-MIMO技术提供了垂直面的波束赋形，可以将水平维度与基站夹角相同，只有垂直维度不同的UE之间再进行一次区分，分别形成对准他们的波束进行服务，从整体的角度降低垂直维度的邻区干扰，从而提升频谱效率。

(三)3D-MIMO技术在我国的应用

技术进步的价值最终都体现在商用过程中。在2015年9月，华为联合中国移动上海分公司在4G商用网上成功开通全球首个大规模多天线3D-MIMO基站，并成功完成外场验证测试。上海作为国际大都市，高层建筑，高架道路颇多且人口密度全国最高。测试结果显示Massive MIMO在小区覆盖深度、垂直覆盖、小区容量提升方面具有强大的性能优势。通过3D波束赋形技术，有效解决常规多个基站才能解决的问题。这充分证明了中国制造企业和运营企业在全球移动通信技术的发展中起着举足轻重的作用。这无疑是3D-MIMO技术在全球商用进程中的里程碑。

在2015年12月，中兴通讯联合中国移动广东分公司在广州商用网络开展3D-MIMO试点测试，标志着3D-MIMO基站产品向商用进一步迈进。外场测试中，中兴通讯选择高楼林立的环境进行，在宏覆盖场景下3D-MIMO下行小区容量可提升350%，上行小区容量提升164%，边缘用户上下行速率可提升1到3倍。测试结果充分进一步证明了3D-MIMO在外场商用环境下的商用能力及技术优势。

除此之外，大唐移动在3D-MIMO技术上的研究工作也取得阶段性的进展，提交了多篇技术专利，也参与制定多项国际标准。为我国在3D-MIMO技术领域的标准化推进提供强有力的支撑，为产业化发展提供理论基础、技术方案及知识产权等多方面的保障。同时，大唐移动基于TD-LTE商业设备也进行了多天线增强技术的功能开发及测试验证，希望通过对3D-MMO技术的全面推进，形成具有创新性的核心技术。

就目前预测试的成功案例来说，最多只考虑了128根天线和128个射频通道的集成，这已经是业界集成度最高、规格最大的大规模天线系统，系统容量的增加也是有限度的。从工程实现上来说，天线数量越多，势必对射频硬件的要求提出更高的挑战。天线设计集成度越高，放置的天线阵子和射频通道就越多，同时保证天线空间面积适度。面对日益激增的通信容量需求，面对热点更热的场景，对大规模MIMO的思考以及研究不会止步。