3D-MIMO技术在TD-LTE网络中的应用研究

摘  要：4G网络经过近几年的快速发展，用户数量呈爆炸式增长，4G网络速率亟需进一步提升。4G基站建设基本上已经达到饱和，通过建设更多基站来提升4G小区网络容量变得不太现实。3D-MIMO技术被用于解决这个问题，与传统的MIMO技术相比，3D-MIMO技术采用了精准波束降低干扰、空间化提高频谱等方式，大幅度地提升了现有小区的网络容量，进而提升了4G网络速率。

关键词：无线网络;频谱效率;3D-MIMO

中图分类号：TN929.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）07-0047-03

Abstract：With the rapid development of 4G network in recent years，the number of users has increased explosively，and the speed of 4G network urgently needs to be further improved. The construction of 4G base stations has basically reached saturation. It is not realistic to increase the network capacity of 4G cell by building more base stations.3D-MIMO technology is used to solve this problem. Compared with traditional MIMO technology，3D-MIMO technology uses precise beamforming to reduce interference and spatialize to improve spectrum，which greatly improves the network capacity of existing cells and thus increases the network rate of 4G.

Keywords：wireless network;spectrum efficiency;3D-MIMO

0  引  言

隨着TD-LTE网络不断加大建设力度，日均流量及4G在线用户数每年成倍增长，网络热点区域越来越多，在新建站址越来越难的现状下，现有宏站小区的网络容量亟需大幅度提升。为满足用户数和流量呈线性的快速增长的网络需求，在4G网络引入3D-MIMO技术，解决了网络深度覆盖不足的问题，降低了无线网小区间用户干扰，提升了网络容量。3D-MIMO小区部署开通后，兼容现有4G终端，实现5G技术4G应用，达到提升网络现有资源效率的目的。

自2013年底第四代移动通信网络在中国商用之后，发展至今，已经完成了全国范围的4G覆盖。同时，用户数量不断增多，4G网络业务已经被应用于国民工作和生活中的方方面面。因此满足用户的数据业务需求、保证用户的数据业务传输可靠性、提升用户的数据业务体验感成为通信运营商必须要完成的目标。

传输速率一直都是通信系统追求的一个重要指标，在当下这个对数据业务有超大需求的时代，传输速率更成为通信运营商和通信设备商争取客户的一个重要指标。为了达到更高的通信传输速率，网络制式和通信设备在不断地更换，4G网络的提出和商用，更是促进了运营商和设备商对更高速率的追求。

但是，经过了前三代移动通信网络的积淀和4G网络五年多的发展，通信制式发展到今日已经达到了一个瓶颈。同时经过五年的规划部署，4G网络几乎覆盖了全国，基站的分配已经达到了最优化，通信设备商若想通过部署更多基站来提升网络容量，将面临较大的成本支出，然而其性能难以有很大的提升。

本文所阐述的3D-MIMO技术，通过弥补4G网络中物理层的短板来提升用户速率。采用3D-MIMO技术代替现有网络中使用的传统的MIMO技术，使得4G网络中的物理层能跟上其他网络层的发展，进而提升整个4G网络的速率。

1  传统MIMO技术简述

作为4G网络的核心技术之一，MIMO的原理是通过分集天线技术，将多根天线集合到一起，最终实现信号的多发多收，从而节省频谱资源，大大提升整个通信系统的信道容量。

通过运用MIMO技术，可以实现多根天线在同一时间完成对多个空间流的收发，并根据所传信号的相位等信息区分出应该把信号发往何处或者应该接收何处的信号。通过空分复用，合理地利用空间这一庞大的资源，从而提升信道的容量，进而提升整个通信系统的性能。MIMO技术的优势总结如下：

（1）MIMO技术可以大大提升信道的容量。上文中已经提出，通过天线分集技术，把多根天线集合到一起，利用空间资源，把基站中的信号通过多发多收的方式进行传输。MIMO技术的信道容量跟天线个数息息相关，在传输过程中，通过增加天线的个数，能够大大增加信道容量。

（2）MIMO技术能大大提升整个通信系统的传输的可靠性。MIMO技术采用了天线分集技术中的空间复用技术，通过多根天线一起抑制衰落，能大大地降低空中信道对信号造成的衰落，从而有效提升收端的信号干扰噪声比，保证传输的质量。

MIMO技术虽然优势很明显，但时至今日，针对当前的4G网络的发展和应用环境，传统的MIMO技术的缺点逐渐显露，具体如下：

（1）空间覆盖能力不强。传统的MIMO技术在做信号分析时，只针对水平的信号或者垂直的信号，是呈二维分布的，不能实现三维的传输，因此使用起来便利性不足。

（2）在分析水平传输过来的信号时，对信号的识别度比较差。在识别的过程中，对处于平面边缘和平面中心的用户的识别度极差，甚至无法识别，因此在使用传统MIMO技术时，用户在移动过程中的体验感可能较差。

（3）抗干扰能力较差。传统的MIMO技术虽然采用空间复用技术，大大降低了传输过程的误码率，但是由于传统的MIMO技术只能分析平面信号和垂直信号，且针对平面信号没办法识别位于平面边缘和平面中心的用户，因此没有办法消除其他的用户对终端造成的干扰。

（4）存在对高层建筑内部覆盖能力不强的缺陷。利用MIMO技术进行网络覆盖，高层建筑室内网络传输能力较差，还需要一些室内基站或者其他基站对其进行弥补。

（5）信道容量仍有很大的提升空间。传统的MIMO技术下行链路只能提供二流的空分复用技术，使得传输容量受到限制，从而使总的信道容量的提升也受到限制。

针对以上这些缺陷，为了更好地提升通信系统的可靠性和信道容量，进而提升4G网络速率，3D-MIMO技术被应用于LTE网络中。

2  3D-MIMO技术应用

2.1  3D-MIMO技术的原理

3D-MIMO技术是传统的多发多收MIMO技术的一种改进版本，与传统的MIMO技术不同，3D-MIMO技术使用了更多的天线集合在一起，最终实现了百发百收的模式。通过加入更多的天线个数，空间信道对信号造成的干扰和衰落几乎可以忽略不计，从而大大地提升了收端信号的信号干扰噪声比，进而大大提升信号传输的可靠性。随着天线个数的不断增加，信道容量也将大大提升。

利用传统MIMO技术的现网采用的是8天线的四流空分复用，而3D-MIMO技术在传统MIMO技术的基础上做了改进，可以支持16流和32流的空分复用，从而大大地提升了通信系统的吞吐量，信道容量相对于传统的MIMO技术也有了大大的提升。

相对于传统的MIMO技术，3D-MIMO技术引入了大规模阵列技术，3D-MIMO技术因而可以在整个三维空间内依靠极窄波束完成对干扰的抑制，从而有效提升其可靠性。

通过上述分析可以看出，3D-MIMO技术与传统的MIMO技术相比，在可靠性、覆盖能力和信道容量等方面都有很大的提升。

2.2  实现空间立体维度的全覆盖

与传统的MIMO技术相比，3D-MIMO不只可以对天线进行水平方向的调节，还可以进行垂直方向的调节，通过引入垂直方向的调节，可以进一步增强小区的网络容量，3D-MIMO通过引入垂直方向的调节机制，很好地解决了高层建筑基站建设问题。提升了高层建筑室内网络传输速率，同时大大降低了基站的建设成本。

2.3  高精波束降低干扰，精准覆盖

3D-MIMO可以大大降低环境对系统造成的干扰，从而很精准地覆盖目标，具体由公式（1）进行分析：

式（1）中，N为天线的根数。

通过式（1）可以分析出八天线，其水平方向是四列直线阵，因此其波束宽度为：

3D-MIMO技术中，天线的水平方向为八列直线阵，因此波束宽度是：

同理可以分析，在垂直方向上，波束宽度为：

由上述分析可以得到，N和波束宽度成反比。3D- MIMO技术就是采用了这种增加天线数目降低天线间距的方法，让波束宽度变得更窄，从而提升业务的性能。通过3D-MIMO中的波束变窄的思路，可以实现对某个区域的特殊的业务供给，为一些重要的场所或者运营商重要客户提供更稳定、更可靠、更快速的业务服务。

2.4  高效空分提升频谱效率

借由3D-MIMO的波束宽度的思想，空间复用技术实现起来变得更加简单，提升了资源利用率因此小区的网络容量也随之大大增加。

3  应用场景

3.1  话务需求大、干扰较大、上行链路传输受限的场景

话务业务需求量較大的地方用户数量比较多，因此频谱资源受到了限制，小区边缘的用户话务业务可能极差，VIP用户的话务业务也不能保证质量。此外高干扰、上行受限的情况造成的影响也越来越大，目前通过建立基站来解决这种问题已经变得不现实，引用3D-MIMO技术可以提高信道容量和通信可靠性，能够有效解决以上问题。

3.2  高楼覆盖场景

3D-MIMO技术引入了垂直方向调节天线的机制，同时还可以在整个三维空间内传输窄波，因此针对高层建筑覆盖较差的场景，3D-MIMO技术十分适用。

4  结  论

通过本文的分析可以看出，3D-MIMO技术相对于传统的MIMO技术，大大提升了可靠性和信道容量，针对特殊场景，3D-MIMO能提出更好的方案，补齐了LTE网络中物理层的短板，进而提高了网络速率和用户的业务体验感。

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作者简介：李智峰（1978-），男，汉族，广东兴宁人，工程师，本科，毕业于南京邮电大学，主要从事移动通信方面的咨询规划、设计等工作。