3D―MIMO天线技术应用研究

【摘 要】为了在进一步提升4G用户速率的同时弥补传统MIMO天线的技术缺陷，采用新型的3D-MIMO技术，通过立体深化覆盖、精准波束降低干扰、空间化提高频谱利用等多种方式，实现了提升资源利用率、增强覆盖深度、弱化干扰影响的成效，提升了无线网络速率。

【关键词】无线网络速率 天馈 3D-MIMO

Research on the Application of 3D-MIMO Antenna Technology

[Abstract] In order to further increase 4G user rate and compensate technical deficiencies of the traditional MIMO antenna， the novel 3D-MIMO technology was adopted to enhance the resource utilization， improve deep coverage， mitigate interference and increase wireless network rate by means of multi-dimensional deep coverage， accurate beam and spatialization of spectrum utilization.

[Key words]wireless network rate antenna feeder 3D-MIMO

1 引言

伴S着4G网络的不断发展，用户对于高速的无线网络的认可度和依赖度不断提高。通信运营商意识到在这个大数据流量爆发的时代，正视数据业务重要性并提升数据业务用户感知对于企业发展的重要性。

（1）速率：运营商当下的盈利保证

截止2016年6月，移动4G用户数近4.29亿，4G用户渗透率超过51%。和2014年相比，2015年移动数据流量增长143.7%，手机上网客户DoU（Dataflow of Usage，每用户平均每月数据业务消耗量）增加118.5%，数据业务收入占通信服务总收入占比上升至52%，无线上网收入增加30.5%，无线上网业务所占比重仍旧不断攀升。DoU和运营商的营收增长呈现强关联：用户DoU高于500 MB，运营商收入呈现正增长；用户DoU小于500 MB，运营商收入呈现负增长。

因此对于通信运营商来说，无线上网业务已经从2G时代的可有可无，变为了4G时代的重中之重。如何提升用户的数据使用量、增加用户黏性以及获取更大的利润，这一连串的疑问都指向了同一个问题：如何提升速率。因为只有拥有更高的速率，才能真正的持有更多的用户，使得利益提升。

（2）无线网络速率提升遇瓶颈

无论是通信运营商还是通信设备商都已经注意到，速率在这个大数据时代所扮演的重要角色。对于高速率的追求一直促使着各种通信技术的高速更新换代，尤其是LTE高速数据通信技术的应用，更是加速了这一进程。

TD-LTE作为这场高速数据时代大变革的领军技术之一，带来了全新的体验与强大的冲击感。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）的高频谱利用、抗多径干扰、非对称数字业务传输等特性，使得TD-LTE得以广泛应用。AMC（Adaptive Modulation and Coding，自适应调制编码）技术的自适应能力，保障了TD-LTE数据传输的质量。混合自动重传技术高效地补偿由于采用链路适配所带来的误码，提高了数据传输速率，减小了数据传输时延，为数据语音的实现提供了依据。MIMO技术的应用更是效果显著，其多发多收的技术特点大幅地提高了资源的空间利用率，成倍提升数据容量。

在无线网络通信技术提升的同时，设备厂商和终端公司也相应推出了各种新型的设备与技术以迎合时代的需求。如上下行载波聚合技术，倍增了传输带宽；Small Cell的应用有效弥补了TD-LTE覆盖深度不足的缺陷，降低了建设成本。配合新型的基站技术，终端公司也不断更新自己的硬件支撑能力，不断推出更高等级的终端设备，为高速数据网络的应用提供保障。

然而，无论是通信制式的更新，还是基站设备的提升以及终端能力的改进，对现有网络的提升都已经到达了彼此配合的收益最大化，无论是连接层、网络层、传输层、应用层都有着可观的发展，而今物理层数据的传播成为了整体速率提升的一个阻碍，具体的说，天线技术迟迟停留在传统MIMO技术，使得TD-LTE这个大桶，总有天线这个短板使得整体无法得产生质的变化。因此，本文接下来将对传统MIMO技术进行介绍，分析其优势和缺陷，并在此基础上对3D-MIMO技术的应用进行探讨。

2 传统MIMO技术简述

MIMO技术作为TD-LTE的核心技术，其通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍地提高系统信道容量。

2.1 MIMO技术原理

MIMO是指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发，所以可以增加资料传输率。MIMO技术原理。

MIMO较专业的解释，应该是网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会通过不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的资料重新作组合，最终传送出正确且快速的资料流。

由于传送的资料经过分割传送，不仅单一资料流量降低，可拉高传送距离，而且增加了天线接收范围，因此MIMO技术不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，而且又不用额外占用频谱范围，更重要的是强化了讯号接收距离。

2.2 传统MIMO技术的优势与缺陷

MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖范围，具有两大优势，具体内容如下：

（1）优势一，提高信道容量。MIMO接入点到MIMO客户端之间可以同时发送和接收多个空间流，信道容量可以随着天线数量的增大而线性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。

（2）优势二，提高信道的可靠性。利用MIMO信道提供的空间复用增益及空间分集增益，可以利用多天线来抑制信道衰落，降低误码率。

虽然MIMO技术具有如此优越的技术特点，但是由于其信号平面化传播的方式，使得其在覆盖深度、干扰抑制以及资源利用三个方面仍旧存在不足，详细的分析主要有以下五点：

（1）缺陷一，空间覆盖不足。传统MIMO只支持单纯水平面或垂直面的信号分析，无法立体化地实现信号覆盖，在一定程度上还是对空间资源的浪费。对于高层楼宇，15层以上用户深度速度较差，小区边缘用户速率低。

（2）缺陷二，平面信号识别度低。平面信号无法识别中心用户和小区边缘用户，随着用户的位置移动，会造成中心用户和边缘用户的感知骤降。

（3）缺陷三，干扰消除能力欠缺。虽然通过空间复用和分级增益，降低了无码，但是平面信号无法跟踪终端，消除其对其它用户或小区产生的干扰，且普通宏站赋型波束宽，易对邻区UE产生干扰。

（4）缺陷四，对高层室内覆盖不足。对于高层建筑，依旧依赖于室分或者其它形式的基站进行补盲，无法实现对楼宇的全覆盖和深度覆盖。

（5）缺陷五，容量仍有待提升。下行只能提供2流空分复用，且在现有网络配置下上行容量一直受限。

鉴于传统MIMO技术存在覆盖深度不足、干扰抑制不足以及资源利用不足的遗憾，需要探索一种新型的天线传播技术，来弥补现有传统MIMO平面信号所存在的弊端，即3D-MIMO技术。

3 3D-MIMO技术的应用

3D-MIMO技术是基于Massive MIMO的一种全新的天线覆盖方式。2010年底Thomas L.Marzetta提出了Massive MIMO的概念，让基站使用多达数百根天线，同时支持多个UE。在基站天线数趋于无穷大时，影响系统性能的热噪声和小区间干扰可以被忽略不计，Massive MIMO通过数量众多的天线来增加有用信号的功率，通过增加信干噪比（SNR）来降低干扰的影响。在基站天线数趋于无穷时，发送信号占用带宽足够小，信道近似平坦信道，信道衰落系数为1，MIMO信道容量随着天线数目的增加而线性增大。

相比较传统MIMO技术，新型的3D-MIMO技术无论是在覆盖深度、覆盖范围、信号识别度、抗干扰能力、容量等方面都有显著的提升。

3.1 空间立体维度全覆盖

3D-MIMO除调节天线水平维度的角度外，加入了垂直维度的角度机制，从而释放了垂直维度，可以进一步增强空间复用，提升小区容量，这是与传统MIMO技术只能进行平面信号传播的巨大区别。

较之传统MIMO基站，1个3D-MIMO基站即可覆盖整栋高楼。

全新的3D-MIMO基站可覆盖60°垂直范围、10°～20°水平范围。

这样高层覆盖选址难、覆盖范围不足的问题就得到了大大改善，并且可以提高小区边缘业务速率。

3.2 高精波束降低干扰，精准覆盖

根据如下公式：

2Ψ0.5≈51×（2/N）

其中，天线N表示天线阵列单元数，d表示天线阵列单元间距。可以粗略据算8天线宏站其水平方向是4列直线阵，波束宽度为51÷2=25.5°。针对3D-MIMO天线，水平方向是8列直线阵，波束宽度为51÷4=12.25°；在垂直方向，3D-MIMO的垂直波束宽度是：51×（10/（7×8））=9.1°。

所以得出N越大，波束越窄。也就是天线阵列单元数越多，波束越窄。

因此3D-MIMO技术通过增加天线数量，使业务波束变窄，波束能量更集中，从而增强业务性能。

相比较普通宏站赋型波束宽易对邻区UE产生干扰，3D-MIMO技术可以实现高精三维波束，波束宽度降低一半，降低干扰。并且3D-MIMO基站利用高精的波束可以实现精准覆盖，通过智能权值矸智并精准覆盖场馆，可降低小区间干扰，同时节省站点数量，降低投资，能够全方位立体的追踪用户位置，实现VIP区域重点保护、VIP用户精准保护。

此外3D-MIMO可以识别小区中心和边缘用户，消除由于用户物理位置变动而引发的感知骤降。

3.3 高效空分提升频谱效率

由于波束的窄化，同样的空间资源下，使得空间复用更容易，可以容纳的流数也随之增多，小区容量得以提升。

相比较普通宏站提供的下行2流空分复用以及1UL：3DL的上行配比，3D-MIMO可以提供下行8～16流的空分复用、上行4～8流的空分复用，如图9所示。这使得在普通宏站相同的覆盖半径的情况下，3D-MIMO基站可以提供之前3～5倍的容量，完全可以满足热点区域的大容量业务需求。

而且对于光纤部署受限的区域，可通过无线固定接入方式覆盖盲区，如图10所示。3D-MIMO基站+CPE的方式可解决这部分区域光纤部署无法到位的问题，相比较宏站+CPE方式能提供更大的系统容量。

4 现场应用效果

为更好地保障窄带物联网，更好地提供服务，在推动接入终端及产品应用外，从通信运营商角度，需不断尝试探索新的网络技术来进一步提升NB-IoT的网络性能。

4.1 提升用户上下行感知速率效果验证

2016年7月，山东移动青岛公司在青岛崂山啤酒节通信保障期间进行3D-MIMO技术试点，自18点啤酒节开幕到21点，人流量达到最大，期间小区最大用户数据达到220左右。小区上行最大总速率达到21 MB/s，单用户开幕期间平均上行速率7 MB/s以上。

4部普通4G终端同时接入FTP业务（非灌包测试），小区上行总速率峰值40 MB/s，均值40 MB/s，相比传统4G小区（10 MB/s）上行速率提升4倍。8部普通4G终端进行同时FTP下载，小区下行总吞吐率峰值349 MB/s，均值340 MB/s，相比传统4G小区（110 MB/s）下行速率提升3倍，大大提升了单用户感知速率。

4.2 提升立体覆盖效果验证

青岛世奥国际楼宇高100 m左右，长宽40 m左右，楼内四周为房间，中间为电梯和楼道，房间门较小，对信号衰减非常大，贯穿覆盖困难较大。覆盖方案选择在世奥国际斜对面的东海路移动大楼的裙楼位置建设3D-MIMO小区，将3D-MIMO的垂直波瓣宽度由普通模式的10°调整为60°，水平方向调整为30°，尽可能将功率分配在垂直方向。

借助3D-MIMO技术，使世奥国际大厦面向站点一侧内部场强从脱网提升至平均-100 dBm左右，室内定点测试平均下载速率在20 MB/s左右，同时平均SINR也有较大幅度的提升，由之前的2～7提升至20以上。同时，与传统8通道宏站相比，3D-MIMO站点各自的小区边缘下行速率提升5至8倍，对用户感知改善明显。

5 结束语

由以上对比分析可知，3D-MIMO技术通过多天线空间覆盖的方式增强了小区的覆盖深度，利用高精波束降低了小区间干扰，实现精准覆盖，其立体化空间特性还增强了频谱利用，提升了用户容量，很大程度上弥补了传统MIMO的不足，有效地提升了用户在数据业务上的优秀体验感。在3D-MIMO技术带来诸多优势的同时，不得不正视其所存在的不足，如天线数量的增加使得受风受力面加大，无形中增加了抱杆或者墙体安装的施工成本，并存在更大的安全隐患。一个新兴技术的创始之初总会有所缺陷，但是相信随着技术的不断完善也演进，3D-MIMO会在这个高速信息时代大放异彩。

参考文献：

[1] Thomas T， Vook F W. Transparent user-specific 3D MIMO in FDD using beamspace methods[A]. Global Communications Conference[C]. 2012： 4618-4623.

[2] 张彬，温正阳. 3D-MIMO技术在后LTE时代中的应用[J]. 移动通信， 2015，39（10）： 28-31.

[3] 于凯. 5G移动通信系统中3D MIMO的波束形成[D]. 大连： 大连海事大学， 2016.

[4] 郑侃，邵斌，赵龙，等. 一种3D-MIMO系统的波束赋形实现方法： 中国， CN104158577A[P]. 2014-08-27.

[5] Jiang Y， Wang Y. Research on Multi-user MIMO Performance in 3D-MIMO Channel Model of TD-LTE-Advanced System[J]. Modern Science & Technology of Telecommunications， 2014.

[6] 李明，郭云飞，丁亮，等. 一N改进的3D-MIMO-GBSBEM信道模型[J]. 信息工程大学学报， 2014，15（2）： 187-192.

[7] Huang X， Xiangjun L I， Fang Y. Imaging method of airborne downward-looking 3D-MIMO-SAR with alternate-transmitting mode[J]. Journal of Xidian University， 2013.

[8] 荆梅芳，卫瑞平，苏昕，等. 极化天线阵列的3D-MIMO信道模型[A]. 2013全国无线及移动通信学术大会论文集（上）[C]. 2013.

[9] 董丽峰，肖莹，刘群. LTE关键技术3D-MIMO[J]. 科技创新与应用， 2016（34）： 86.

[10] 金婧. 3D-MIMO从理论到实践[J]. 移动通信， 2016，

40（17）： 36.