3D—MIMO技術(shù)測試驗證研究

李德忠+白波+林琳

【摘 要】3D-MIMO是4G+和5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，為了給出3D-MIMO應用建議，介紹了3D-MIMO技術(shù)原理及試驗基站的測試方法和結(jié)論，試驗結(jié)論證實3D-MIMO技術(shù)能夠顯著提升小區(qū)邊緣速率和吞吐量。

【關(guān)鍵詞】3D-MIMO 小區(qū)邊緣速率 小區(qū)吞吐量

Study on the Test of 3D-MIMO

LI Dezhong， BAI Bo， LIN Lin

[Abstract]3D-MIMO is one of the key techniques of 4G+ and 5G. In order to present the suggestion on the application of 3D-MIMO， the technical principle of 3D-MIMO was introduced， as well as the testing method and conclusions were explained. Experimental results verify that 3D-MIMO technique can effectively enhance the rate and throughput in the cell edge.

[Key words]3D- MIMO cell edge rate cell throughput

1 3D-MIMO研究背景

隨著4G網(wǎng)絡的建設發(fā)展，城市熱點區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的頻譜資源難以滿足容量需求，獨棟高層等特殊場景網(wǎng)絡覆蓋部署難度較大。3D-MIMO是4G+和5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過使用類似雷達的天線陣列，可在水平和垂直兩個維度動態(tài)調(diào)整信號方向，使信號能量更集中，方向更精準，支持更多用戶在相同頻譜資源上并行傳輸，從而達到提升小區(qū)吞吐量及邊緣用戶速率的效果。3D-MIMO設備由于通道數(shù)成倍增加，現(xiàn)網(wǎng)基站設備基帶板卡無法支持，3D-MIMO設備是一種新的宏基站型態(tài)。

2 3D-MIMO技術(shù)原理

3D-MIMO基站配置的天線數(shù)目通常有幾十、幾百甚至幾千根，是現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)天線數(shù)目的1～2個數(shù)量級以上。3D-MIMO顯著提高了系統(tǒng)的空間分辨率，能夠深度挖掘空間維度資源，提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力。它可以形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內(nèi)，構(gòu)建高效通信系統(tǒng)。當基站天線數(shù)目遠大于UE數(shù)目時，系統(tǒng)具有很高的空間自由度、抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性能。

3D-MIMO技術(shù)的4G化應用，通過空間分集、空間復用和波束賦形等技術(shù)，增強基站覆蓋能力、提升小區(qū)吞吐量、提高邊緣用戶速率。

傳統(tǒng)的基站垂直波瓣較窄，在覆蓋高層建筑時，只能覆蓋到部分樓層。使用3D MIMO技術(shù)，在原有水平波束賦型基礎上，增加垂直維度的波束賦型能力，實現(xiàn)三維BF效果，借助更窄的用戶波束，全面提升多用戶空分復用能力，垂直波寬可達35～40度。

3D-MIMO設備利用較強的下行波束賦型能力以及很好的上行解調(diào)能力，提升深度覆蓋能力和高調(diào)制比例，從而進一步提升速率。

3D-MIMO設備利用多天線MU-MIMO技術(shù)，通過多個并行數(shù)據(jù)流傳輸，提高了頻率利用效率。使網(wǎng)絡能力從2流提升到16流，擴展網(wǎng)絡能力空間，通過算法使普通商用終端進行復用配對，可提升頻譜效率5～8倍。

3 3D-MIMO技術(shù)測試驗證

3.1 測試場景

擬覆蓋建筑為25層（100 m）獨棟高層，建筑面積3×104 m2，樓層較高且內(nèi)部屏蔽嚴重，10層～25層室內(nèi)信號覆蓋較弱，平均信號電平約-100 dBm。部署3D-MIMO天線于大樓前方，掛高30 m，距離覆蓋大樓為240 m。

3.2 小區(qū)參數(shù)配置

128T128R總發(fā)射功率為40 W（46 dBm），帶寬20 MHz，單載波，支持D3頻段，支持典型的廣播權(quán)值，支持TM3/8自適應傳輸，支持上下行多用戶多流，下行支持16用戶空分復用，上行支持4用戶空分復用。

3.3 測試方法

測試內(nèi)容分為以下條目：

（1）基礎性能測試：包括接入性能測試、數(shù)據(jù)業(yè)務性能測試、CSFB業(yè)務和VoLTE業(yè)務性能測試。

按照以下選點原則，選取3個定點進行各項業(yè)務性能測試：

SINR：好點（SINR：15 dB～20 dB）、中點（SINR：5 dB～10 dB）、差點（SINR： -5 dB～0 dB）；

RSRP：近點（RSRP>-90 dBm）、中點（-105 dBm

（2）深度覆蓋測試：按照站高、站間距以及目前樓層的高度，調(diào)整3D-MIMO上仰角度，對樓層進行全體覆蓋測試。

（3）大容量測試：根據(jù)天饋半功率角特性，16部終端主要分布在空曠區(qū)域且天饋主瓣覆蓋方向，進行大容量上行和下行測試。

3.4 測試結(jié)果

（1）3D-MIMO下行高話務承載能力。在3D MIMO小區(qū)覆蓋下，16UE同時做下行業(yè)務，小區(qū)吞吐量穩(wěn)定在660 Mbps左右，單用戶下載速率穩(wěn)定在40 Mbps，單載波吞吐率是普通8T8R小區(qū)6倍以上。

（2）3D-MIMO高樓覆蓋能力：設備掛高30 m，試驗小區(qū)與測試高層間距約240 m情況下可實現(xiàn)100 m高樓全覆蓋，15～25樓層RSRP較8T8R小區(qū)平均提升9 dB～22 dB。

（3）3D-MIMO上行業(yè)務能力。在3D MIMO小區(qū)覆蓋下，4UE同時做上行業(yè)務，單用戶上傳速率穩(wěn)定在10 Mbps，小區(qū)吞吐量穩(wěn)定在40 Mbps左右，接近理論峰值，較傳統(tǒng)8T8R小區(qū)提升5倍以上。

（4）不同業(yè)務負荷對比測試顯示性能增益與業(yè)務負荷關(guān)聯(lián)較大。當忙時業(yè)務負荷超過50%時，上下行頻譜效率增益均超過1倍，流量增益超過30%。業(yè)務負荷較低場景中，可配對用戶數(shù)較少，頻譜效率增益約為50%～80%，流量與8天線小區(qū)持平。

4 3D-MIMO技術(shù)應用建議

3D MIMO技術(shù)在原有水平波束賦型基礎上，增加垂直維度的波束賦型能力，實現(xiàn)三維BF效果。垂直波寬可達35～40度，具備較強的下行波束賦型能力以及很好的上行解調(diào)能力，可用于城區(qū)高樓場景覆蓋，解決高樓站址緊張，墻體穿透損耗大等問題，天線掛高在20 m～30 m，樓間距在200 m～300 m左右的情況下，可保證20～25層樓宇的室內(nèi)覆蓋。

3D-MIMO設備使用多天線MU-MIMO技術(shù)，使網(wǎng)絡能力從2流提升至16流，擴展網(wǎng)絡能力空間，通過算法使普通商用終端進行復用配對，可提升頻譜效率5～8倍，用于話務較高的熱點區(qū)域，提升系統(tǒng)容量。

3D-MIMO基站采用了64T64R技術(shù)，對射頻模塊、基帶處理的要求大幅提高。目前初步分析綜合成本約為8天線宏站的3.5倍。

綜合考慮3D-MIMO基站的性價比，初期僅考慮在窮盡現(xiàn)有TD-LTE頻率資源和技術(shù)手段仍難以滿足覆蓋和容量需求的特殊場景進行部署。具體如下：

（1）高層高流量商務樓宇。覆蓋高層商務樓宇，應優(yōu)先使用大張角天線進行覆蓋，如無法滿足覆蓋需求時，可應用3D-MIMO基站。

（2）高校宿舍區(qū)、密集廣場、繁華路段等極端高流量區(qū)域。應優(yōu)先使用載頻擴容方案，在F/D頻段全部部署仍無法滿足容量需求時，可考慮應用3D-MIMO基站。

（3）重點室外活動區(qū)域保障。在人流量集中的大型室外活動區(qū)域通信保障時，可考慮應用3D-MIMO基站。

3D-MIMO組網(wǎng)方式與工程實施方式與傳統(tǒng)基站基本一致。設備質(zhì)量較傳統(tǒng)基站增加約10 kg～15 kg，對于利舊存量站點，需要復核站址的承重能力。3D-MIMO單小區(qū)吞吐量較原有8T8R基站大幅提升，對基站傳輸帶寬提出了更高要求，建議參考接入現(xiàn)網(wǎng)用戶的測試結(jié)果，初期按照傳統(tǒng)基站傳輸2倍考慮，后期根據(jù)實際容量增長情況逐步擴容。

5 結(jié)束語

高頻段可實現(xiàn)大陣列天線小型化，適合工程部署，3D-MIMO天線建議部署在2.6 G及以上頻段。

1.9 G及以下不適合工程部署。考慮到當前廠商3D-MIMO基站報價較高，初期暫不具備大規(guī)模組網(wǎng)條件，可以考慮在特殊場景進行覆蓋增強、容量提升補點應用。隨著3D-MIMO技術(shù)的不斷演進，面向5G技術(shù)新空口及高頻段的3D-MIMO技術(shù)勢必會在運營商的蜂窩網(wǎng)絡部署中占到一席之地。

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