高階MIMO實驗驗證及商用分析

詹文浩+戴國華

【摘 要】高階MIMO的應用將極大提高4.5G系統的頻譜效率，增強覆蓋，提高用戶的體驗速率，為了對高階MIMO進行研究，首先介紹其發展狀況，通過測試得出了高階MIMO在單站覆蓋、定點速率和路測上的增益，并且比較了不同傳輸模式下的下行速率，驗證了高階MIMO對現有網絡的提升。最后通過分析高階MIMO對網絡和終端的影響，總結了高階MIMO的商用前景和發展方向。

高階MIMO 單站覆蓋 定點速率

1 引言

由于當前4G網絡在速度、容量和應用體驗等方面存在局限，而5G的網絡預計也要到2020年后才會商用，因此3GPP定義了LTE-Advanced Pro（即4.5G）作為4G和5G之間承上啟下的新標準。4.5G作為LTE系統演進的必然方向，未來也將與5G系統長期共存。

在業界的宣傳當中，一般認為4.5G在eMBB場景下的關鍵技術主要包括：增強載波聚合技術（三載波或以上的聚合）、高階多天線技術（高階MIMO，FDD下行4×4 MIMO或以上、TDD下行8×8 MIMO或以上）、高階調制技術（下行256QAM/上行64QAM）、授權頻譜輔助接入（LAA，Licensed-Assisted Access）。其中高階MIMO的應用將極大提高4.5G系統的頻譜效率，增強覆蓋，提高用戶的體驗速率。本文將介紹FDD下行4×4 MIMO在現網上的實驗驗證情況，分析其商業部署的前景，并探討將會遇到的網絡和終端升級的問題。

2 FDD下行4×4 MIMO實驗驗證

中國電信聯合華為公司和高通公司在深圳對FDD下行4×4 MIMO技術開展了現網測試，測試頻段為1.8 GHz，帶寬均為15 MHz，傳輸模式默認為TM4。測試基站支持2天線發射或4天線發射，測試終端支持2天線或4天線接收。

2.1 單站覆蓋增益測試

單站的情況下，因為每根天線發射的功率相同，4天線發射的發射功率相比2天線發射增加一倍。在覆蓋邊緣區域，4×4 MIMO相比現有的2×2 MIMO還會有分集的增益。

針對室外覆蓋的場景，在覆蓋邊緣區域下三種MIMO類型的測試結果如圖1所示。

以接收功率-120 dBm作為小區覆蓋的邊緣，此時2×2 MIMO的速率約為7 Mbit/s，4×2 MIMO的速率約為12 Mbit/s，4×4 MIMO的速率約為18 Mbit/s。4×2 MIMO相比2×2 MIMO有71%的增益，4×4 MIMO相比2×2 MIMO增益為157%。如果以10 Mbit/s作為小區邊緣的參考速率，則4×2 MIMO相比2×2 MIMO的覆蓋有7 dB的增益，4×4MIMO在覆蓋上的增益會更大。

測試結果表明，4×4 MIMO可極大地增加單站的覆蓋，對于用戶數不大、流量需求不高的邊遠地區，使用4×4 MIMO可以減少基站的數量。

2.2 定點增益測試

定點的測試主要分為近點、中點和遠點。在近點，信道條件較好，終端可達到較高的接收功率和SINR，再通過基站配置來減少干擾。測試三種MIMO類型的峰值速率結果如圖2所示：

對兩組測試結果進行平均，4×4 MIMO的峰值速率可達到208.8 Mbit/s，2×2 MIMO和4×2 MIMO分別能達到107.7 Mbit/s和104.6 Mbit/s的速率。4×4 MIMO相比2×2 MIMO的峰值速率有94%的增益。因為近點信道條件較好，4×2 MIMO與2×2 MIMO配置下終端上報的RI值都為2，但由于4天線發射時導頻開銷較大，因此4×2 MIMO反而會有一定的負增益。

實驗中選定SINR值約為10 dB的點為中點，SINR值約為0 dB的點為遠點，各選取了12個點進行測試，在中遠點三種MIMO類型定點測試結果如圖3所示。

4×2 MIMO相比2×2 MIMO在中點的增益為10%到50%，在遠點能達到50%到100%的增益。4×4 MIMO相比2×2 MIMO在中點的增益為100%到150%，在遠點能達到150%到350%的增益。

測試結果表明，4×4 MIMO對定點的速率有很大的提升，在信道條件越差的情況下，4×4 MIMO的速率增益越大，在遠點時的速率提升最為明顯。

2.3 路測增益測試

路測可以很好地反應在終端移動的場景下網絡的整體情況，終端遍歷測試小區內的所有特征點，三種MIMO類型的路測結果如圖4所示。

按照50%的概率，2×2 MIMO的速率為39 Mbit/s，4×2 MIMO的速率為42.5 Mbit/s，相比2×2 MIMO增益為8.9%。4×4 MIMO的速率為60.1 Mbit/s，相比2×2 MIMO增益為54%。

在移動的場景下，4×2 MIMO的增益并不明顯，4×4 MIMO仍有較大增益，但相對于定點的增益要小很多。在移動場景下，無線環境變化更快，信道估計更加困難，4×4 MIMO對終端的信道估計的能力要求更高，因此對速率會有一定的影響。

2.4 TM9對比TM4測試

在3GPP Rel-10版本加入了TM9發送模式，使得LTE系統最多能支持8×8 MIMO。TM9引入了CSI-RS實現對CSI信號的反饋，同時使用DMRS和CRS實現對下行信號的相干解調和小區信號測量的反饋，多種參考信號的使用可以更準確地反饋信道信息，提高參考信號的利用效率，降低多天線發射時參考信號的開銷。但在實際使用中，為了兼容R8/R9版本的終端，在使用TM9時，需要保持原有的CRS結構，并且額外增加CSI-RS和DMRS，反而增加了參考信號的開銷。4×4 MIMO下TM9和TM4模式路測結果如圖5所示：

3 下行4×4 MIMO網絡和終端實現分析

通過實驗數據，可以看出下行4×4 MIMO對網絡覆蓋、網絡容量、峰值速率和用戶的使用速率都有較大的提升。在信道條件越差的區域，4×4 MIMO的速率增益越加明顯。4×4 MIMO作為4.5G關鍵技術，受到了許多運營商的關注。目前全球已經有超過20個國家部署了4×4 MIMO的商用或測試網絡，并且已經有部分高端的終端能夠支持4×4 MIMO的技術。

3.1 4×4 MIMO網絡部署及影響

相比原來LTE的基站，4×4 MIMO的基站最大的不同在于發射天線從2根變為4根，RRU數量翻倍。在實際部署當中，可以在原LTE基站上新增RRU，采用雙拼的方案將2天線升級為4天線。對于新建的基站，也可采用一體化的天線方案，直接部署4天線發射支持4×4 MIMO。支持4×4 MIMO的基站相比原LTE基站在成本上將會有不小的增加，但與此同時，4天線發射的基站對于覆蓋有很大的增強，在一些用戶和流量并不密集的區域可以減少基站的建設。

3.2 終端實現4×4 MIMO的難點

相比于基站側，4×4 MIMO對終端的影響將更大，終端不但需要考慮成本問題，還需要更多地考慮設計和空間的問題。目前包括三星、華為在內的一些終端廠商均有商用終端支持4×4 MIMO，但都只限于旗艦機型，預計今年還會有多款的終端可支持4×4 MIMO。

終端要支持4×4 MIMO，基帶芯片、射頻和天線是關鍵。目前高通、海思、MTK等芯片廠商的主流芯片均能支持4×4 MIMO甚至是多載波聚合下的4×4 MIMO，基帶芯片已經不成為瓶頸。但射頻與天線成為影響終端支持4×4 MIMO的主要因素。天線尺寸受波長影響，頻率越低，需要越大尺寸的天線，因此在低頻段需要的天線尺寸過大，受終端空間的限制，終端很難支持低頻段的4×4 MIMO。終端天線個數的增加還意味著射頻前端的數量也需要增加，隨之帶來的是終端成本的增加、終端內部空間的愈發緊張以及終端的功耗的提高等問題。

4 高階MIMO商用發展分析

4×4 MIMO的商用需要網絡和終端同步的促進和推動，若只有網絡支持4天線發射，對于整體的容量和速率并沒有很大的增益；若只有終端支持4天線接收，終端也只能單純地提高接收的功率。這導致網絡和終端支持4×4 MIMO所付出的代價并不劃算。因此在目前4×4 MIMO商用的前期，需要網絡和終端廠商的共同支持，才能讓4×4 MIMO系統能發揮最大的效益。

LTE在協議上最多能支持8×8 MIMO，但目前使用LTE的頻段多局限于3 GHz以下的頻段，在這些頻段內天線尺寸依舊較大，在終端在要布置8天線接收難度很大，因此預計在LTE上終端4天線接收會是極限。基站上布置8天線發射形成8×4 MIMO的模式，利用多用戶MIMO技術實現網絡整體容量的進一步提升也將是LTE階段MIMO演進的一種形式。但8天線發射的基站帶來的功率和改造上的挑戰也較大，現有的LTE基站將可能大部分無法通過升級改造來達到，因此目前尚沒有廠家對支持8天線發射基站有明確的規劃。從目前看來，4×4 MIMO將會是LTE系統發展的必然方向以及未來LTE系統的主流配置，通過4×4 MIMO、增強型載波技術和下行256QAM等技術的融合，LTE系統可達到Gbit/s級的下行傳輸，基本滿足了LTE-Advanced對于速率的要求。

5 結束語

本文介紹了FDD下行4×4 MIMO的實驗驗證情況，分析了網絡和終端實現4×4 MIMO的難點及未來高階MIMO商用的發展前景，從單站覆蓋、定點速率和路測等方面對4×4 MIMO的性能進行了測試，測試表明，4×4 MIMO對網絡覆蓋和用戶速率都有極大的提升。從技術實現的角度來看，4×4 MIMO對終端和基站都提出了更高的要求，但覆蓋能力的提升有利于提高網絡部署的靈活度。未來4×4 MIMO作為LTE-Advanced的關鍵技術將可能成為運營商LTE系統長期的主流配置。

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