D-MIMO技術(shù)特性的測(cè)試和評(píng)估

李軍

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司，河南 鄭州 450008）

D-MIMO技術(shù)特性的測(cè)試和評(píng)估

李軍

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司，河南 鄭州 450008）

為了有效解決4G密集組網(wǎng)中嚴(yán)重的同頻干擾問題，對(duì)分布式MIMO技術(shù)特性進(jìn)行了全方位測(cè)試和評(píng)估，得出了推廣部署的經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證表明，D-MIMO適用于4G重疊覆蓋嚴(yán)重的場(chǎng)景，可明顯降低密集組網(wǎng)中小區(qū)間的同頻干擾，有效改善邊緣用戶體驗(yàn)。

D-MIMO 同頻干擾 聯(lián)合發(fā)送 邊緣用戶 超密集組網(wǎng)

1 引言

隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)、VoLTE高清語音、視頻等寬帶業(yè)務(wù)的普及，提升網(wǎng)絡(luò)容量和用戶體驗(yàn)成為4G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。一般情況下，可通過增加基站、系統(tǒng)帶寬等傳統(tǒng)手段擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量，但TD-LTE采用同頻組網(wǎng)，隨著基站密度的提高，小區(qū)間的干擾也會(huì)隨之加重，則導(dǎo)致用戶體驗(yàn)下降，網(wǎng)絡(luò)容量難以繼續(xù)提升。如何突破網(wǎng)絡(luò)容量限制、提升邊緣用戶體驗(yàn)、打造以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)成為4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化的焦點(diǎn)。通過在4G密集組網(wǎng)部署中引入D-MIMO（Distributed-MIMO，分布式MIMO）技術(shù)，全方位測(cè)試和評(píng)估D-MIMO技術(shù)特性，積累部署經(jīng)驗(yàn)，可支撐4G+超密集組網(wǎng)建設(shè)。

2 D-MIMO原理

MIMO是4G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過在單個(gè)小區(qū)采用多個(gè)天線進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的收發(fā)，并根據(jù)用戶無線環(huán)境的不同，自適應(yīng)多種傳輸模式以規(guī)避網(wǎng)絡(luò)干擾，達(dá)到分集與復(fù)用的最優(yōu)組合，有效提升用戶感知。4G網(wǎng)絡(luò)干擾源主要來自小區(qū)間，單小區(qū)MIMO技術(shù)無法消除干擾。如圖1所示，基于D-MIMO技術(shù)的解決方案充分利用了相鄰小區(qū)間的重疊覆蓋，將多個(gè)重疊覆蓋嚴(yán)重的小區(qū)形成一個(gè)D-MIMO簇，針對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行多小區(qū)聯(lián)合發(fā)送，將干擾化為接收能量，提升邊緣用戶上網(wǎng)速率。D-MIMO通過將分布在不同地理位置的天線進(jìn)行聯(lián)合的數(shù)據(jù)發(fā)送，可以將其他基站的干擾信號(hào)變成有用信號(hào)，在協(xié)調(diào)基站間同頻干擾的同時(shí)充分利用多個(gè)小區(qū)的天線進(jìn)行聯(lián)合的下行多流發(fā)送和上行多流接收，提升傳輸?shù)牧鲾?shù)，從而提升單用戶的吞吐量和系統(tǒng)頻譜效率，保證單位面積的吞吐量隨著站點(diǎn)數(shù)的增加穩(wěn)步增長(zhǎng)，D-MIMO是目前4G密集組網(wǎng)規(guī)劃中重要的用于降低干擾和提升容量的技術(shù)之一。

圖1 D-MIMO技術(shù)原理

D-MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于突破了傳統(tǒng)以基站為中心的建網(wǎng)思路，打造以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃新模式，利用小區(qū)間分布式天線獲取高階MIMO增益，針對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)合發(fā)送，將干擾轉(zhuǎn)換成接收能量，提升重疊覆蓋區(qū)域用戶的上網(wǎng)速率。D-MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式包括基于小區(qū)合并D-MIMO和小區(qū)間D-MIMO。兩者相比，小區(qū)間D-MIMO更適用于小區(qū)密度高、用戶容量大、業(yè)務(wù)重的密集場(chǎng)景。目前，大多數(shù)廠家已推出基于小區(qū)合并D-MIMO技術(shù)，正在研發(fā)小區(qū)間D-MIMO方案。

3 D-MIMO關(guān)鍵技術(shù)

D-MIMO主要采用空口通道校正、BF（Beam Forming，波束賦形）聯(lián)合權(quán)值計(jì)算、MUJT（Multiple User Joint Transmission，多用戶聯(lián)合發(fā)送）權(quán)值正交化等關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 空口通道校正

（1）空口通道校正。D-MIMO采用分布式小區(qū)RRU架構(gòu)，不同位置的小區(qū)RRU發(fā)射信號(hào)的幅度和相位不同。配置D-MIMO簇并開啟空口通道校正后，eNodeB自動(dòng)周期性地發(fā)起簇內(nèi)RRU間通道校正流程，校準(zhǔn)所有分布式天線的通道幅相，完成多個(gè)小區(qū)RRU相位同步，保證多個(gè)RRU收發(fā)一致，保證UE接收到多個(gè)RRU的信號(hào)同相疊加。聯(lián)合發(fā)送以2個(gè)小區(qū)RRU為例的示意圖如圖2所示：

（2）BF聯(lián)合權(quán)值計(jì)算。基于TDD上下行互易性，計(jì)算用戶到每個(gè)天線的收發(fā)時(shí)間差，通過波束賦形聯(lián)合權(quán)值進(jìn)行計(jì)算，確保到達(dá)UE的信號(hào)同相位疊加，達(dá)到強(qiáng)度最大。

（3）MUJT權(quán)值正交化。對(duì)于單用戶而言，通過獲得更多 天線維度的相干陣列增益，可提升用戶的SINR值，從而提升UE吞吐量。UE聯(lián)合RRU天線數(shù)越多，獲得陣列增益越大，SINR越大。對(duì)于多用戶，通過權(quán)值正交化算法，可實(shí)現(xiàn)多用戶聯(lián)合發(fā)送（MUJT），有效降低用戶間干擾，并實(shí)現(xiàn)多用戶的空間復(fù)用。

如圖3所示，多用戶聯(lián)合發(fā)送通過權(quán)值正交化，相干聯(lián)合發(fā)送，可降低用戶間干擾，化干擾為容量，并實(shí)現(xiàn)多用戶的空間復(fù)用。圖3中用戶1的下行數(shù)據(jù)用權(quán)值向量通過正交化，加權(quán)后，經(jīng)過用戶2的無線信道到達(dá)用戶2時(shí)反向抵消信號(hào)能量；同理，用戶2的下行數(shù)據(jù)用權(quán)值向量通過正交化，加權(quán)后，經(jīng)過用戶1的無線信道到達(dá)用戶1時(shí)反向抵消信號(hào)能量。

4 D-MIMO組網(wǎng)部署

圖3 MUJT權(quán)值正交化

D-MIMO將多天線技術(shù)應(yīng)用到多個(gè)地理位置不同的基站之間，在提升小區(qū)下行傳輸數(shù)據(jù)流數(shù)的同時(shí)，可對(duì)小區(qū)間的干擾進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。為了能充分利用周圍小區(qū)的天線，D-MIMO適用于小區(qū)間重疊覆蓋度較高、站間距較小的場(chǎng)景。D-MIMO主要適用場(chǎng)景如下：

◆超密集組網(wǎng)：體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、火車站、宴會(huì)廳等；

◆室外密集宏基站或微基站：中央商務(wù)區(qū)、商業(yè)街、地標(biāo)區(qū)域、景區(qū)；

◆立體異構(gòu)網(wǎng)（宏微協(xié)同）：宏基站+微基站。

基于小區(qū)合并技術(shù)的D-MIMO組網(wǎng)方案將一片區(qū)域內(nèi)多個(gè)重疊覆蓋嚴(yán)重的基站組合起來形成一個(gè)超級(jí)基站簇，工程上一般要求基站間距小于150 m，區(qū)域內(nèi)能同時(shí)接收至少3個(gè)小區(qū)信號(hào)，并且信號(hào)電平差值要求在6 dB以內(nèi)。在網(wǎng)管側(cè)對(duì)4G基站進(jìn)行軟件升級(jí)，終端則無需進(jìn)行改動(dòng)或升級(jí)。通過基站間集中式的多用戶調(diào)度、預(yù)編碼和聯(lián)合波束賦形，可實(shí)現(xiàn)多用戶的空間復(fù)用，提升用戶感知和網(wǎng)絡(luò)容量。D-MIMO部署后，主要用于改善深度覆蓋，也可以用于提升系統(tǒng)容量和改善用戶體驗(yàn)。部署D-MIMO后理論上小區(qū)平均頻譜效率能提升5%～10%，普通用戶體驗(yàn)速率能提升20%～30%，邊緣用戶體驗(yàn)速率能提升20%～50%。

5 D-MIMO測(cè)試與評(píng)估

5.1 站點(diǎn)部署

選取鄭州市興華街168號(hào)院東門為D-MIMO部署測(cè)試場(chǎng)景，新建4個(gè)EasyMacro微基站，采用基于小區(qū)合并D-MIMO組網(wǎng)部署方式，站間隔30 m左右，站高4.5 m左右，方向角均朝向紅橙假日商務(wù)酒店（即預(yù)設(shè)重疊覆蓋度嚴(yán)重區(qū)域），如圖4所示：

圖4 D-MIMO部署測(cè)試試點(diǎn)搭建

5.2 多用戶測(cè)試

（1）測(cè)試條件1：4部終端分別靠近4個(gè)RRU，如圖5所示：

圖5 小區(qū)下行容量測(cè)試點(diǎn)位選擇

如表1所示，在理想測(cè)試條件下開啟D-MIMO，單部終端下行速率保持在40 Mbit/s以上，較D-MIMO開啟前提升50%以上，其中小區(qū)下行總吞吐量峰值達(dá)到166 Mbit/s，較D-MIMO開啟前提升62.75%。

◆單用戶下行速率：如圖6所示，D-MIMO開啟前后，4部終端單用戶下行速率均能保持在40 Mbit/s以上，較D-MIMO開啟前的24 Mbit/s，提升60%以上。

◆小區(qū)總吞吐量：如圖7所示，開啟D-MIMO前后，小區(qū)的總吞吐量峰值達(dá)到166 Mbit/s，較D-MIMO打開前的102 Mbit/s，吞吐量提升62.75%。

（2）測(cè)試條件2：4部終端集中放置在同一位置，如圖8所示。

如表2所示，在相對(duì)極端測(cè)試條件下開啟D-MIMO，單部終端下行速率保持在22 Mbit/s～36 Mbit/s，小區(qū)下行總吞吐量峰值可達(dá)123 Mbit/s，較開啟前提升23%。

表1 小區(qū)多用戶分別靠近RRU下行容量測(cè)試結(jié)果

圖6 D-MIMO開啟前后好點(diǎn)單用戶下行速率對(duì)比

圖7 D-MIMO開啟前后好點(diǎn)小區(qū)下行吞吐量峰值對(duì)比

圖8 多用戶集中測(cè)試點(diǎn)位選擇

◆單用戶下行速率：如圖9所示，開啟D-MIMO前后，4部終端速率均保持在22 Mbit/s～36 Mbit/s，較D-MIMO開啟前速率提升44%。

◆小區(qū)總吞吐量：如圖10所示，開啟D-MIMO前后，小區(qū)總的吞吐量峰值達(dá)到123 Mbit/s，較D-MIMO開啟前的100 Mbit/s，吞吐量峰值提升23%。

5.3 邊緣速率測(cè)試

在第2和第3 RRU主覆蓋方向延伸，當(dāng)?shù)竭_(dá)信號(hào)電平RSRP降至-120 dBm～-126 dBm、SINR降至-3 dB～3 dB的區(qū)域，開始進(jìn)行單用戶邊緣速率測(cè)試，如圖11所示。

表2 多用戶集中的下行容量測(cè)試結(jié)果

圖9 D-MIMO開啟前后好點(diǎn)多用戶同時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)單用戶下行速率對(duì)比

圖11 邊緣速率測(cè)試點(diǎn)位選擇

D-MIMO關(guān)閉時(shí)單用戶下載速率在3 Mbit/s左右，開啟D-MIMO后用戶速率在12 Mbit/s左右，下行速率提升300%，如圖12所示。

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證表明，在重疊覆蓋嚴(yán)重的場(chǎng)景下開啟D-MIMO，可以顯著提升小區(qū)峰值速率和邊緣用戶速率。

6 結(jié)束語

圖12 D-MIMO開啟前后單用戶邊緣速率測(cè)試對(duì)比

D-MIMO是4G+網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它突破了傳統(tǒng)以基站為中心的建網(wǎng)思路，采用全新的以用戶為中心的建網(wǎng)方式，減輕了4G組網(wǎng)中的同頻干擾，改善了邊緣用戶體驗(yàn)。通過D-MIMO試點(diǎn)測(cè)試表明，在理想的測(cè)試條件下，小區(qū)容量峰值可達(dá)到166 Mbit/s，提升62.75%。在相對(duì)極端的測(cè)試條件下，小區(qū)容量峰值可達(dá)到123 Mbit/s，提升23%。在傳統(tǒng)信號(hào)最弱的小區(qū)邊緣，單用戶體驗(yàn)速率可達(dá)12 Mbit/s，與非D-MIMO站點(diǎn)覆蓋相比，下載速率提升300%。未來研究方向集中在如何增強(qiáng)4G基站協(xié)同處理能力，使例如通道校正、多用戶聯(lián)合發(fā)送等關(guān)鍵技術(shù)更成熟，相信D-MIMO能成為解決未來超密集組網(wǎng)問題的利器之一。

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Test and Evaluation on Technical Characteristics of D-MIMO

LI Jun
(China Mobile Communication Group Henan Co., Ltd., Zhengzhou 450008, China)

In order to effectively solve the serious co-frequency interference problem in 4G dense networks, the technical characteristics of the distributed MIMO (D-MIMO) were tested and evaluated comprehensively to derive the experience of promotion and deployment. The fi eld tests show that D-MIMO, which is suitable for the scenario of severely overlapped 4G coverage, not only highly reduces the inter-cell co-frequency interference in the dense networks, but also effectively improves the edge user’s experience.

D-MIMO co-channel interference joint sending edge user ultra dense networking

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.21.011

TN929.5

A

1006-1010(2017)21-0053-05

李軍. D-MIMO技術(shù)特性的測(cè)試和評(píng)估[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(21): 53-57.

2017-07-25

文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

李軍：博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司網(wǎng)優(yōu)中心，主要研究4G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)，從事移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化工作。