對(duì)3D-MIMO天線技術(shù)應(yīng)用的探討

◆洪家振

對(duì)3D-MIMO天線技術(shù)應(yīng)用的探討

◆洪家振

(中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇 210019)

對(duì)3D-MIMO天線技術(shù)來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)大規(guī)模陣列天線的集成，以多天線技術(shù)與空分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠完成三維精準(zhǔn)波束賦形與多流多用戶資源復(fù)用。在3D-MIMO天線技術(shù)支持下，能夠保證網(wǎng)絡(luò)容量大幅度提高，具備更加強(qiáng)大的深度覆蓋能力，并有效減少系統(tǒng)感染，實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)速率與用戶感知的全方位提升。基于此本文將簡(jiǎn)述3D-MIMO天線技術(shù)的應(yīng)用背景，并介紹了3D-MIMO天線技術(shù)的原理，最后以具體的實(shí)例分析3D-MIMO天線技術(shù)的應(yīng)用效果。

3D-MIMO天線技術(shù)；天線陣列；波束賦形

0 前言

3D-MIMO除了能夠?qū)σ延械腡D-LTE進(jìn)行增強(qiáng)以外，還有利于促使5G的容量與頻率效率提高。3D-MIMO天線技術(shù)主要采用了二維天線陣列，能夠避免受到傳統(tǒng)天線只具備水平維度的影響，并可以在水平與垂直兩個(gè)方面完成MIMO，從而讓MIMO有更多的空間維度進(jìn)行利用。此外，依托于3D-MIMO信道模形產(chǎn)生的信道傳輸參數(shù)和真實(shí)通信將保持良好相符性，能夠促使多天線技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步提升，并獲得更大成效，對(duì)促進(jìn)天線通信系統(tǒng)性能提升有重要的意義。

1 3D-MIMO天線技術(shù)應(yīng)用背景

在4G時(shí)代下，用戶數(shù)量逐年增長(zhǎng)，各種應(yīng)用業(yè)務(wù)也飛速發(fā)展，但在城市很多小區(qū)與公共場(chǎng)所中將面臨著越來(lái)越沉重的業(yè)務(wù)壓力，對(duì)于這些流量熱點(diǎn)區(qū)域來(lái)說(shuō)，已經(jīng)不能采取載波擴(kuò)容解決問(wèn)題。加之用戶數(shù)量的大量增加，不僅會(huì)產(chǎn)生巨大的干擾，也將引起上行受限等問(wèn)題。在LTE網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，需要探索更加有效的方法與手段，既要增加容量，還要進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋面，并有效減少各種干擾[1]。而通過(guò)對(duì)3D-MIMO天線技術(shù)的應(yīng)用，能夠讓上述目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，這是一種以MassiveMIMO為基礎(chǔ)的新型天線覆蓋技術(shù)，主要借助與雷達(dá)差不多的天線陣列，能夠從水平與垂直等方向?qū)π盘?hào)作出相應(yīng)的調(diào)整，從而有效集中已有的信號(hào)能量，并獲得精準(zhǔn)的方向，減少各小區(qū)之間形成的干擾。在應(yīng)用3D-MIMO天線技術(shù)以后，有利于各用戶在相同頻譜資源上傳輸，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)吞吐量與邊緣用戶速率的顯著提升。

2 3D-MIM0技術(shù)原理概述

2.1 超寬垂直波瓣，提升覆蓋能力

圖1 3D-MIMO波束垂直方向傾角可調(diào)

3D-MIM0技術(shù)不僅能夠?qū)μ炀€水平維度角度作出調(diào)節(jié)，還增加了垂直維度角度機(jī)制，能夠?qū)Υ怪本S度作出釋放，有效提升空間復(fù)用，獲得更大的小區(qū)容量[2]。而傳統(tǒng)MIMO技術(shù)僅僅可以作出平面信號(hào)傳播，不同于傳統(tǒng)MIMO基站，3D-MIMO基站能夠?qū)⒄麄€(gè)建筑覆蓋在內(nèi)，包括60°垂直范圍和10-20°水平范圍。通過(guò)對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了覆蓋范圍小的難題，促使小區(qū)邊緣業(yè)務(wù)速率大幅度提升。具體情況如圖1所示。

2.2 高精度波束賦形，減少系統(tǒng)干擾

波束賦形實(shí)現(xiàn)精度提升以后，能夠有效減少為系統(tǒng)帶來(lái)的干擾，在運(yùn)用3D-MIMO天線技術(shù)以后，能夠獲得更加高精的三維波速，這不同于普通宏站賦形波束為鄰區(qū)UE造成的干擾，不僅讓波束寬度減少了50%，也有效實(shí)現(xiàn)了干擾的最大程度減少。在建設(shè)3D-MIMO基站以后，通過(guò)獲得的高精波束，能夠讓覆蓋變得更加精準(zhǔn)，利用智能權(quán)值進(jìn)行分區(qū)，同時(shí)讓場(chǎng)館得到精準(zhǔn)覆蓋，能夠有效減少小區(qū)之間造成的干擾[3]。這樣可以減少對(duì)站點(diǎn)的建設(shè)，節(jié)約資金的投入，可以對(duì)用戶位置作立體的、全方位的追蹤，尤其是能夠讓VIP區(qū)域得到有力保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)VIP用戶的精準(zhǔn)保護(hù)，具體如圖2所示。

圖2 3D-MIMO波束變窄示意圖

2.3 多天線空分復(fù)用，提高頻譜效率

不同于傳統(tǒng)MIMO，3D-MIMO運(yùn)用的天線模型也有較大變化，其數(shù)量有了很大提升。因?yàn)閷?duì)波束的窄化，在空間資源不變的情況下，能夠讓空間復(fù)用變得簡(jiǎn)單，并有效提升了能夠復(fù)用的流數(shù)[4]。對(duì)普通宏站的下行2流空分復(fù)用下來(lái)，在運(yùn)用3D-MIMO天線技術(shù)以后，能夠獲得下行8-16流的空分復(fù)用和上行4-8流的空分復(fù)用，以此擴(kuò)展了小區(qū)容量，并實(shí)現(xiàn)了頻率效率的提高。具體情況如圖3所示。

圖3 3D-MIMO空分復(fù)用增強(qiáng)示意圖

3 3D-MIMO天線技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 試點(diǎn)概況

小區(qū)A、小區(qū)B和小區(qū)C位于城市交通樞紐旁，周邊有很多的酒店與公共場(chǎng)所，不僅有巨大的人流量，同時(shí)也有龐大數(shù)量的移動(dòng)上網(wǎng)用戶。為提升小區(qū)容量和覆蓋范圍，保證每個(gè)用戶的正常上網(wǎng)需求，先選擇應(yīng)用D-MIMO天線技術(shù)，在基站設(shè)備D-MIMO改造結(jié)束后，得出網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)對(duì)比，具體情況與效果將在后文闡述。

3.2 下行性能測(cè)試結(jié)果

主要采取單UE測(cè)試方式，因?yàn)楦脑熘斑@三個(gè)小區(qū)是載波聚合小區(qū)，而改造后成單小區(qū)，則在完成改造以后，單小區(qū)用戶數(shù)量增加了一倍。表1、表2分別為下行性能與上行性能的測(cè)試結(jié)果。

表1 下行性能測(cè)試結(jié)果

表2 上行性能測(cè)試結(jié)果

3.3 流量和用戶感知增益

通過(guò)在小區(qū)A、小區(qū)B和小區(qū)C中應(yīng)用3D-MIMO天線技術(shù)，下行流量和上行流量一共為29.95GB，增長(zhǎng)幅度為21.69個(gè)百分點(diǎn)；小區(qū)中用戶數(shù)平均增長(zhǎng)26.58個(gè)，增長(zhǎng)幅度為8.13%個(gè)百分點(diǎn)。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)3D-MIMO天線技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)容量的大幅度提升。上行用戶體驗(yàn)速率與下行用戶體驗(yàn)速率分別增長(zhǎng)了0.79Mbps和5.87Mbps，用戶感知得到了有效增強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，通過(guò)對(duì)3D-MIMO天線技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以將高頻率資源空間充分挖掘出來(lái)，實(shí)現(xiàn)頻譜效率的有效提升，還能切實(shí)增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)，有利于解決話務(wù)熱點(diǎn)相關(guān)問(wèn)題，呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用應(yīng)用前景。在3D-MIMO天線技術(shù)深入應(yīng)用過(guò)程中，我們應(yīng)該繼續(xù)加大探索與研究力度，確保盡快形成商務(wù)部署能力，為4G技術(shù)朝著5G技術(shù)的不斷演進(jìn)奠定良好的基礎(chǔ)。

[1]黃曉棟，王銳.3D-MIMO技術(shù)應(yīng)用研究[J].電信技術(shù)，2017.

[2]李德忠，白波，林琳.3D-MIMO技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證研究[J].移動(dòng)通信，2017.

[3]劉鵬，解偉.某市3D-MIMO試點(diǎn)方案解析[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2016.

[4]張彬，溫正陽(yáng).3D-MIMO技術(shù)在后LTE時(shí)代中的應(yīng)用[J].移動(dòng)通信，2015.