3D-MIMO性能驗證及應用策略研究

1 背景

4G網絡自商用以來，用戶數及流量快速增長，用戶在移動端的網絡使用行為向隨時接入、高容量需求接入演變。隨著大流量大視頻的到來，4G網絡核心熱點區域的容量壓力將進一步加劇。為應對挑戰，需研究在近中期能盡可能兼容現有終端和網絡，能充分利用已有站址和頻率等資源，同時能大幅提升網絡覆蓋及容量的新技術，3D-MIMO正是在此背景下提出的無線網絡新技術，為用戶提供極高的數據傳輸速率，滿足網絡極高的流量密度需求。

2 3D-MIMO技術簡介

3D-MIMO是下一代移動蜂窩通信網絡（5G）中提高系統容量和頻譜利用率的關鍵技術。3D-MIMO通過引入陣列天線，可以形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區域內，在水平和垂直兩個維度動態調整信號方向，形成信號能量更集中、方向更精準的波束，支持更多用戶在相同資源上并行傳輸，顯著提高了系統的空間分辨率，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[1，2]，構建高效通信系統。3D-MIMO主要通過下行精準波束賦形、上行增強接收分集、波束三維可調等技術來提升頻譜效率、增強基站覆蓋、提升基站容量（吞吐量）和服務質量（服務用戶的速率，尤其是邊緣用戶）等方面的能力[3，4]，具體示意圖如圖1所示。

圖1 3D-MIMO技術特點

3 3D-MIMO性能測試及評估分析

基于前述3D-MIMO技術理論分析，本節主要通過現場試點測試，驗證該技術應用到現網的實際性能。本次選取部署3D-MIMO具有代表性的某一類城市密集商業區、高樓場景作為測試地點，采用某廠家設備對3D-MIMO與8T8R 兩種天線站型進行覆蓋對比、容量對比、3D-MIMO上下行峰值速率測試及3D-MIMO CCE受限研究，并進一步開展評估分析。

3.1 測試場景

本次測試選取測試場景及參數具體如表1所示，其中密集區域場景進行3D-MIMO性能測試、與8T8R的覆蓋及容量對比測試，高樓區域場景只進行3D-MIMO性能測試。

表1 3D-MIMO測試場景與參數

具體測試場景如圖2所示，其中密集城區場景特點為商業密集區，建筑物密集且道路狹窄，人流多；某高樓測試場景主要為辦公區域，覆蓋路面及辦公樓場景。

圖2 3D-MIMO測試場景

3.2 3D-MIMO測試驗證及結論

針對上述測試場景，進行3D-MIMO與8T8R覆蓋及容量對比測試、3D-MIMO上下行峰值速率測試、3D-MIMO CCE受限研究等四個方面對比測試及性能驗證。

本文具體以3D-MIMO與8T8R進行容量性能對比測試為例分析，詳細介紹測試方法、測試結果及測試結論，來驗證3D-MIMO容量性能。其它驗證測試方式與此相似。

（1）測試方法

① 基站設置傳輸模式為TM3/8自適應，并開啟MUBF功能；

② 采用16部測試終端隨機部署在室外，按照近：中：遠點為1:2:1的比例分布。接入3D-MIMO基站的同一個小區，發起下行UDP灌包，由路測軟件記錄各個終端的傳輸模式、下行RSRP、SINR、下行PDCP層吞吐量；隨后切換為上行UDP灌包，記錄上行吞吐量；同樣的接入8T8R基站進行相關測試。

（2）測試結果

隨機擺點場景下， 3 D - MIMO的小區上行容量為19.1 Mbit/s，8T8R為5.1 Mbit/s；3D-MIMO的小區下行容量為370 Mbit/s，8T8R則為48 Mbit/s。

（3）測試結論

3D-MIMO 上行有更多的天線收，能明顯提升UL接收性能，提升UL小區容量；3D-MIMO下行有更多的天線發，BF性能更好，并且能更多MUBF配對層數，下行小區容量得到明顯提升。隨機擺點場景下，3D-MIMO的小區上行容量是8T8R的3.7倍，3D-MIMO的小區下行容量是8T8R的7.7倍；3D MIMO技術能夠大幅度提高小區容量。

3D-MIMO與8T8R覆蓋及容量對比測試，3D-MIMO上下行峰值速率測試、CCE受限研究各項測試及結果如表2所示。

表2 3D-MIMO測試及結果

3.3 3D-MIMO測試小結

經過試點測試驗證，3D-MIMO在峰值吞吐率方面，單載波下行吞吐量理論值為747.2 Mbit/s，測試值為640 Mbit/s，單載波上行吞吐量理論值為40.8 Mbit/s，測試值為40 Mbit/s，經測試單載波上下行吞吐量測試值均與理論值接近，能顯著提高現有網絡速率。

3D-MIMO在覆蓋方面，3D-MIMO較8T8R方案的下行覆蓋能力顯著提升且邊緣覆蓋提升5～6 dB，上行多天線接收能力增強且邊緣覆蓋提升3～5 dB，因此3D-MIMO較8T8R覆蓋距離明顯增加，在現網規劃時可考慮增加站間距或利用覆蓋增強提升網絡深度覆蓋水平。

3D-MIMO在容量方面，3D-MIMO較8T8R在小區上下行容量上均有成倍增加，因此它具有更高的頻譜效益，適用于解決高熱區域場景。同時經測試，只有在站點的CCE資源不受限時，才能保證3D-MIMO的吞吐量增益達到充分發揮。

4 應用策略及建議

4.1 適用場景需求

4G網絡經過多期規模建設，城區加站愈發困難，隨著4G大視頻大流量業務的發展，流量高地、高樓覆蓋以及TDD上行覆蓋提升是主要訴求。3D-MIMO的部署主要適用以下場景需求：

（1）流量高地：該場景下，頻譜資源有限，而現有載波資源不足，需要采用新的技術手段，在不需要用戶更換終端的前提下，能夠大幅提升頻譜效率，滿足移動網絡流量的激增需求。

（2）高樓場景：對高樓場景因存在傳統室分方案建設成本高、業主協調困難、后期維護難度大且周圍建筑天面空間有限等問題，在傳統方案部署難且無法形成有效覆蓋時，可考慮引入；同時，對高層建筑因建筑物厚度大、穿透損耗大，深度覆蓋不足、垂直維度覆蓋要求高時，可考慮引入。

（3）上行覆蓋要求提升：對雙V驅動、用戶體驗訴求強烈、上行是重點考慮的場景，可考慮引入；網絡快速發展帶來的VoLTE、視頻上傳、企業等新市場訴求強烈場景，可考慮引入。

4.2 TDD LTE實現3D-MIMO優勢分析

對LTE網絡而言，建議考慮在TDD LTE網絡率先部署3D-MIMO，因為在TDD LTE網絡上部署3D-MIMO較FDD LTE更有優勢。主要體現在以下方面。

（1）TDD LTE較FDD LTE在實現3D-MIMO時在設備改造上更簡單且技術上更有優勢。因為3D-MIMO的天線端口較多，基站側采用TRX上移到天線實現，且TDD制式不需雙工器，在尺寸上具有優勢，而FDD 在實現3D-MIMO時存在無源交調問題，技術上有瓶頸。

（2）TDD LTE上實現3D MIMO時終端無需改動，避免大規模的終端更換而更易部署和推廣。TDD LTE上實現3D-MIMO不需協議支持，終端不需要測量，可節約芯片成本20%。TDD LTE是利用下行預估上行，所以節省導頻開銷，而FDD 上實現3D-MIMO會增加20%導頻開銷。FDD終端芯片需要增加20%的測量處理資源，另外老終端無法支持。

4.3 規劃應用建議

在考慮引入3D-MIMO部署時，建議對不同場景規劃應用建議如下。

（1）優先考慮將3D-MIMO部署到高熱場景，如大流量、用戶數不是主要瓶頸的場景，應優先考慮部署3D-MIMO。

（2）考慮替換原站址引入3D-MIMO方案，因為3D-MIMO相比普通8T8R天線站點，允許的路徑損耗要多3.5 dB，故理論上站間距可適當加大，但由于目前已完成規模建設，且現網深度覆蓋不足，建議利用此增益來進一步提升深度覆蓋水平。因此，上述應用場景下建議在原站址替換建站方案。

（3）考慮新建站點時引入3D-MIMO方案，因當前4G網絡已完成基本城區內建設，對城區外新增覆蓋區域，考慮到建設成本和業務需求，不建議采用3D-MIMO設備成片新建；對補熱加站建設場景，建議考慮引入，為保證路測指標不下降，站間距建議控制在對應場景8T8R站點的1.1倍以內。

5 存在問題及改進建議

雖然3D MIMO在4G化的應用測試中顯示出優越的性能，但目前的技術、產品實現以及在工程建設中仍然存在不少問題。

（1）抱桿承重問題：普通8通道天線迎風面積約0.45 m2左右，重量14～25 kg左右，而3D-MIMO天線迎風面積小于0.4 m2，重量40～45 kg左右。3D-MIMO天線重量及風阻明顯增大，建議利舊原有抱桿或新建抱桿安裝3D-MIMO設備時做好承重評估。后續一方面要引導設備廠商進一步降低產品重量和迎風面積；另一方面要在細分建設場景的基礎上，通過因地制宜的設計方案和施工措施，提高建設成功率。

（2）供電和散熱問題：3D-MIMO的RRU與天線集成在一起，在建設維護中需要注意該部分有源器件在室外環境下供電的安全性。因高度集成且內置有源設備后，發熱量較大，需考慮在炎熱環境下的散熱性能以及設備耐久性。

（3）傳輸擴容問題：由于回傳能力的需求提高，部分基站傳輸配置需要擴容，建議擴容配置如表3所示。