MASSIVE MIMO在我國的應用分析

(樂山職業(yè)技術學院 四川 樂山 614000)

一、引言

LTE系統(tǒng)引入的關鍵技術顯著增加了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率，并支持多種帶寬分配，因而不僅頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋范圍也得到顯著提升[1]。2011年3月LTE Advanced作為LTE的下一代網(wǎng)絡技術標準正式誕生，在原有LTE標準的MIMO基礎上做了進一步的提升，標志真正的4G技術得以誕生。自2010年來，美國Bell實驗室、Rice大學、瑞典的Lund大學等引領著國際上學術界對Massive MIMO理論和技術問題進行深入探索。在2011年的技術研討會上展示了Massive MIMO原型機在節(jié)能和干擾抑制等方面的潛力和優(yōu)勢[2]。至此，Massive MIMO引起了研究者的廣泛注意，并在業(yè)界開始了火熱的研究。

二、大規(guī)模MIMO技術

Massive MIMO是指在基站端采用大規(guī)模的天線陣列，天線數(shù)量達到數(shù)十根甚至上百根，并且可以在同一時頻資源內服務于多個用戶[3]。在此基礎上，通過增加天線數(shù)目構建大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)，可以提高數(shù)據(jù)速率、服務更多移動終端。同時，也能在最大程度上保證運營商在前期設備上的投入，實現(xiàn)平滑過渡。

大規(guī)模MIMO引入了AAS(有源天線系統(tǒng))，降低了塔上安裝復雜度、設備數(shù)及成本，同時也提升了設備的可靠性。基站端可以支持上百根協(xié)作天線，大規(guī)模的天線陣列使得天線布局從原來的一維線性天線布陣到二維乃至三維的天線布陣，形成3D-MIMO技術[4]。3D-MIMO技術目前是大規(guī)模MIMO技術實現(xiàn)的典型方式，在應用領域已經(jīng)獲得突破性的進展，本文以3D-MIMO技術為代表對大規(guī)模MIMO技術的進一步發(fā)展提出自己的思考。

(一)3D-MIMO技術的產生背景

隨著4G用戶總量的快速增長，同時伴隨著高清語音、視頻業(yè)務的快速普及，必將帶來網(wǎng)絡流量爆炸式的增長，而有限的頻譜資源又無法提供這種快速的增長。3D-MIMO利用空間復用技術，從傳統(tǒng)的8通道宏站最大支持4流空分復用提升到16流空分復用，結合精確的信道估計以及用戶配對算法，即可同時支持16個終端共享相同的時頻域資源，提升頻譜效率4到6倍，顯著提升信道容量。可有效緩解頻譜受限和流量增長之間的矛盾[5]。

雖然MIMO技術和3D-MIMO技術的天線產品本身還不是特別成熟，但是這并不妨礙業(yè)界對其投入的關切目光。因為，3D-MIMO實現(xiàn)的空間復用在已有4G標準規(guī)范基礎上，可以直接在線網(wǎng)終端實現(xiàn)多用戶配對，共享信道資源，引入這項新的天線技術對現(xiàn)有的應用網(wǎng)絡著實是一個突破。

(二)3D-MIMO技術的優(yōu)勢體現(xiàn)

3D-MIMO從室外覆蓋高層樓宇更加實惠經(jīng)濟。常規(guī)的基站在覆蓋高層建筑時，由于一個基站的垂直波瓣覆蓋面較窄，需要分別針對高層、中層、低層設置多個天線面進行覆蓋。3D-MIMO則可以分裂出指向不同樓層的波瓣，一方面減少天線面數(shù)的建設，甚至可實現(xiàn)單天線陣列覆蓋整棟樓宇，另一方面通過多個數(shù)據(jù)流傳輸，提高頻譜的利用效率。

3D-MIMO可降低鄰區(qū)干擾并提升頻譜使用效率。常規(guī)的天線在垂直面無法實現(xiàn)針對終端的多波束。3D-MIMO技術提供了垂直面的波束賦形，可以將水平維度與基站夾角相同，只有垂直維度不同的UE之間再進行一次區(qū)分，分別形成對準他們的波束進行服務，從整體的角度降低垂直維度的鄰區(qū)干擾，從而提升頻譜效率。

(三)3D-MIMO技術在我國的應用

技術進步的價值最終都體現(xiàn)在商用過程中。在2015年9月，華為聯(lián)合中國移動上海分公司在4G商用網(wǎng)上成功開通全球首個大規(guī)模多天線3D-MIMO基站，并成功完成外場驗證測試。上海作為國際大都市，高層建筑，高架道路頗多且人口密度全國最高。測試結果顯示Massive MIMO在小區(qū)覆蓋深度、垂直覆蓋、小區(qū)容量提升方面具有強大的性能優(yōu)勢。通過3D波束賦形技術，有效解決常規(guī)多個基站才能解決的問題。這充分證明了中國制造企業(yè)和運營企業(yè)在全球移動通信技術的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。這無疑是3D-MIMO技術在全球商用進程中的里程碑。

在2015年12月，中興通訊聯(lián)合中國移動廣東分公司在廣州商用網(wǎng)絡開展3D-MIMO試點測試，標志著3D-MIMO基站產品向商用進一步邁進。外場測試中，中興通訊選擇高樓林立的環(huán)境進行，在宏覆蓋場景下3D-MIMO下行小區(qū)容量可提升350%，上行小區(qū)容量提升164%，邊緣用戶上下行速率可提升1到3倍。測試結果充分進一步證明了3D-MIMO在外場商用環(huán)境下的商用能力及技術優(yōu)勢。

除此之外，大唐移動在3D-MIMO技術上的研究工作也取得階段性的進展，提交了多篇技術專利，也參與制定多項國際標準。為我國在3D-MIMO技術領域的標準化推進提供強有力的支撐，為產業(yè)化發(fā)展提供理論基礎、技術方案及知識產權等多方面的保障。同時，大唐移動基于TD-LTE商業(yè)設備也進行了多天線增強技術的功能開發(fā)及測試驗證，希望通過對3D-MMO技術的全面推進，形成具有創(chuàng)新性的核心技術。

就目前預測試的成功案例來說，最多只考慮了128根天線和128個射頻通道的集成，這已經(jīng)是業(yè)界集成度最高、規(guī)格最大的大規(guī)模天線系統(tǒng)，系統(tǒng)容量的增加也是有限度的。從工程實現(xiàn)上來說，天線數(shù)量越多，勢必對射頻硬件的要求提出更高的挑戰(zhàn)。天線設計集成度越高，放置的天線陣子和射頻通道就越多，同時保證天線空間面積適度。面對日益激增的通信容量需求，面對熱點更熱的場景，對大規(guī)模MIMO的思考以及研究不會止步。

三、總結與展望

目前，以3D-MIMO技術為代表的大規(guī)模MIMO技術雖然一定程度上取得了技術上的突破，但是還不夠成熟，由于大規(guī)模天線陣列的引入，必將需要結合更精確的三維建模，更精準的信道估計以及用戶配對算法，有待移動通信領域研究者的共同努力。