3D-MIMO技術在TD-LTE網絡中的應用研究

摘? 要：4G網絡經過近幾年的快速發展，用戶數量呈爆炸式增長，4G網絡速率亟需進一步提升。4G基站建設基本上已經達到飽和，通過建設更多基站來提升4G小區網絡容量變得不太現實。3D-MIMO技術被用于解決這個問題，與傳統的MIMO技術相比，3D-MIMO技術采用了精準波束降低干擾、空間化提高頻譜等方式，大幅度地提升了現有小區的網絡容量，進而提升了4G網絡速率。

關鍵詞：無線網絡;頻譜效率;3D-MIMO

中圖分類號：TN929.5? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0047-03

Abstract：With the rapid development of 4G network in recent years，the number of users has increased explosively，and the speed of 4G network urgently needs to be further improved. The construction of 4G base stations has basically reached saturation. It is not realistic to increase the network capacity of 4G cell by building more base stations.3D-MIMO technology is used to solve this problem. Compared with traditional MIMO technology，3D-MIMO technology uses precise beamforming to reduce interference and spatialize to improve spectrum，which greatly improves the network capacity of existing cells and thus increases the network rate of 4G.

Keywords：wireless network;spectrum efficiency;3D-MIMO

0  引? 言

隨著TD-LTE網絡不斷加大建設力度，日均流量及4G在線用戶數每年成倍增長，網絡熱點區域越來越多，在新建站址越來越難的現狀下，現有宏站小區的網絡容量亟需大幅度提升。為滿足用戶數和流量呈線性的快速增長的網絡需求，在4G網絡引入3D-MIMO技術，解決了網絡深度覆蓋不足的問題，降低了無線網小區間用戶干擾，提升了網絡容量。3D-MIMO小區部署開通后，兼容現有4G終端，實現5G技術4G應用，達到提升網絡現有資源效率的目的。

自2013年底第四代移動通信網絡在中國商用之后，發展至今，已經完成了全國范圍的4G覆蓋。同時，用戶數量不斷增多，4G網絡業務已經被應用于國民工作和生活中的方方面面。因此滿足用戶的數據業務需求、保證用戶的數據業務傳輸可靠性、提升用戶的數據業務體驗感成為通信運營商必須要完成的目標。

傳輸速率一直都是通信系統追求的一個重要指標，在當下這個對數據業務有超大需求的時代，傳輸速率更成為通信運營商和通信設備商爭取客戶的一個重要指標。為了達到更高的通信傳輸速率，網絡制式和通信設備在不斷地更換，4G網絡的提出和商用，更是促進了運營商和設備商對更高速率的追求。

但是，經過了前三代移動通信網絡的積淀和4G網絡五年多的發展，通信制式發展到今日已經達到了一個瓶頸。同時經過五年的規劃部署，4G網絡幾乎覆蓋了全國，基站的分配已經達到了最優化，通信設備商若想通過部署更多基站來提升網絡容量，將面臨較大的成本支出，然而其性能難以有很大的提升。

本文所闡述的3D-MIMO技術，通過彌補4G網絡中物理層的短板來提升用戶速率。采用3D-MIMO技術代替現有網絡中使用的傳統的MIMO技術，使得4G網絡中的物理層能跟上其他網絡層的發展，進而提升整個4G網絡的速率。

1? 傳統MIMO技術簡述

作為4G網絡的核心技術之一，MIMO的原理是通過分集天線技術，將多根天線集合到一起，最終實現信號的多發多收，從而節省頻譜資源，大大提升整個通信系統的信道容量。

通過運用MIMO技術，可以實現多根天線在同一時間完成對多個空間流的收發，并根據所傳信號的相位等信息區分出應該把信號發往何處或者應該接收何處的信號。通過空分復用，合理地利用空間這一龐大的資源，從而提升信道的容量，進而提升整個通信系統的性能。MIMO技術的優勢總結如下：

（1）MIMO技術可以大大提升信道的容量。上文中已經提出，通過天線分集技術，把多根天線集合到一起，利用空間資源，把基站中的信號通過多發多收的方式進行傳輸。MIMO技術的信道容量跟天線個數息息相關，在傳輸過程中，通過增加天線的個數，能夠大大增加信道容量。

（2）MIMO技術能大大提升整個通信系統的傳輸的可靠性。MIMO技術采用了天線分集技術中的空間復用技術，通過多根天線一起抑制衰落，能大大地降低空中信道對信號造成的衰落，從而有效提升收端的信號干擾噪聲比，保證傳輸的質量。

MIMO技術雖然優勢很明顯，但時至今日，針對當前的4G網絡的發展和應用環境，傳統的MIMO技術的缺點逐漸顯露，具體如下：

（1）空間覆蓋能力不強。傳統的MIMO技術在做信號分析時，只針對水平的信號或者垂直的信號，是呈二維分布的，不能實現三維的傳輸，因此使用起來便利性不足。

（2）在分析水平傳輸過來的信號時，對信號的識別度比較差。在識別的過程中，對處于平面邊緣和平面中心的用戶的識別度極差，甚至無法識別，因此在使用傳統MIMO技術時，用戶在移動過程中的體驗感可能較差。

（3）抗干擾能力較差。傳統的MIMO技術雖然采用空間復用技術，大大降低了傳輸過程的誤碼率，但是由于傳統的MIMO技術只能分析平面信號和垂直信號，且針對平面信號沒辦法識別位于平面邊緣和平面中心的用戶，因此沒有辦法消除其他的用戶對終端造成的干擾。

（4）存在對高層建筑內部覆蓋能力不強的缺陷。利用MIMO技術進行網絡覆蓋，高層建筑室內網絡傳輸能力較差，還需要一些室內基站或者其他基站對其進行彌補。

（5）信道容量仍有很大的提升空間。傳統的MIMO技術下行鏈路只能提供二流的空分復用技術，使得傳輸容量受到限制，從而使總的信道容量的提升也受到限制。

針對以上這些缺陷，為了更好地提升通信系統的可靠性和信道容量，進而提升4G網絡速率，3D-MIMO技術被應用于LTE網絡中。

2? 3D-MIMO技術應用

2.1? 3D-MIMO技術的原理

3D-MIMO技術是傳統的多發多收MIMO技術的一種改進版本，與傳統的MIMO技術不同，3D-MIMO技術使用了更多的天線集合在一起，最終實現了百發百收的模式。通過加入更多的天線個數，空間信道對信號造成的干擾和衰落幾乎可以忽略不計，從而大大地提升了收端信號的信號干擾噪聲比，進而大大提升信號傳輸的可靠性。隨著天線個數的不斷增加，信道容量也將大大提升。

利用傳統MIMO技術的現網采用的是8天線的四流空分復用，而3D-MIMO技術在傳統MIMO技術的基礎上做了改進，可以支持16流和32流的空分復用，從而大大地提升了通信系統的吞吐量，信道容量相對于傳統的MIMO技術也有了大大的提升。

相對于傳統的MIMO技術，3D-MIMO技術引入了大規模陣列技術，3D-MIMO技術因而可以在整個三維空間內依靠極窄波束完成對干擾的抑制，從而有效提升其可靠性。

通過上述分析可以看出，3D-MIMO技術與傳統的MIMO技術相比，在可靠性、覆蓋能力和信道容量等方面都有很大的提升。

2.2? 實現空間立體維度的全覆蓋

與傳統的MIMO技術相比，3D-MIMO不只可以對天線進行水平方向的調節，還可以進行垂直方向的調節，通過引入垂直方向的調節，可以進一步增強小區的網絡容量，3D-MIMO通過引入垂直方向的調節機制，很好地解決了高層建筑基站建設問題。提升了高層建筑室內網絡傳輸速率，同時大大降低了基站的建設成本。

2.3? 高精波束降低干擾，精準覆蓋

3D-MIMO可以大大降低環境對系統造成的干擾，從而很精準地覆蓋目標，具體由公式（1）進行分析：

式（1）中，N為天線的根數。

通過式（1）可以分析出八天線，其水平方向是四列直線陣，因此其波束寬度為：

3D-MIMO技術中，天線的水平方向為八列直線陣，因此波束寬度是：

同理可以分析，在垂直方向上，波束寬度為：

由上述分析可以得到，N和波束寬度成反比。3D- MIMO技術就是采用了這種增加天線數目降低天線間距的方法，讓波束寬度變得更窄，從而提升業務的性能。通過3D-MIMO中的波束變窄的思路，可以實現對某個區域的特殊的業務供給，為一些重要的場所或者運營商重要客戶提供更穩定、更可靠、更快速的業務服務。

2.4? 高效空分提升頻譜效率

借由3D-MIMO的波束寬度的思想，空間復用技術實現起來變得更加簡單，提升了資源利用率因此小區的網絡容量也隨之大大增加。

3? 應用場景

3.1? 話務需求大、干擾較大、上行鏈路傳輸受限的場景

話務業務需求量較大的地方用戶數量比較多，因此頻譜資源受到了限制，小區邊緣的用戶話務業務可能極差，VIP用戶的話務業務也不能保證質量。此外高干擾、上行受限的情況造成的影響也越來越大，目前通過建立基站來解決這種問題已經變得不現實，引用3D-MIMO技術可以提高信道容量和通信可靠性，能夠有效解決以上問題。

3.2? 高樓覆蓋場景

3D-MIMO技術引入了垂直方向調節天線的機制，同時還可以在整個三維空間內傳輸窄波，因此針對高層建筑覆蓋較差的場景，3D-MIMO技術十分適用。

4? 結? 論

通過本文的分析可以看出，3D-MIMO技術相對于傳統的MIMO技術，大大提升了可靠性和信道容量，針對特殊場景，3D-MIMO能提出更好的方案，補齊了LTE網絡中物理層的短板，進而提高了網絡速率和用戶的業務體驗感。

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作者簡介：李智峰（1978-），男，漢族，廣東興寧人，工程師，本科，畢業于南京郵電大學，主要從事移動通信方面的咨詢規劃、設計等工作。