LTE關鍵技術3D—MIMO

董麗峰+++肖瑩+++劉群

摘 要：近年來移動通信技術發展較快，這也使移動通信數據業務流量呈現快速增長的態勢，導致無線網絡面臨著嚴竣的壓力。當前LTE作為移動通信系統的核心，為了能夠更有效地提高系統容量和數據傳輸速率，增加系統容量、提高系統的吞吐量和速率、降低干擾依然是最重要的發展目標。這也使MIMO技術得以在LTE系統中得以應用。MIMO技術即多輸入多輸出技術，在該技術中，充分的利用空間之間的弱相關性來提高通信信道的容量，并時一步增強信息傳輸的可靠性，有效地降低誤碼率。可以說MIMO技術在LTE中的應用是現代通信技術領域重要技術性突破，為現代通信技術水平的提升起到了非常重要的作用。

關鍵詞：LTE；3D-MIMO；系統容量；信道；數據傳輸；多天線技術

1 什么是3D-MIMO

作為無線關鍵技術之一的3D-MIMO，得到了越來越多的關注。在垂直方向上增加一個天線維度逐漸成為可能。3D-MIMO技術通過引入二維天線陣列，有效的打破了傳統天線只提供水平維度的限制，能夠同時實現水平和垂直方向上的MIMO，進一步提升了MIMO可利用的空間維度，而且利用3D-MIMO信道模型所生成的信道傳輸參數也能夠與真實的通信場景具有較好的相符性，可以說3D-MIMO技術將多天線技術推向了更高的發展階段，為無線通信系統性能的提升提供了更廣闊的發展空間。

2 3D-MIMO技術對現有系統有哪些影響

一直以來移動通信蜂窩系統采用的是傳統的2D波束賦形技術，這就導致基站發射端波束只能進行水平維度的調整，但由于3D信道的存在，只對每個用戶設置固定的下斜角，無法保證系統吞吐量處于最佳水平。特別是小區用戶不斷增加的新形勢下，用戶所處位置各不相同，這就導致無法在豎直維度上進行信道信息區分，這必然會對系統性能帶來較大的干擾。

與傳統的2D-MIMO相比，3D-MIMO是在豎直維上增加了一維可供利用的維度，通過引入二維天線陣列，可同時實現水平和垂直方向上的MIMO，進一步提升MIMO可利用的空間維度。因此可以有效的利用3D-MIMO技術在豎直維上的信道信息，不僅能夠對小區間同頻用戶的干擾起到有效的抑制作用，而且有利于整個小區平均吞吐量的提升。而且在利用3D-MIMO技術的同時，隨著收發天線數目的逐漸增多和傳輸模式的不斷豐富，在提高數據傳輸效率和可靠性的同時，全面提升無線通信系統性能。

3 3D-MIMO為提升無線通信系統性能提供更多可能

MIMO多天線技術作為LTE系統物理層的基本構成之一，主要可以分為空間復用、傳輸分集和波束賦形三種模式。它可以充分利用空間特性，通過在發送端和接收端均使用多根天線進行數據的發送和接收，對于提升數據傳輸峰值速率、擴展覆蓋、抑制干擾、增加系統容量、提升系統吞吐量都發揮相當重要作用。現有的MIMO傳輸方案由于受限于傳統的基站天線構架，只能在水平維度實現對信號的控制，還無法利用3D信道中垂直維度的自由度，不能從更深層次開發出MIMO技術對于改善移動通信系統整體效率與性能。而隨著天線設計構架的演進，移動通信系統底層設計及網絡結構的設計思路也產生了巨大變化，這一發展趨勢直接推動MIMO技術向著更高維度發展，為進一步提升系統性能提供了更多可能。

空間自由度是MIMO多天下技術的安身立命之本。在有源天線系統技術的有力支持下，垂直維度的空間自由度的大門已悄然向MIMO技術開啟，也就是有了有源天線系統的技術。在3D-MIMO技術應用過程中，能夠在不對現有天線尺寸改變的基礎上，對每個垂直天線陣子進行分解，形成多個陣子，開發出MIMO另一個垂直方向的空間自由度。這不僅有效的提高了MIMO技術的水平，而且為LTE系統性能的提升奠定了良好的基礎，對抑制小區間干擾及提高系統吞吐量都起到了非常重要的作用。

4 3D-MIMO突破應用場景限制，有效提升系統容量

與傳統MIMO不同的是，3D-MIMO中所采用的天線規模發生了巨大變化，天線數目大幅增加，不只是簡單地擴增天線數量，因為量變可以引起質變。隨著基站天線數目趨向于很多時，各UE的信道將趨向于正交，用戶間的干擾趨于消失，由此帶來的巨大的天線陣列增益將有效提升每個用戶的信噪比，因此可在相同的時頻資源上支持更多用戶的傳輸，提升小區的平均頻譜效率。在單天線對單天線的傳輸系統中，由于環境的復雜性，電磁波在空氣中經過多條路徑傳播后在接收點可能相位相反，互相削弱，此時信道很有可能陷于很強的衰落，影響用戶接收到的信號質量。而當基站天線數量增多時，相對于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個信道，他們相互獨立，同時陷入衰落的概率便大大減小，這對于通信系統而言變得簡單而易于處理。3D-MIMO通過引入新天線和新技術，在滿足靈活組網需求的同時，有效提升系統容量，諸多優勢引來業界多數通信設備廠商都相繼推出了具有3D-MIMO功能的新設備。

首先，當前城區建筑多以高層建筑為主，這就導致傳統基站無法實現對高層建筑高處樓層的全面覆蓋，因此需要利用3D-MIMO技術，通過該技術來分割出指向不同高度位置的波瓣來實現場景的全面覆蓋，而且依托于多個并行數據流進行傳輸，有效的提高了頻率利用效率。利用3D-MIMO技術后，所占用的天面數量較少，而且垂直面覆蓋加寬，利用天線陣來實現對整個樓層的覆蓋，而且在對高層建筑進行覆蓋的同時，還能夠實現虛擬分區，不僅達到了空分復用的效果，而且對頻譜效率的提升起到了積極的作用。

其次，3D-MIMO技術可以降低對鄰區的干擾。

3D-MIMO天線相比于常規天線的垂直面不能隨終端位置的變化而實時調整，3D-MIMO天線可通過AAS（有源天線陣子）組合而成，每個陣子都可以獨立調整權值，波束在垂直面實時跟蹤終端，從而可從整體上降低對鄰區的干擾。

最后，3D-MIMO技術可實現垂直面空分復用，提升頻譜效率。

由于采用的常規天線無法在垂直面上實現針對終端的多波束，但利用3D-MIMO多天線技術時，在實現針對不同終端的垂直面多波束的同時，還能夠提供垂直面波束賦形，而且從垂直維度上再進行一次區分，形成對準他們的波束進行信號傳輸，提升頻譜效率。水平面維度與基站的夾角不同，所以基站可以在水平面維度上形成3個分別對準他們的波束進行服務。

5 多天線技術持續演進，全面推動網絡智能化發展

雖然3D-MIMO的天線產品和技術本身還尚未進行成熟的商用，可能存在一些待深度研究的內容，但是目前的研究成果顯示，3D-MIMO中新天線和新技術的引入對于現有網絡的提升實現了成功的突破，可以做到靈活適應高層建筑、體育場館、熱點地區、最后一公里等各種不同場景的室外宏覆蓋。

3D-MIMO通過提高網絡帶寬、提升網絡能力來支持更加豐富的新業務，為用戶帶來全新體驗。隨著移動互聯網時代的來到，移動網絡都面臨著容量需求快速增長和站址資源難以解決的矛盾。而移動通信技術的迅猛發展，使得移動通信網絡在發展中面臨的問題逐步得以解決，移動通信正以更快的節奏加速向下一代通信系統邁近。