4G增强技术3D-MIMO的研究与应用

2018-03-23张远方

数字通信世界 2018年6期

张远方

（中国移动通信集团河北有限公司邢台分公司，邢台 054000）

我国4G技术已经在人们的生活中得到了普遍应用，4G用户的数量正在以几何倍的速度进行增长，其相关业务也正在迅速发展，在大学校园、图书馆、健身会所等消耗流量较多的地区已经没有办法使用扩展载波容量来减小业务面对的压力，并且用户数量暴增也会带来一系列的问题，例如干扰水平较高、上行受到限制等。

3D-MIMO技术不仅是当前TD-LTE技术的增强版，同时也是未来5G技术的核心技术，在未来的移动通信方面能够发挥重要作用。这种技术是一种新型天线覆盖形式，通过使用天线阵列，能够利用水平和垂直这两个方面来对信号方向精心调整，这样能够使信号更加集中，传播的方向也更加准确，同时也能够使更多的用户在同一个频谱资源中共同使用和传输，从而做到提升用户上网速度的效果。

1 3D-MIMO技术原理

3D-MIMO技术能够采用引进而为天线阵列的方式，来打破传统天线的限制，传统天线只能够简单提供水平维度，但此技术能够实现提供水平方向和垂直方向维度，从而进一步扩展了MIMO能够利用的空间范围，并且利用这种技术制作的信道模型也能够产生相应的传输数据，这种数据参数与现实通信场景的相符性十分良好，此技术促使天线技术得到了更高的发展。

1.1 多天线空分复用使频谱效率得到增强

3D-MIMO和传统的MIMO形式有着较大不同，3D-MIMO中的天线数量得到了大幅度的增加，由于波束逐渐窄化，在相同的空间资源之中，空间复用更加容易。

能够使用的流数也得到增加，传统技术下只能提供下行2流空分复用，使用了新技术后能够提供下行9～17流的空分复用，同时也能够提供3～7流上行空分复用，这样能够使频谱效率和容量得到较大提升。

1.2 超宽垂直波瓣使覆盖范围扩大

过去使用的2D-MIMO天线接口数量较少，这使得波束范围较宽，并且波束的方向只能够采用水平维度的形式来进行调整，没有办法将垂直维度的能量加以利用。而新技术通常使用较大规模的二维天线阵列，其具有数量较多的天线接口，同时也能够采用水平或者垂直维度来对波束方向进行灵活调整，其覆盖范围更广，建立一个3D-MIMO基站能够使一整栋高楼被覆盖，这样就能够很好地解决目前高层覆盖的难题[1]。

1.3 高精度波束赋性使干扰水平降低

普通的基站采用的赋性波束积容易对相邻区域产生干扰，但是新技术却能够实现高精度三维波束，这种技术能够使波束宽度变窄，从而使干扰水平下降。这种新技术基站可以使用高精度的波束来完成对应覆盖区的精准覆盖和分区域覆盖。3D-MIMO技术能够使小区之间的干扰降低，节约建站数量，降低投资成本。

2 3D-MIMO天线技术应用

2.1 通过对比来验证峰值吞吐率

以某大型场馆为例，此场馆总共17层，建筑高度大概为63米，在场馆的附近选择一处高度大概在33米的建筑物，安装采用3DMIMO技术的天线对其覆盖。

测试方法如下：随机在此大型场馆中选取5个楼层，每个楼层分别布置3～4个手机，放置于窗户旁、办公室以及走廊，开启大规模天线技术基站，数据的传输模式设置为TM8，将智能手机编号。然后，开始FTP下载和上传，这样能够通过智能手机记录下每个手机的传输模式、RSRP、吞吐量等等，再通过基站来记录每一个空分用户的编号、数量以及小区的吞吐量等。对比结果：在20M宽带多个用户接入的情况下进行，其最高上下行吞吐率分别可以达到39Mb/s和661Mb/s[2]。

2.2 通过对比来验证用户体验速率

以某体育馆为例，前期使用室分2T2R开通了三个载波分别是D1、D2和F，目前将D段载波更换为3D-MIMO，剩下的载波不变，经过对比，选取替换前的比赛日速率同更换后的比赛日进行对比，在用户超过400人的情况下，新技术要比传统技术增速大概为464%以及232%，而上下行频谱效率方面的增益则达到了200%和230%[3]。

2.3 通过对比来验证话务能力

以某大学宿舍楼、食堂、图书馆为例，这些地点用户数量较多，对话务量的要求也较高，采用用8T8R开通三个载波，分别是D1、D2和F，然后再将两个D端载波更换为3D-MIMO。经过对比后发现使用了新型技术后这些地点的平均用户数达到了476.58，而原始技术下的平均用户则为165.98，然后对此区域内的总流量进行对比，新技术下的流量使用总数为18024.78MB，传统技术下的流量使用总数为7665.08MB。