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      5G技術4G化中3D MIMO的建設場景及實際應用效果

      作者:刁兆坤 責任編輯:呂萌 2018.10.11 13:49 來源:通信世界全媒體

      通信世界網消息(CWW)隨著4G用戶的迅速增長,4G網絡正面臨著需求巨大、網絡熱點更熱、用戶體驗訴求強烈、特殊場景深度覆蓋困難等問題,3D MIMO通過顯著增加收發天線(通道),獲得更高的分集、陣列、空間復用、干擾抑制增益,從而顯著地提升系統性能。

      MIMO技術對于傳統的單天線系統來說,能夠大大提高頻譜利用率,使得系統能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業務。現網TD-LTE 8天線宏站可以支持4流空分復用,而3D MIMO引入大規模陣列天線技術,使得空域16流、32流或更多流復用成為可能。在熱點區域,用戶數多且用戶在三維空間分布范圍大,結合精確的信道估計、用戶配對算法,即可實現空域16層及以上的視頻資源空分復用,讓無線網絡的頻譜效率再上一個臺階。

      3D MIMO的技術優勢

      在下行精準波束賦形方面,3D MIMO利用空間信道的強相關性以及波的干涉技術,通過調整天線陣元的輸出,產生強方向性的輻射方向圖并將其主瓣指向終端,從而提高接收信噪比、減小干擾,增加系統的吞吐量和覆蓋范圍。3D MIMO下行采用更多天線進行波束賦型,空間賦型波束更窄、能量更集中,能夠有效提升賦型增益并增加空間傳輸的流數。

      3D MIMO水平天線通道數比8通道宏站提升1倍,垂直天線通道數比8通道宏站提升4倍,在同等波長的條件下,3D MIMO的主瓣波束寬度更窄;3D MIMO現在下行支持8流的空分復用,上行支持4流空分復用,相比現在的8通道天線,下行和上行的小區流量提升4倍;更窄波束和更高增益,可以實現更高的波束賦型增益,并且降低干擾。8天線、3DMIMO與大規模天線陳列對比見圖1 。

      在上行增強接收分集方面,3D MIMO通過上行使用更多接收天線,可提供更多上行接收信號樣本,進行更精確的信道估計,從而提升接收機性能和抗干擾能力。還可通過高階空域濾波,精確估計上行空間信道,通過選擇最優的合并權值,提升用戶信號信噪比,增強接收性能。

      3D MIMO可實現波束三維可調,通過大規模天線振子的應用,除在水平方向外,在垂直方向上也分為多個通道進行賦形處理,從而同時具備水平和垂直方向的波束調節能力,通過更多的空分維度和多流技術,同時服務更多用戶,提升頻譜效率和小區吞吐量。在宏覆蓋場景方面,3D MIMO可將廣播波束配置為水平半功率角為65°,垂直半功率角20°。在高層覆蓋場景方面,可將廣播波束配置為水平半功率角為20°,垂直半功率角65°。

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      圖1 三種天線對比

      3D MIMO的技術優勢在于可同時提升覆蓋和容量,降低高頻建網成本。目前的4G系統,由于工作在較低頻段,難以在終端中大幅增加天線數量,從而導致終端峰值速率提升能力受限;主要是通過空間分集、空間復用和波束賦形等技術,重點挖掘增強基站覆蓋、提升基站容量(吞吐量)和提高服務質量(服務用戶的速率,尤其是邊緣用戶)等方面的能力。3D MIMO正好解決了特定區域的這些問題。3D MIMO的技術優勢見圖2。

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      圖2 3D MIMO的技術優勢

      3D MIMO的建設需求和場景分析

      由于大規模陣列技術的引入,3D MIMO系統能夠在三維空間產生靈活指向用戶的非常窄的波束,這種極窄波束意味著在有效抑制對復用用戶干擾、不損失服務用戶主瓣方向能量的前提下,在整個三維空間,3D MIMO的大規模天線系統可提供最大復用層數,可實現天線數量的空分復用。

      從技術標準的角度,3D MIMO實現16流空分復用,不需要定義新的標準規范,完全兼容現網4G終端,即基于現網終端就可以實現多用戶配對,共享信道資源。

      從技術需求和其適應的場景來看,3D MIMO適用于高樓覆蓋、高負荷和高干擾等應用場景,如圖3所示。

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      圖3 3D MIMO場景分析

      從網絡發展趨勢看,特別是近兩年,無線網絡發展呈現出熱點更熱的趨勢,20%的區域已經承載60%~70%的流量。城區金融街、CBD、重要商業中心、高校等核心區域,一方面用戶集中、業務需求量大,另一方面存在高樓遮擋、深度覆蓋不足等問題。3D MIMO技術提供更高維度的空分復用、更強的波束賦形能力,可有效應對這些復雜場景。3D MIMO利用空分復用技術,可支持16個終端共享相同的時間、頻率資源,將頻譜效率提升4~6倍,有效緩解流量激增和頻譜受限之間的矛盾。

      3D MIMO的工程實現和應用

      TDD不需要雙工器,節省導頻開銷,終端無需改動,已率先商用,TDD在實現3D MIMO上,通過發揮制式及信道互易性優勢,可降低產業鏈綜合成本30%以上,TDD 3D MIMO性能優勢見圖4。

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      圖4 TDD 3D MIMO性能具優勢

      以華為的3D MIMO解決方案為例,其整體解決方案如圖5所示。

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      圖5 華為3D MIMO解決方案

      3D MIMO天線和8T8R安裝對比如圖6所示。

      圖6 安裝對比圖

      3D MIMO站點的規劃和商用效果分析

      針對4種不同的應用場景,可根據緊急程度、價值高低,對3D MIMO的規劃結果進行優先級篩選,滾動規劃、分步實施。其總體規劃思路如圖7所示。

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      圖7 總體規劃思路

      以深圳某3D MIMO站點為例,實際商用實施和效果情況如圖8所示。

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      圖8 深圳某城市3D MIMO建設

      其覆蓋效果評估如圖9所示。

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      圖9 具體測試情

      定點速率測試結果如圖10所示。

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      圖10 定點測試結果

      從話統數據來看,小區平均用戶和流量整體提升明顯。

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      圖11 性能提升明顯

      上行干擾指標改善1~2dB,終端發射功率下降。

      圖12 干擾改善效果明顯

      3D MIMO是把5G技術應用到4G網絡的典型案例和成功實踐,相比現有4G技術,采用3D MIMO技術的小區下行和上行平均吞吐量分別是現有4G基站的2~5倍和2倍,既有效解決了4G存在的“三高一限”嚴重制約用戶體驗的現實問題,也將為移動互聯網應用的規模發展提供有力的技術支撐,可極大滿足5G時代用戶密集區域的流量業務需求。4G網絡5G化,5G技術4G化,使新業務在現有LTE網絡上應用,保護當前的網絡基礎設施投資,投資4G即投資5G成為包括中國移動在內越來越多運營商的共識。

      3D MIMO作為5G Massive MIMO技術應用于4G網絡的解決方案,具有提升容量、增強覆蓋、降低干擾等諸多突出優點,借助大規模陣列天線帶來的三維波束賦型能力,提供更多業務流,相對目前TD-LTE 8T8R網絡頻譜效率提升數倍,面向5G目標,布局4G演進,構筑持續競爭優勢,更好地服務廣大用戶。


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