3D―MIMO天線技術應用研究－IT工程師數位筆記本

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【摘要】為了在進一步提升4G用戶速率的同時彌補傳統MIMO天線的技術缺陷，采用新型的3D-MIMO技術，通過立體深化覆蓋、精準波束降低干擾、空間化提高頻譜利用等多種方式，實現了提升資源利用率、增強覆蓋深度、弱化干擾影響的成效，提升了無線網絡速率。

　　【關鍵詞】無線網絡速率天饋 3D-MIMO
　　Research on the Application of 3D-MIMO Antenna Technology
　　[Abstract] In order to further increase 4G user rate and compensate technical deficiencies of the traditional MIMO antenna， the novel 3D-MIMO technology was adopted to enhance the resource utilization， improve deep coverage， mitigate interference and increase wireless network rate by means of multi-dimensional deep coverage， accurate beam and spatialization of spectrum utilization.
　　[Key words]wireless network rate antenna feeder 3D-MIMO
　　1 引言
　　伴�S著4G網絡的不斷發展，用戶對于高速的無線網絡的認可度和依賴度不斷提高。通信運營商意識到在這個大數據流量爆發的時代，正視數據業務重要性并提升數據業務用戶感知對于企業發展的重要性。
　　（1）速率：運營商當下的盈利保證
　　截止2016年6月，移動4G用戶數近4.29億，4G用戶滲透率超過51%。和2014年相比，2015年移動數據流量增長143.7%，手機上網客戶DoU（Dataflow of Usage，每用戶平均每月數據業務消耗量）增加118.5%，數據業務收入占通信服務總收入占比上升至52%，無線上網收入增加30.5%，無線上網業務所占比重仍舊不斷攀升。DoU和運營商的營收增長呈現強關聯：用戶DoU高于500 MB，運營商收入呈現正增長；用戶DoU小于500 MB，運營商收入呈現負增長。
　　因此對于通信運營商來說，無線上網業務已經從2G時代的可有可無，變為了4G時代的重中之重。如何提升用戶的數據使用量、增加用戶黏性以及獲取更大的利潤，這一連串的疑問都指向了同一個問題：如何提升速率。因為只有擁有更高的速率，才能真正的持有更多的用戶，使得利益提升。
　　（2）無線網絡速率提升遇瓶頸
　　無論是通信運營商還是通信設備商都已經注意到，速率在這個大數據時代所扮演的重要角色。對于高速率的追求一直促使著各種通信技術的高速更新換代，尤其是LTE高速數據通信技術的應用，更是加速了這一進程。
　　TD-LTE作為這場高速數據時代大變革的領軍技術之一，帶來了全新的體驗與強大的沖擊感。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術）的高頻譜利用、抗多徑干擾、非對稱數字業務傳輸等特性，使得TD-LTE得以廣泛應用。AMC（Adaptive Modulation and Coding，自適應調制編碼）技術的自適應能力，保障了TD-LTE數據傳輸的質量。混合自動重傳技術高效地補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼，提高了數據傳輸速率，減小了數據傳輸時延，為數據語音的實現提供了依據。MIMO技術的應用更是效果顯著，其多發多收的技術特點大幅地提高了資源的空間利用率，成倍提升數據容量。
　　在無線網絡通信技術提升的同時，設備廠商和終端公司也相應推出了各種新型的設備與技術以迎合時代的需求。如上下行載波聚合技術，倍增了傳輸帶寬；Small Cell的應用有效彌補了TD-LTE覆蓋深度不足的缺陷，降低了建設成本。配合新型的基站技術，終端公司也不斷更新自己的硬件支撐能力，不斷推出更高等級的終端設備，為高速數據網絡的應用提供保障。
　　然而，無論是通信制式的更新，還是基站設備的提升以及終端能力的改進，對現有網絡的提升都已經到達了彼此配合的收益最大化，無論是連接層、網絡層、傳輸層、應用層都有著可觀的發展，而今物理層數據的傳播成為了整體速率提升的一個阻礙，具體的說，天線技術遲遲停留在傳統MIMO技術，使得TD-LTE這個大桶，總有天線這個短板使得整體無法得產生質的變化。因此，本文接下來將對傳統MIMO技術進行介紹，分析其優勢和缺陷，并在此基礎上對3D-MIMO技術的應用進行探討。
　　2 傳統MIMO技術簡述
　　MIMO技術作為TD-LTE的核心技術，其通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，可以成倍地提高系統信道容量。
　　2.1 MIMO技術原理
　　MIMO是指無線網絡訊號通過多重天線進行同步收發，所以可以增加資料傳輸率。MIMO技術原理。
　　MIMO較專業的解釋，應該是網絡資料通過多重切割之后，經過多重天線進行同步傳送，由于無線訊號在傳送的過程當中，為了避免發生干擾起見，會通過不同的反射或穿透路徑，因此到達接收端的時間會不一致。為了避免資料不一致而無法重新組合，因此接收端會同時具備多重天線接收，然后利用DSP重新計算的方式，根據時間差的因素，將分開的資料重新作組合，最終傳送出正確且快速的資料流。
　　由于傳送的資料經過分割傳送，不僅單一資料流量降低，可拉高傳送距離，而且增加了天線接收范圍，因此MIMO技術不僅可以增加既有無線網絡頻譜的資料傳輸速度，而且又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是強化了訊號接收距離。　　2.2 傳統MIMO技術的優勢與缺陷
　　MIMO允許多個天線同時發送和接收多個空間流，并能夠區分發往或來自不同空間方位的信號，使空間成為一種可以用于提高性能的資源，并能夠增加無線系統的覆蓋范圍，具有兩大優勢，具體內容如下：
　　（1）優勢一，提高信道容量。MIMO接入點到MIMO客戶端之間可以同時發送和接收多個空間流，信道容量可以隨著天線數量的增大而線性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。
　　（2）優勢二，提高信道的可靠性。利用MIMO信道提供的空間復用增益及空間分集增益，可以利用多天線來抑制信道衰落，降低誤碼率。
　　雖然MIMO技術具有如此優越的技術特點，但是由于其信號平面化傳播的方式，使得其在覆蓋深度、干擾抑制以及資源利用三個方面仍舊存在不足，詳細的分析主要有以下五點：
　　（1）缺陷一，空間覆蓋不足。傳統MIMO只支持單純水平面或垂直面的信號分析，無法立體化地實現信號覆蓋，在一定程度上還是對空間資源的浪費。對于高層樓宇，15層以上用戶深度速度較差，小區邊緣用戶速率低。
　　（2）缺陷二，平面信號識別度低。平面信號無法識別中心用戶和小區邊緣用戶，隨著用戶的位置移動，會造成中心用戶和邊緣用戶的感知驟降。
　　（3）缺陷三，干擾消除能力欠缺。雖然通過空間復用和分級增益，降低了無碼，但是平面信號無法跟蹤終端，消除其對其它用戶或小區產生的干擾，且普通宏站賦型波束寬，易對鄰區UE產生干擾。
　　（4）缺陷四，對高層室內覆蓋不足。對于高層建筑，依舊依賴于室分或者其它形式的基站進行補盲，無法實現對樓宇的全覆蓋和深度覆蓋。
　　（5）缺陷五，容量仍有待提升。下行只能提供2流空分復用，且在現有網絡配置下上行容量一直受限。
　　鑒于傳統MIMO技術存在覆蓋深度不足、干擾抑制不足以及資源利用不足的遺憾，需要探索一種新型的天線傳播技術，來彌補現有傳統MIMO平面信號所存在的弊端，即3D-MIMO技術。
　　3 3D-MIMO技術的應用
　　3D-MIMO技術是基于Massive MIMO的一種全新的天線覆蓋方式。2010年底Thomas L.Marzetta提出了Massive MIMO的概念，讓基站使用多達數百根天線，同時支持多個UE。在基站天線數趨于無窮大時，影響系統性能的熱噪聲和小區間干擾可以被忽略不計，Massive MIMO通過數量眾多的天線來增加有用信號的功率，通過增加信干噪比（SNR）來降低干擾的影響。在基站天線數趨于無窮時，發送信號占用帶寬足夠小，信道近似平坦信道，信道衰落系數為1，MIMO信道容量隨著天線數目的增加而線性增大。
　　相比較傳統MIMO技術，新型的3D-MIMO技術無論是在覆蓋深度、覆蓋范圍、信號識別度、抗干擾能力、容量等方面都有顯著的提升。
　　3.1 空間立體維度全覆蓋
　　3D-MIMO除調節天線水平維度的角度外，加入了垂直維度的角度機制，從而釋放了垂直維度，可以進一步增強空間復用，提升小區容量，這是與傳統MIMO技術只能進行平面信號傳播的巨大區別。
　　較之傳統MIMO基站，1個3D-MIMO基站即可覆蓋整棟高樓。
　　全新的3D-MIMO基站可覆蓋60°垂直范圍、10°～20°水平范圍。
　　這樣高層覆蓋選址難、覆蓋范圍不足的問題就得到了大大改善，并且可以提高小區邊緣業務速率。
　　3.2 高精波束降低干擾，精準覆蓋
　　根據如下公式：
　　2Ψ0.5≈51×（2/N）
　　其中，天線N表示天線陣列單元數，d表示天線陣列單元間距。可以粗略據算8天線宏站其水平方向是4列直線陣，波束寬度為51÷2=25.5°。針對3D-MIMO天線，水平方向是8列直線陣，波束寬度為51÷4=12.25°；在垂直方向，3D-MIMO的垂直波束寬度是：51×（10/（7×8））=9.1°。
　　所以得出N越大，波束越窄。也就是天線陣列單元數越多，波束越窄。
　　因此3D-MIMO技術通過增加天線數量，使業務波束變窄，波束能量更集中，從而增強業務性能。
　　相比較普通宏站賦型波束寬易對鄰區UE產生干擾，3D-MIMO技術可以實現高精三維波束，波束寬度降低一半，降低干擾。并且3D-MIMO基站利用高精的波束可以實現精準覆蓋，通過智能權值�矸智�并精準覆蓋場館，可降低小區間干擾，同時節省站點數量，降低投資，能夠全方位立體的追蹤用戶位置，實現VIP區域重點保護、VIP用戶精準保護。
　　此外3D-MIMO可以識別小區中心和邊緣用戶，消除由于用戶物理位置變動而引發的感知驟降。
　　3.3 高效空分提升頻譜效率
　　由于波束的窄化，同樣的空間資源下，使得空間復用更容易，可以容納的流數也隨之增多，小區容量得以提升。
　　相比較普通宏站提供的下行2流空分復用以及1UL：3DL的上行配比，3D-MIMO可以提供下行8～16流的空分復用、上行4～8流的空分復用，如圖9所示。這使得在普通宏站相同的覆蓋半徑的情況下，3D-MIMO基站可以提供之前3～5倍的容量，完全可以滿足熱點區域的大容量業務需求。
　　而且對于光纖部署受限的區域，可通過無線固定接入方式覆蓋盲區，如圖10所示。3D-MIMO基站+CPE的方式可解決這部分區域光纖部署無法到位的問題，相比較宏站+CPE方式能提供更大的系統容量。
　　4 現場應用效果
　　為更好地保障窄帶物聯網，更好地提供服務，在推動接入終端及產品應用外，從通信運營商角度，需不斷嘗試探索新的網絡技術來進一步提升NB-IoT的網絡性能。　　4.1 提升用戶上下行感知速率效果驗證
　　2016年7月，山東移動青島公司在青島嶗山啤酒節通信保障期間進行3D-MIMO技術試點，自18點啤酒節開幕到21點，人流量達到最大，期間小區最大用戶數據達到220左右。小區上行最大總速率達到21 MB/s，單用戶開幕期間平均上行速率7 MB/s以上。
　　4部普通4G終端同時接入FTP業務（非灌包測試），小區上行總速率峰值40 MB/s，均值40 MB/s，相比傳統4G小區（10 MB/s）上行速率提升4倍。8部普通4G終端進行同時FTP下載，小區下行總吞吐率峰值349 MB/s，均值340 MB/s，相比傳統4G小區（110 MB/s）下行速率提升3倍，大大提升了單用戶感知速率。
　　4.2 提升立體覆蓋效果驗證
　　青島世奧國際樓宇高100 m左右，長寬40 m左右，樓內四周為房間，中間為電梯和樓道，房間門較小，對信號衰減非常大，貫穿覆蓋困難較大。覆蓋方案選擇在世奧國際斜對面的東海路移動大樓的裙樓位置建設3D-MIMO小區，將3D-MIMO的垂直波瓣寬度由普通模式的10°調整為60°，水平方向調整為30°，盡可能將功率分配在垂直方向。
　　借助3D-MIMO技術，使世奧國際大廈面向站點一側內部場強從脫網提升至平均-100 dBm左右，室內定點測試平均下載速率在20 MB/s左右，同時平均SINR也有較大幅度的提升，由之前的2～7提升至20以上。同時，與傳統8通道宏站相比，3D-MIMO站點各自的小區邊緣下行速率提升5至8倍，對用戶感知改善明顯。
　　5 結束語
　　由以上對比分析可知，3D-MIMO技術通過多天線空間覆蓋的方式增強了小區的覆蓋深度，利用高精波束降低了小區間干擾，實現精準覆蓋，其立體化空間特性還增強了頻譜利用，提升了用戶容量，很大程度上彌補了傳統MIMO的不足，有效地提升了用戶在數據業務上的優秀體驗感。在3D-MIMO技術帶來諸多優勢的同時，不得不正視其所存在的不足，如天線數量的增加使得受風受力面加大，無形中增加了抱桿或者墻體安裝的施工成本，并存在更大的安全隱患。一個新興技術的創始之初總會有所缺陷，但是相信隨著技術的不斷完善也演進，3D-MIMO會在這個高速信息時代大放異彩。
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