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3D-MIMO 从原理到技术.docx

3D-MIMO不仅是现有TD-LTE的增强技术，更是未来5G实现容量和频谱效率提升的核心技术，必将在未来的移动通信发展中发挥巨大作用。

随着无线通信技术的发展，无线网络的丰富应用带动了无线数据业务的迅速增长，这给无线接入网络带来了巨大的挑战，未来通信系统设计需要能够更加高效地利用带宽资源，从而大幅提升频谱效率。4G移动通信系统的快速部署和普及促进了移动互联网业务的快速发展，在改变用户日常生活和行为习惯的同时，也培育了用户使用移动数据业务的习惯。移动通信手机和网络已经成为人们日常生活的必需品。

4G业务的蓬勃发展也为现有4G网络的容量带来了空前的压力。为了进一步提升网络容量并改善用户的业务体验，TD-LTE引入了多种增强技术，如CoMP、256QAM调制、载波聚合和上行数据压缩等，而基于多天线的3D-MIMO则是最有效的增强技术。

3D-MIMO通过采用二维天线阵列和先进的信号处理算法，可以实现精确的三维波束成形，实现更好的干扰抑制和空间多用户复用的能力，是提升系统容量和传输效率的有效手段。因此，3D-MIMO也成为4G演进和5G的核心技术。

3D-MIMO技术原理

如图1所示，传统的2D-MIMO天线端口数较少导致波束较宽，并且只能在水平维度调整波束方向，无法将垂直维的能量集中于终端。而3D-MIMO一般采用大规模的二维天线阵列，不仅天线端口数较多，而且可以在水平和垂直维度灵活调整波束方向，形成更窄、更精确的指向性波束，从而极大的提升终端接收信号能量并增强小区覆盖。

图1、3D-MIMO原理

传统的2D-MIMO仅能在水平维度区分用户也导致其同时、同频可服务的用户数受限。3D-MIMO可充分利用垂直和水平维的天线自由度，同时、同频服务更多的用户，极大地提升系统容量，还可通过多个小区垂直维波束方向的协调，达到降低小区间干扰的目的。3D-MIMO的应用效果如图2所示。

图2、3D-MIMO的应用效果

3D-MIMO的典型应用场景

3D-MIMO的典型应用场景如图3所示，主要包括室外的宏/微覆盖、高楼覆盖和室内覆盖。

图3、3D-MIMO的典型应用场景

宏覆盖场景下基站覆盖面积较大，用户数量较多，在新建站址越来越难和移动数据业务增长越来越快的现状下，亟需通过3D-MIMO大幅提升系统容量。微覆盖主要针对室外业务热点区域进行覆盖，比如露天集会、商圈等用户密度大的区域，微覆盖场景下虽然基站覆盖面积较小，但是用户密度通常很高，同样需要3D-MIMO来提升系统容量。

高楼覆盖场景主要指通过位置较低的基站为附近的高层楼宇提供覆盖。在这种场景下，用户大量分布于不同楼层，这就需要基站具备垂直大角度范围的覆盖能力。而传统的基站垂直覆盖范围通常很窄，可能需要部署多幅天线才能满足需求，3D-MIMO能够通过三维波束很好地实现整栋楼宇的覆盖。

室内覆盖则主要针对室内业务热点区域进行覆盖，如大型赛事、演唱会、商场和体育馆等。在这种场景下，基站通常部署在天花板或者顶部的各个角落里，用户相对基站的角度分布范围很大，传统的全向天线虽然覆盖不成问题，但是无法将能量集中。而3D-MIMO既能覆盖所有用户，又能利用三维波束成形有效提升信号质量。

3D-MIMO产品设计

3D-MIMO的系统性能取决于方案设计和标准增强，主要可以分为基于信道互易性的传输方案标准增强和基于码本的传输方案标准增强。

基于信道互易性的传输方案

基于信道互易性的传输方案标准化内容主要包括以下几个方面。

一是天线校准，天线校准的精度直接关系到上下行信道互易性的准确度。传统的利用定向耦合器构成耦合盘来实现天线校准的方法完全基于实现，并不需要标准化。但是由于3D-MIMO采用了更多的收发通道，耦合盘的设计也变得更加复杂。基于空口的天线校准也成为一种重要的候选解决方案，它的优点是不需要复杂的耦合盘设计，但是需要相应的标准增强。

二是CQI反馈增强，在现有LTE系统中，基于信道互易性的传输方案采用的是基于发送分集的CQI，而实际的数据传输会有较大的波束成形增益，所以基站使用的MCS和用户反馈的CQI并不匹配，这就需要基站进行相应的补偿。

一般来说，波束成形增益越大，基站使用的MCS和用户反馈的CQI之间的差别就越大，基站进行补偿的难度也就越大。由于3D-MIMO采用了更多的收发通道，波束成形增益相比传统天线会大很多，因此3D-MIMO进行CQI补偿的难度也就增加。CQI反馈增强有利于改善3D-MIMO的系统性能。

三是上行探测信号增强，在基于信道互易性的传输方案中，基站依靠上行探测信号来获取下行信道状态信息，其准确度直接取决于上行探测信号的信道条件。随着业务量的增长和用户的增加，上行探测信号收到的干扰会越来越大，信道条件就越来越差。

增强上行探测信号主要有两种方法，一种是改善信号强度，另一种是降低干扰强度。TDD系统中的上行探测信号一般用特殊子帧的最后两个符号发送，因此改善信号强度的一种简单增强方法是在这两个连续符号上发送相同的上行探测信号来提升3dB的增益，同时可以通过码分来保持其容量不受影响。另一方面，将2个正交的梳齿增强为4个正交的梳齿可以有效降低干扰强度，从而改善上行探测信号的信道条件。

四是DMRS参考信号增强，3D-MIMO提升系统性能的重要表现是可以同时、同频支持更多用户。目前的LTE系统中DMRS设计只能支持完全正交的2个用户，因此要支持更多用户就必须增强DMRS参考信号，使更多用户保持正交。

此外，波束成形算法和多用户配对算法虽然不是标准化内容，但是关系到3D-MIMO最终的系统性能，随着收发通道数的增加，如何设计低复杂度、高性能的波束成形算法和用户配对算法，也是3D-MIMO必须要解决的问题。

基于码本的传输方案

基于码本的传输方案标准化内容主要包括以下几个方面。

一方面是码本设计，目前LTE系统中的码本只支持传统的一维天线阵列，3D-MIMO采用的二维天线阵列需要相应的码本增强才能更好的发挥3D-MIMO的性能优势。

另一方面是CSI-RS发送方案及CSI反馈增强，在基于码本的传输方案中，终端通过对CSI-RS进行测量来获得信道状态信息并反馈给基站，基站依赖于终端的反馈来获得下行的信道状态信息。目前LTE系统中的CSI-RS只支持传统的一维天线阵列，3D-MIMO需要对CSI-RS进行相应的优化和标准增强。

此外，与基于信道互易性的传输方案一样，基于码本的传输方案一样需要DMRS参考信号的增强来实现同时、同频服务更多用户。

3D-MIMO产品架构

传统基站采用“BBU+RRU+天线”的分布式架构。3D-MIMO相比传统基站采用了更多的收发通道，如果依然保持“BBU+RRU+天线”的架构存在两方面问题。

一方面，收发通道数的增加使得天线和RRU之间需要更多的馈线连接，这将给实际布网带来很大的麻烦，增加了设备安装的时间，馈线越多也越容易出错。而将天线和RRU集成能很好地解决这个问题，不仅省去了馈线，而且消除了因馈线带来的损耗（见表中的架构1）。另一方面，通道数的增加也增加了对RRU和BBU之间CPRI接口的带宽需求，从而增加了光纤的成本。

为了降低CPRI接口带宽的需求，一种方法是将BBU的部分功能上移（见表中的架构2），另一种方法是进一步将BBU、RRU和天线都集成到一起形成一体化站型（见表中的架构3）。

架构2虽然能降低CPRI接口带宽需求，但是BBU和RRU之间的接口需要重新定义。架构3直接取消了CPRI接口，更高的集成度将使得未来的布网和架站更加方便快捷，不过也对设备的尺寸、重量和散热等方面的设计提出了更高的要求。