随着标准和技术的不断发展和演进，4.5G在网络容量、峰值速率、时延等技术指标层面与4G相比均有了质的提升。2017年，中国移动基于TD-LTE网络积极部署了CA（载波聚合）、3D-MIMO、NB-IoT等技术，引领了行业发展趋势。其中3D MIMO作为4.5G/5G的核心技术之一，打破传统天线只能提供水平维度的限制。通过引入二维天线阵列，可实现3D（水平和垂直方向上）MIMO。进一步提升MIMO可利用的空间维度，将MIMO多天线技术推向了一个更高的发展阶段，从而提高数据传输效率、系统容量、可靠性，为全面提升无线通信系统性能提供了更多发展空间。

1 3D-MIMO技术背景

早期原有的MIMO传输方案由于受限于传统的基站天线构架，一般只能在水平维度实现对信号空间分布特性的控制，还无法充分利用3D信道中垂直维度的自由度，未能从更深层次挖掘出MIMO技术对于改善移动通信系统整体效率与性能及最终用户体验的潜能。而随着天线设计构架的演进以及AAS（有源天线系统）技术的实用化发展，移动通信系统底层设计及网络结构设计思路也发生了巨大变化，直接推动着MIMO技术向着更高维度发展。

随着移动通信的发展，4.5G作为4G的平滑演进，是人们进入智能生活的重要推进器。它将移动通信首次带入1Gbps时代，并倾力打造低时延、无处不在的全连接智能移动网络，3D MIMO作为5G Massive MIMO技术应用于4.5G的一个重要特性，具有组网灵活、有效降低选址难度、增强覆盖、降低干扰、提升容量等优点。

2 3D-MIMO技术原理

MIMO多天线技术作为LTE系统物理层的基本构成之一，主要可以分为空间复用、传输分集和波束赋形三种模式。而3D-MIMO技术采用大规模阵列天线、以波束赋形算法为基础，并结合了SDMA技术实现多场景覆盖。

波束赋形(Beamforming)：在波束成形技术中，基站拥有多根天线，通过调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。从基站方面看，利用信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线的方向图，因此称为“波束赋形”。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。在实际应用中，多天线可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减小各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波。

SDMA：空分多址，3D MIMO天线在覆盖高层楼宇的同时，通过多个波束对应不同楼层形成虚拟分区，实现了空分复用的效果，同时也提升了频谱效率。

大规模天线阵列技术：空间自由度是MIMO多天下技术的安身立命之本。在有源天线系统技术的有力支持下，垂直维度的空间自由度的大门已悄然向MIMO技术开启，简单来说，有了有源天线系统技术，3D MIMO技术在不需要改变现有天线尺寸的条件下，可以将每个垂直的天线阵子分割成多个阵子（天线数目大幅增加），大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置多根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号。从而开发出MIMO的另一个垂直方向的空间自由度，使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能。

图1 大规模天线阵列演进

3 3D-MIMO技术优势

与传统MIMO不同的是，3D MIMO中所采用的天线规模发生了巨大变化，天线数目大幅增加，随着基站天线数目趋向于很多时，各UE的信道将趋向于正交，用户间的干扰趋于消失，由此带来的巨大的天线阵列增益将有效提升每个用户的信噪比，因此可在相同的时频资源上支持更多用户的传输，提升小区的平均频谱效率、降低邻小区干扰、提升系统容量。

1）3D MIMO从室外覆盖高层楼宇更经济

图2 普通扇区天线与3D MIMO天线室外覆盖高层楼宇场景

传统的基站为提高增益，垂直波瓣较窄，在覆盖高层建筑时，往往只能覆盖到部分楼层，从而需要多面天线来做覆盖的场景。使用3D MIMO技术，则可以分裂出指向不同楼层位置的波瓣，在减少了天面建设需求的同时，也通过多个并行数据流传输，提高了频率利用效率。

占用天面少：利用常规天线覆盖高层楼宇时，需要分别针对低层、中层和高层设置多个天面，而3D MIMO技术的天面需求则很少。

垂直面覆盖宽：3D MIMO天线相比常规天线，可实现单天线阵覆盖整个楼层，垂直面的覆盖角度可达+/-30度（而普通天线一般只能做到+/-8度），提升了频谱效率。

2） 3D MIMO技术的应用可以降低对邻区的干扰

图3 3D MIMO天线在垂直面跟踪终端

相比于常规天线的垂直面不能随终端的位置实时调整，3D MIMO天线可通过AAS（有源天线阵子）组合而成，每个阵子均可独立调整权值，波束在垂直面跟踪终端，从而可从整体上降低对邻区的干扰。

3） 3D MIMO可实现垂直面空分多址，提升频谱效率。

图4 常规天线波束无法在垂直维度区分用户

图5 3D MIMO天线在垂直维度区分用户

相比于常规天线在垂直面不能实现针对终端的多波束，3D MIMO天线可实现针对不同

终端的垂直面多波束，实现了垂直面空分，提升频谱效率。上图中UE1、2、4在水平面维度上与基站的夹角不同，所以基站可以在水平面维度形成3个分别对准他们的波束进行服务；然而UE2和UE3在水平维度上与基站的夹角相同，那么UE2和UE3的波束会形成相互干扰。

3D MIMO技术提供了垂直面波束赋形，将UE2与UE3从垂直维度上再进行一次区分，分别形成对准他们的波束为其进行服务。

4 3D-MIMO技术瓶颈

1）每根天线用户位置的确定算法

移动通信中，手机估计其信道并反馈给基站的做法在大规模天线中并不可行，因为基站天线数量众多，手机在向基站反馈时所需消耗的上行链路资源过于庞大。目前，最可行的方案是基于时分双工(TDD)的上行和下行链路的信道对称性，通过手机向基站发送导频，在基站端监测上行链路，基于信道对称性，推断基站到手机端的下行链路信息。

2）导频数量限制造成的干扰

获得上行链路信息，手机终端需向基站发送导频，可是导频数量总是有限的，这样不可避免地需要在不同小区复用，从而会导致导频干扰。

3）波束成形算法限制

很多大规模天线波束成形的算法基于矩阵求逆运算，其复杂度随天线数量和其同时服务的用户数量上升而快速增加，导致硬件不能实时完成波束成形算法。

5 3D-MIMO的技术应用

虽然3D MIMO的天线产品和技术本身还存在许多有待深度研究的内容，但是目前的研究成果显示，3D MIMO中新天线和新技术的引入对于现有网络中天线技术的应用场景实现了成功的突破，可灵活适应高楼覆盖、热点宏覆盖、体育场覆盖、最后一公里等多种场景的室外宏覆盖。

1）热点区域16流空分复用，相比8流吞吐量提升一倍

在热点区域，用户数多且用户在3维空间分布范围大，结合精确的信道估计、用户配对算法，即可实现空域16层及以上的视频资源空分复用，让无线网络的频谱效率再上一个台阶。华为的外场测试验证结果显示：近点用户场景，16流空分复用，相比8流空分复用可以获得接近一倍的吞吐量增益；用户均匀分布在小区远中近点场景，16流相比8流空分复用可以获得60%的容量增益；即使对于用户密集分布场景，16流相比8流空分复用也能获得45%的容量增益。

2）华为联合深圳移动完成3DMIMO32流外场验证 峰值速率达到1.38Gbps

深圳移动与华为联合验证3D MIMO 32流空分复用技术，在外场使用32个商用终端仅用20MHz频谱达到1.38Gbps的峰值速率。这是全球首次实现32流空分复用，是华为与深圳移动针对3D MIMO研究进程上的又一个里程碑突破。

图6 3D MIMO 32流外场测试峰值

3）中兴通讯与中国移动联合展示5G 3D/Massive MIMO预商用基站

在巴塞罗那举办的2015年世界移动通信大会上，中兴通讯与中国移动联合展示了5G 3D/Massive MIMO预商用基站。该基站应用了MIMO多用户多流空分复用技术，在双方的联合外场测试中，实测峰值速率达传统基站的3倍，创造了频谱效率和单载波容量的新纪录。

3D/Massive MIMO是5G的核心技术之一，利用多天线技术可以成倍提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。此次展示的创新基站为64端口128天线3D/Massive MIMO的基带射频一体化室外型Pre5G基站，集成度更高。虽然天线数达到128个，但整机迎风面积与普通8天线接近。Pre5G创新基站将基带、射频、天线统一集成，相对于传统移动基站只需要三分之一的安装空间，安装维护更方便，充分降低运营商的成本。该基站性能卓越，外形设计别具匠心，并且已初具商用能力。将5G的3D/Massive MIMO关键技术提前引入现网，可以帮助运营商在4G时代占据5G先机。

4）大唐移动联合中国移动、国信天线推出3D-MIMO样机

大唐移动、中国移动、国信天线联合启动了3D-MIMO样机的合作开发工作，于2014年1月推出了首台3D-MIMO样机，并于2014年9月率先进行了外场测试。该样机工作频段覆盖2.575GHz-2.635GHz，共有64个天线单元，各天线单元可以独立控制，支持三维智能波束赋形。

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