畢 奇，謝偉良，陳 鵬

（中國電信股份有限公司技術創(chuàng)新中心 北京 100031）

1 引言

目前，第四代移動通信長期演進（longtermevolution,LTE）技術正處于全球大規(guī)模商用部署階段，國內(nèi)外運營商均在積極建設LTE網(wǎng)絡，以滿足飛速發(fā)展的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求。與傳統(tǒng)2G和3G系統(tǒng)相比，LTE系統(tǒng)的特點之一就是采用了多天線技術，從而突破傳統(tǒng)單天線信道容量極限，有效提高系統(tǒng)頻譜效率。

目前無線信號基帶處理技術已經(jīng)成熟，通過應用先進的信道編碼、調(diào)制、差錯控制等技術，使得移動通信系統(tǒng)性能逼近香農(nóng)理論極限，單純通過基帶處理技術已經(jīng)較難大幅提升網(wǎng)絡性能。天線作為移動通信的重要環(huán)節(jié)，在過去很長一段時間內(nèi)，都未被重視。20世紀90年代貝爾實驗室關于多天線技術的一系列突破性研究，包括Foschini以及Telatar等人對MIMO信道容量的研究，發(fā)現(xiàn)了多天線技術的容量在高信噪比下隨收發(fā)天線數(shù)目線性增加[1，2]。1996年Foschini等首先提出MIMO系統(tǒng)的一種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)BLAST[3～5]，并證明其可將傳統(tǒng)無線鏈路的容量提升20～30倍。上述成果極大地開闊了移動通信研究的視野。在此之后，學術界和工業(yè)界掀起了對多天線技術研究和應用的熱潮。

2 技術現(xiàn)狀

3GPP LTE技術規(guī)范R8版本中定義的多天線技術，下行支持4天線4層發(fā)送，上行支持單天線發(fā)送。LTE R8的多天線技術包括發(fā)射分集、開環(huán)空分復用、閉環(huán)空分復用、波束成形等。在中國移動通信集團公司（以下簡稱中國移動）和大唐電信的共同推動下，R9版本中下行引入了雙流波束成形技術。R10版本中對多天線技術進行了進一步增強，支持下行最多8天線8層發(fā)送，上行最多4天線4層發(fā)送，峰值頻譜效率可提高至下行 30 bit/(s·Hz），上行 15 bit/（s·Hz）[6]。

多天線技術可以在相同時域和帶寬的基礎上，通過對空間的利用，顯著提升系統(tǒng)容量。但多天線技術的部署涉及運營商天面的工程改造，在天面資源日益受限、天線安裝難度大的背景下，如何解決系統(tǒng)增益和多天線的體積及重量，成為實業(yè)界研究和討論的重點。3GPP在制訂LTE標準的過程中也考慮到各運營商在部署多天線時的限制。AT&T、CMCC、NTT DoCoMo、Orange、Vodafone 等 全 球 主 流運營商共同向3GPP提交了有關天線形態(tài)的建議[7]，見表1，以實現(xiàn)多天線技術帶來的增益。其中，||表示同極化，X表示交叉極化。對于天線形態(tài)，基本上分為小間距與大間距兩鐘。若采用小間距，一般選取0.5λ；若采用大間距，則一般選取4λ～10λ。

表1 運營商關于天線形態(tài)的建議

2.1 TD-LTE多天線波束成形技術

在TD-SCDMA部署的基礎上，中國移動在國際上率先提出并部署了TD-LTE的8天線技術方案。該方案采用4列雙極化振子水平排列，振子間距0.5λ，下行通過8天線進行波束成形，上行通過8天線進行分集接收。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙極化智能天線示意

天線間距的大小決定了天線的寬度，同時還會影響到各列天線的性能指標。中國移動雙極化智能天線[8]采用波束成形技術。由于各陣列之間的互耦，單陣列的天線水平面方向圖與常規(guī)雙極化天線存在較大差異，水平面波束寬度變寬，天線增益降低，并伴有波束指向偏斜，測試結(jié)果如圖2所示。為了補償，單陣列水平面波束寬度變寬的問題，TD-LTE的廣播和控制信道的波束寬度進一步通過靜態(tài)波束成形來解決。

圖2 常規(guī)65°雙極化天線與智能天線單陣列水平面方向圖

從上述分析和測試結(jié)果可以看出，0.5λ小間距的多天線技術方案適合于下行波束成形技術。上行采用分集接收時，由于多根天線的水平面方向圖存在偏差，波束指向偏斜，導致上行分集效果變差，影響基站扇區(qū)化覆蓋性能。

2.2 LTE-FDD多天線覆蓋增強技術

為了解決高頻組網(wǎng)的覆蓋問題，中國電信集團公司（以下簡稱中國電信）進行了多天線覆蓋增強技術研究。與TD-LTE的多天線技術聚焦下行速率方案不同，LTE-FDD覆蓋增強技術聚焦上行分集增益。從天線設計來說，分集技術要求天線每陣列的相關性越小越好。理論分析表明，天線陣列的最佳間距為10λ。然而，10λ天線間距會導致天線體積和重量過大，無法在實際工程中安裝。因此，在保證各陣列天線技術參數(shù)滿足系統(tǒng)要求的條件下，盡量減少天線間距，成為中國電信技術創(chuàng)新中心“藍極光”計劃的研究內(nèi)容之一。

2.2.1 天線測試

表2列出不同陣列間距的8天線樣機測試結(jié)果。隨著陣列間距增大，天線水平波束寬度變窄，天線增益提高。陣列間距為0.5λ時，天線水平波束寬度為77°，超出傳統(tǒng)65°水平波束寬度指標18%。測試表明，當天線間距大于0.8λ時，天線單陣列的性能指標基本能夠達到傳統(tǒng)天線指標要求。

2.2.2 仿真分析

除了天線性能指標外，通過進一步應用Atoll網(wǎng)絡規(guī)劃軟件仿真，得到不同天線指標對系統(tǒng)性能的影響結(jié)果。仿真采用的8天線參數(shù)見表3，仿真結(jié)果見表4。

與傳統(tǒng)10λ天線性能相比，當8天線陣列間距為0.5λ時，由于水平面波束寬度展寬導致天線增益下降，小區(qū)上下行平均吞吐率和邊緣用戶吞吐率與參考天線相比，均有下降；當陣列間距為0.8λ時，由于水平面波束寬度和參考天線相當，小區(qū)上下行平均吞吐率和邊緣用戶吞吐率與參考天線相似。

從上述結(jié)果可以看出，天線陣列間距在仿真中對吞吐量的影響并不大。但仿真結(jié)果與信道建模有很大關系。由于目前所有的信道建模，包括3GPP的信道建模，都與實際信道有較大差別，使得仿真結(jié)果對實際的指導意義有極大的不確定性。為了論證多天線技術在實際應用中的效果，中國電信在國際上率先部署了規(guī)模LTE-FDD 8天線網(wǎng)絡，并聯(lián)合業(yè)界主流廠商在多個城市進行了一系列測試，包括實驗室測試、單站測試、多站多干擾源測試、連續(xù)組網(wǎng)測試以及規(guī)模過百站的商業(yè)混合組網(wǎng)測試，系統(tǒng)和全面地研究了LTE-FDD多天線技術在實際組網(wǎng)環(huán)境中的性能。

2.2.3 測試結(jié)果

由于篇幅關系，這里主要給出實驗室測試和商用混合組網(wǎng)測試結(jié)果。實驗室測試主要是驗證基站在標準信道模型和一定的干擾條件下，采用MRC和IRC算法，8天線接收相比2天線接收的SNR增益，測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，在實驗室測試條件下，當使用MRC算法時，廠商設備的平均SNR增益能達到6.5 dB；當使用IRC算法時，廠商設備的平均SNR增益能達到7 dB。

如前所述，由于目前信道建模與實際信道差距甚遠，仿真和實驗室都只能得到在理論信道模型條件下的性能增益。該增益并不代表實際網(wǎng)絡能夠獲得相應的增益。為此，中國電信對8天線的性能進行了大量外場測試。圖5給出一般市區(qū)混合組網(wǎng)環(huán)境下接收信號強度（RSRP）的比較。該測試區(qū)域面積約30 km2，測試區(qū)域內(nèi)有36個2T8R小區(qū)及74個2T2R小區(qū)。測試路線遍歷測試區(qū)域的主要道路，獲得有效采樣點8萬個。通過選擇測試區(qū)域，從圖5可以看出，測試區(qū)域中2天線與8天線覆蓋情況基本一致，具備性能對比條件。

表2 LTE-FDD不同陣列間距天線樣機性能測結(jié)果

表3 仿真天線關鍵技術指標

表4 陣列間距對網(wǎng)絡性能影響仿真結(jié)果

圖3 MRC算法，當MCS=4時，8天線/2天線SNR增益測試結(jié)果

圖4 IRC算法，當MCS=4時，8天線/2天線SNR增益測試結(jié)果

圖5 混合組網(wǎng)測試RSRP CDF曲線

為了更合理地對比2天線與8天線接收在實際網(wǎng)絡中的性能，將2天線與8天線的接收信號對齊，選擇在同樣導頻接收信號強度RSRP條件下來進行比較。結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7中可以看出，在不同的無線環(huán)境下，8天線技術的增益以不同方式體現(xiàn)。在網(wǎng)絡覆蓋較差的邊緣區(qū)域 （RSRP<-95 dBm），8天線技術相比于2天線技術上行速率提升顯著，終端發(fā)射功率相當。在網(wǎng)絡覆蓋較好的中近區(qū) （-85 dBm-75 dBm）8天線技術相比于2天線技術的增益全都體現(xiàn)在終端發(fā)射功率降低。

3 大規(guī)模MIMO技術

3.1 概述

圖6 混合組網(wǎng)下2天線與8天線上行速率性能對比

圖7 混合組網(wǎng)下2天線與8天線上行終端發(fā)射功率對比

目前由于天線尺寸的限制，LTE商用系統(tǒng)的下行波束成形和上行的分集接收天線數(shù)都被限制在8個。中國移動與中國電信在TD-LTE和LTE-FDD的多天線的商業(yè)應用嘗試中，都走在了世界的前列。由于增加天線數(shù)目具有提升移動通信系統(tǒng)性能的潛力，國際上對下一代移動通信的研究重點之一，聚集在進一步大規(guī)模地增加天線數(shù)目的目標上[10～17]。從目前來說，大規(guī)模MIMO的應用場景和天線數(shù)目，主要與下一代移動通信的頻段發(fā)放有關。在保持天線尺寸與目前相當?shù)臈l件下，通信頻段選取得越高，可增加的天線數(shù)也就越多。對于低頻段，大規(guī)模MIMO的部署可能需要通過使用傳統(tǒng)天線原有的的振子數(shù)來解決。在這樣的條件下，大規(guī)模MIMO技術的增益必須同時補償從傳統(tǒng)天線原有振子能夠得到的天線增益。

3.2 大規(guī)模MIMO的設計趨勢

在前面章節(jié)，談到天線的兩種形態(tài)。對于中國移動推進的8天線TD-LTE系統(tǒng)，系統(tǒng)增益主要聚焦于波束成形。因此基站端天線不同陣列之間需要具有高相關性。天線陣列的間距采用0.5λ波長來設計。對于中國電信嘗試的LTE-FDD的8天線系統(tǒng)，系統(tǒng)增益主要通過分集技術?；径颂炀€之間需要具備低相關性。雖然理論上，低相關性天線陣列之間的間距應該按10λ來設計，但實際部署表明，大約0.8λ的天線設計能夠獲得可接受的商用天線設計方案。

根據(jù)理論分析，MIMO的增益主要來源于3個方面，即波束成形（包括預編碼）、空間復用（spatial multiplexing）以及分集 (diversity)[18，19]。其中第一個方面需要高相關度的天線陣列，而后兩種用低相關的陣列更為有利。盡管在基帶處理方面，可根據(jù)獲得的信道矩陣，信號處理時用不同的算法在這3種形態(tài)下自由切換，但對天線設計來說，確定的天線形態(tài)將決定主要增益的來源。從目前的趨勢來看，對下一代移動通信系統(tǒng)中大規(guī)模MIMO的天線選取，更多廠商趨向于采用高相關性天線陣列[20]。因此，下一代大規(guī)模MIMO的主要增益來源極可能將通過多用戶預編碼的方式，利用與波束成形等效的方法獲得。

3.3 大規(guī)模MIMO技術的應用場景

大規(guī)模MIMO技術的應用場景如圖8所示。作為4G MIMO技術的擴展，大規(guī)模MIMO的潛在應用場景包括城區(qū)宏覆蓋、城區(qū)微覆蓋及郊區(qū)覆蓋。其中，將大規(guī)模MIMO應用于用戶密度較大的城區(qū)宏覆蓋和城區(qū)微覆蓋場景，是提高系統(tǒng)容量的主要目標。通過在水平和垂直維度上進行天線波束成形，大規(guī)模 MIMO技術可以同時為處于建筑物內(nèi)不同樓層以及建筑物外的用戶提供服務，成為潛在地解決高層建筑物覆蓋問題的技術方案。

圖8 大規(guī)模MIMO應用場景示例

宏、微基站之間的無線回傳也是大規(guī)模MIMO的潛在應用場景之一。在實際網(wǎng)絡部署過程中，提供回傳鏈路是影響網(wǎng)絡建設成本的重要因素。伴隨著大規(guī)模MIMO的廣泛部署，具有高增益的波束成形方案的成本大大減少，為解決無線回傳的可行性方法提供了一種新的思路和方案。

3.4 大規(guī)模MIMO的技術挑戰(zhàn)

大規(guī)模MIMO技術是目前移動通信領域容量潛力最高的技術之一。但是從系統(tǒng)設計及工程實現(xiàn)的角度，仍然有眾多關鍵技術問題需要有效地解決。

有源集成化天線：由于波束成形的需要，天線設計需要將有源電路與天線陣子進行結(jié)合，構(gòu)成高度集成化的有源天線系統(tǒng)。對天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸、重量、散熱、級聯(lián)及維護等都提出了挑戰(zhàn)。特別是在天線共享方面，大規(guī)模MIMO無法與2G、3G以及現(xiàn)有系統(tǒng)共享天線。在天線資源日益緊張的環(huán)境下，這種天線形態(tài)能否成功地實現(xiàn)大規(guī)模的商用化，存在一定的風險。

信道信息精確度及反饋開銷：對于大規(guī)模MIMO，每個天線都需要較高精度的信道狀態(tài)信息。信道估計的精確度、時延以及龐大的反饋開銷及處理將成為影響能否獲得較好增益的關鍵因素。信道的變化速度、覆蓋環(huán)境的復雜度、蜂窩信號的干擾強度以及反饋信息的速度，也都是影響大規(guī)模MIMO的效果和成功部署的關鍵。

控制廣播信道設計及算法穩(wěn)定性：盡管對大規(guī)模MIMO已經(jīng)存在大量研究，但其與控制廣播信道的聯(lián)合設計以及各算法在實際復雜環(huán)境中的穩(wěn)定性，還不具有足夠的實際經(jīng)驗。因此，一定時間的規(guī)模部署磨合期將不可避免。

3.5 大規(guī)模MIMO的標準化進展

ITU于2012年啟動針對5G系統(tǒng)的各項研究工作，目前5G系統(tǒng)的需求、愿景、關鍵技術、技術發(fā)展趨勢以及頻譜等方面均仍處在研究階段。工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會于2013年2月組織國內(nèi)運營商及相關設備制造廠商、科研單位成立了中國IMT-2020（5G）推進組，并在2013年12月正式啟動大規(guī)模 MIMO關鍵技術的研究工作。

大規(guī)模MIMO技術作為5G系統(tǒng)的重要備選技術，與其相關的技術演進和標準化研究工作也已在3GPP標準化組織中分階段展開。

· 階段1，主要工作是三維信道模型標準化[20]。3GPP標準化組織于2013年9月啟動了對三維信道模型的研究工作，為后續(xù)的3D-MIMO和大規(guī)模MIMO的研究工作做準備，有望于2014年9月完成。

·在階段2，主要工作是3D-MIMO的標準化。目前，3GPP標準化組織已經(jīng)開始準備關于3D-MIMO的研究立項，研究內(nèi)容包括更多的天線端口數(shù)（如16、32、64個）、3D-MIMO的設計方案以及性能評估，并希望盡快啟動相關研究工作。從目前來看，3D-MIMO技術有望在3GPP R13版本中引入。

·階段3，將對大規(guī)模MIMO進行標準化。大規(guī)模MIMO將通過在階段2的基礎上進一步增加基站側(cè)天線數(shù)目（如128、256根等），實現(xiàn) 10個或更多用戶的多用戶傳輸。大規(guī)模 MIMO標準化工作的具體時間取決于3GPP標準化組織對5G系統(tǒng)標準化的整體時間安排，預計在R14/R15版本展開研究，并在2020年之前完成相關標準化工作。

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