李德忠+白波+林琳

【摘 要】3D-MIMO是4G+和5G的關鍵技術之一，為了給出3D-MIMO應用建議，介紹了3D-MIMO技術原理及試驗基站的測試方法和結論，試驗結論證實3D-MIMO技術能夠顯著提升小區(qū)邊緣速率和吞吐量。

【關鍵詞】3D-MIMO 小區(qū)邊緣速率 小區(qū)吞吐量

Study on the Test of 3D-MIMO

LI Dezhong， BAI Bo， LIN Lin

[Abstract]3D-MIMO is one of the key techniques of 4G+ and 5G. In order to present the suggestion on the application of 3D-MIMO， the technical principle of 3D-MIMO was introduced， as well as the testing method and conclusions were explained. Experimental results verify that 3D-MIMO technique can effectively enhance the rate and throughput in the cell edge.

[Key words]3D- MIMO cell edge rate cell throughput

1 3D-MIMO研究背景

隨著4G網(wǎng)絡的建設發(fā)展，城市熱點區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的頻譜資源難以滿足容量需求，獨棟高層等特殊場景網(wǎng)絡覆蓋部署難度較大。3D-MIMO是4G+和5G的關鍵技術之一，通過使用類似雷達的天線陣列，可在水平和垂直兩個維度動態(tài)調(diào)整信號方向，使信號能量更集中，方向更精準，支持更多用戶在相同頻譜資源上并行傳輸，從而達到提升小區(qū)吞吐量及邊緣用戶速率的效果。3D-MIMO設備由于通道數(shù)成倍增加，現(xiàn)網(wǎng)基站設備基帶板卡無法支持，3D-MIMO設備是一種新的宏基站型態(tài)。

2 3D-MIMO技術原理

3D-MIMO基站配置的天線數(shù)目通常有幾十、幾百甚至幾千根，是現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)天線數(shù)目的1～2個數(shù)量級以上。3D-MIMO顯著提高了系統(tǒng)的空間分辨率，能夠深度挖掘空間維度資源，提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力。它可以形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內(nèi)，構建高效通信系統(tǒng)。當基站天線數(shù)目遠大于UE數(shù)目時，系統(tǒng)具有很高的空間自由度、抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性能。

3D-MIMO技術的4G化應用，通過空間分集、空間復用和波束賦形等技術，增強基站覆蓋能力、提升小區(qū)吞吐量、提高邊緣用戶速率。

傳統(tǒng)的基站垂直波瓣較窄，在覆蓋高層建筑時，只能覆蓋到部分樓層。使用3D MIMO技術，在原有水平波束賦型基礎上，增加垂直維度的波束賦型能力，實現(xiàn)三維BF效果，借助更窄的用戶波束，全面提升多用戶空分復用能力，垂直波寬可達35～40度。

3D-MIMO設備利用較強的下行波束賦型能力以及很好的上行解調(diào)能力，提升深度覆蓋能力和高調(diào)制比例，從而進一步提升速率。

3D-MIMO設備利用多天線MU-MIMO技術，通過多個并行數(shù)據(jù)流傳輸，提高了頻率利用效率。使網(wǎng)絡能力從2流提升到16流，擴展網(wǎng)絡能力空間，通過算法使普通商用終端進行復用配對，可提升頻譜效率5～8倍。

3 3D-MIMO技術測試驗證

3.1 測試場景

擬覆蓋建筑為25層（100 m）獨棟高層，建筑面積3×104 m2，樓層較高且內(nèi)部屏蔽嚴重，10層～25層室內(nèi)信號覆蓋較弱，平均信號電平約-100 dBm。部署3D-MIMO天線于大樓前方，掛高30 m，距離覆蓋大樓為240 m。

3.2 小區(qū)參數(shù)配置

128T128R總發(fā)射功率為40 W（46 dBm），帶寬20 MHz，單載波，支持D3頻段，支持典型的廣播權值，支持TM3/8自適應傳輸，支持上下行多用戶多流，下行支持16用戶空分復用，上行支持4用戶空分復用。

3.3 測試方法

測試內(nèi)容分為以下條目：

（1）基礎性能測試：包括接入性能測試、數(shù)據(jù)業(yè)務性能測試、CSFB業(yè)務和VoLTE業(yè)務性能測試。

按照以下選點原則，選取3個定點進行各項業(yè)務性能測試：

SINR：好點（SINR：15 dB～20 dB）、中點（SINR：5 dB～10 dB）、差點（SINR： -5 dB～0 dB）；

RSRP：近點（RSRP>-90 dBm）、中點（-105 dBm

（2）深度覆蓋測試：按照站高、站間距以及目前樓層的高度，調(diào)整3D-MIMO上仰角度，對樓層進行全體覆蓋測試。

（3）大容量測試：根據(jù)天饋半功率角特性，16部終端主要分布在空曠區(qū)域且天饋主瓣覆蓋方向，進行大容量上行和下行測試。

3.4 測試結果

（1）3D-MIMO下行高話務承載能力。在3D MIMO小區(qū)覆蓋下，16UE同時做下行業(yè)務，小區(qū)吞吐量穩(wěn)定在660 Mbps左右，單用戶下載速率穩(wěn)定在40 Mbps，單載波吞吐率是普通8T8R小區(qū)6倍以上。

（2）3D-MIMO高樓覆蓋能力：設備掛高30 m，試驗小區(qū)與測試高層間距約240 m情況下可實現(xiàn)100 m高樓全覆蓋，15～25樓層RSRP較8T8R小區(qū)平均提升9 dB～22 dB。

（3）3D-MIMO上行業(yè)務能力。在3D MIMO小區(qū)覆蓋下，4UE同時做上行業(yè)務，單用戶上傳速率穩(wěn)定在10 Mbps，小區(qū)吞吐量穩(wěn)定在40 Mbps左右，接近理論峰值，較傳統(tǒng)8T8R小區(qū)提升5倍以上。

（4）不同業(yè)務負荷對比測試顯示性能增益與業(yè)務負荷關聯(lián)較大。當忙時業(yè)務負荷超過50%時，上下行頻譜效率增益均超過1倍，流量增益超過30%。業(yè)務負荷較低場景中，可配對用戶數(shù)較少，頻譜效率增益約為50%～80%，流量與8天線小區(qū)持平。

4 3D-MIMO技術應用建議

3D MIMO技術在原有水平波束賦型基礎上，增加垂直維度的波束賦型能力，實現(xiàn)三維BF效果。垂直波寬可達35～40度，具備較強的下行波束賦型能力以及很好的上行解調(diào)能力，可用于城區(qū)高樓場景覆蓋，解決高樓站址緊張，墻體穿透損耗大等問題，天線掛高在20 m～30 m，樓間距在200 m～300 m左右的情況下，可保證20～25層樓宇的室內(nèi)覆蓋。

3D-MIMO設備使用多天線MU-MIMO技術，使網(wǎng)絡能力從2流提升至16流，擴展網(wǎng)絡能力空間，通過算法使普通商用終端進行復用配對，可提升頻譜效率5～8倍，用于話務較高的熱點區(qū)域，提升系統(tǒng)容量。

3D-MIMO基站采用了64T64R技術，對射頻模塊、基帶處理的要求大幅提高。目前初步分析綜合成本約為8天線宏站的3.5倍。

綜合考慮3D-MIMO基站的性價比，初期僅考慮在窮盡現(xiàn)有TD-LTE頻率資源和技術手段仍難以滿足覆蓋和容量需求的特殊場景進行部署。具體如下：

（1）高層高流量商務樓宇。覆蓋高層商務樓宇，應優(yōu)先使用大張角天線進行覆蓋，如無法滿足覆蓋需求時，可應用3D-MIMO基站。

（2）高校宿舍區(qū)、密集廣場、繁華路段等極端高流量區(qū)域。應優(yōu)先使用載頻擴容方案，在F/D頻段全部部署仍無法滿足容量需求時，可考慮應用3D-MIMO基站。

（3）重點室外活動區(qū)域保障。在人流量集中的大型室外活動區(qū)域通信保障時，可考慮應用3D-MIMO基站。

3D-MIMO組網(wǎng)方式與工程實施方式與傳統(tǒng)基站基本一致。設備質量較傳統(tǒng)基站增加約10 kg～15 kg，對于利舊存量站點，需要復核站址的承重能力。3D-MIMO單小區(qū)吞吐量較原有8T8R基站大幅提升，對基站傳輸帶寬提出了更高要求，建議參考接入現(xiàn)網(wǎng)用戶的測試結果，初期按照傳統(tǒng)基站傳輸2倍考慮，后期根據(jù)實際容量增長情況逐步擴容。

5 結束語

高頻段可實現(xiàn)大陣列天線小型化，適合工程部署，3D-MIMO天線建議部署在2.6 G及以上頻段。

1.9 G及以下不適合工程部署?？紤]到當前廠商3D-MIMO基站報價較高，初期暫不具備大規(guī)模組網(wǎng)條件，可以考慮在特殊場景進行覆蓋增強、容量提升補點應用。隨著3D-MIMO技術的不斷演進，面向5G技術新空口及高頻段的3D-MIMO技術勢必會在運營商的蜂窩網(wǎng)絡部署中占到一席之地。

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