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MIMO技術(shù)的3D化應(yīng)用將成必然

作者:通信世界
來源:朱晨鳴 王浩宇
日期:2017-12-01 09:53:46
摘要:隨著無線通信技術(shù)的迅猛革新,相關(guān)應(yīng)用不斷豐富,移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及其需求快速增長,正愈發(fā)深刻地改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)與生活方式。與此同時(shí),這種快速的發(fā)展將給無線接入網(wǎng)造成巨大的壓力,如何滿足人們?nèi)找嬖鲩L的移動(dòng)通信需求成為各大運(yùn)營商重點(diǎn)關(guān)注的問題。

  隨著無線通信技術(shù)的迅猛革新,相關(guān)應(yīng)用不斷豐富,移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及其需求快速增長,正愈發(fā)深刻地改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)與生活方式。與此同時(shí),這種快速的發(fā)展將給無線接入網(wǎng)造成巨大的壓力,如何滿足人們?nèi)找嬖鲩L的移動(dòng)通信需求成為各大運(yùn)營商重點(diǎn)關(guān)注的問題。在技術(shù)和市場的雙重驅(qū)動(dòng)下,大規(guī)模天線技術(shù)逐漸成熟起來,并為即將到來的5G時(shí)代提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

  大規(guī)模天線技術(shù)能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量性能,被認(rèn)為是5G技術(shù)中最重要的物理層技術(shù)之一。作為應(yīng)對(duì)移動(dòng)通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆發(fā)式增長所帶來挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù),3D MIMO(3-Dimension Multiple Input Multiple Output,三維多輸入多輸出)是大規(guī)模MIMO技術(shù)中發(fā)展及應(yīng)用較為成熟的方向之一。當(dāng)前階段,在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的傳輸方案主要采用2D MIMO,即只在水平方向上實(shí)施波束成形、多徑與分集傳輸?shù)葌鬏敺绞?,而垂直方向的自由度沒有得到充分開發(fā)和利用。隨著大規(guī)模天線技術(shù)的不斷發(fā)展,MIMO技術(shù)的3D化應(yīng)用將是必然的發(fā)展方向。

  大規(guī)模MIMO技術(shù)有效滿足5G需求

  2010年,貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了大規(guī)模MIMO的概念。大規(guī)模MIMO技術(shù)具體是指在基站端使用具有大量小型化陣子的天線矩陣同時(shí)服務(wù)于多個(gè)用戶,天線數(shù)目一般多達(dá)幾十甚至上百,通過天線數(shù)目的增加帶來空間自由度的提升,進(jìn)而提高系統(tǒng)覆蓋性能和整體容量。3D MIMO和大規(guī)模MIMO同為MIMO技術(shù)演進(jìn)趨勢上最重要的候選技術(shù),其原理是在原有2D水平維度基礎(chǔ)上,引入垂直維度,增加其垂直維度的波束成形能力,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的3D化傳輸。一般認(rèn)為3D MIMO是大規(guī)模MIMO的特殊應(yīng)用。

  這兩種MIMO技術(shù)具有傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)所無法比擬的物理特性和性能優(yōu)勢。主要表現(xiàn)如下。

  隨著天線數(shù)目的成倍增加,各個(gè)用戶之間的信道呈現(xiàn)出漸進(jìn)正交特性,從而有效抑制用戶間干擾,通過更高的空間自由度帶來信道以及系統(tǒng)容量的提升;基站使用大規(guī)模天線陣列,對(duì)信道快衰落和熱噪聲進(jìn)行平均,實(shí)現(xiàn)信道硬化,從而有效地避免了深衰落情況,減少空口延遲,簡化系統(tǒng)調(diào)度策略;3D MIMO波束成形方式能夠使波束能量聚焦于很窄的空間方向,信號(hào)的傳輸可以對(duì)準(zhǔn)用戶,大大提升了空間分辨率;額外增加的垂直方向空間自由度可用于發(fā)射信號(hào)波束成形,有效降低發(fā)射信號(hào)的峰均比,從而簡化射頻前端,大大降低系統(tǒng)部署成本;大規(guī)模天線陣列的使用增大了天線增益,有效地降低單個(gè)天線的發(fā)射功率,提升系統(tǒng)總能效,符合綠色通信的建設(shè)理念。

  雖然大規(guī)模MIMO以及3D MIMO有可能使頻譜效率和能耗效率在4G技術(shù)原有基礎(chǔ)上再提升一個(gè)量級(jí),從而有效滿足5G通信對(duì)速率、容量等相關(guān)性能的要求,但是該類技術(shù)在應(yīng)用落地的過程中仍需解決包括檢測算法、信道估計(jì)、同步方式、預(yù)編碼算法、導(dǎo)頻污染、互易校準(zhǔn)等相關(guān)問題。

  由于多天線技術(shù)能夠很好地解決未來移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的需求問題,并對(duì)頻譜利用率、能量效率、系統(tǒng)容量等提升具有重要意義,大規(guī)模MIMO和3D MIMO技術(shù)一經(jīng)提出,學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界即對(duì)其進(jìn)行了關(guān)注。針對(duì)大規(guī)模MIMO技術(shù)的信道容量、傳輸、檢測等基本理論與技術(shù)的研究已經(jīng)廣泛地開展起來,并取得了許多關(guān)鍵成果,有些已在實(shí)際無線通信建設(shè)中得到了應(yīng)用與檢驗(yàn)。

  目前主要的5G技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化組織,如3GPP、ITU、歐盟的METIS等都將大規(guī)模MIMO技術(shù)作為未來5G通信的重要物理層技術(shù),并且已積極開展相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。我國對(duì)大規(guī)模MIMO技術(shù)領(lǐng)域也非常重視,5G研究與標(biāo)準(zhǔn)化組織IMT-2020(5G)成立了針對(duì)該技術(shù)的專題與研究組,啟動(dòng)了面向5G的技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作,具體情況見表1。

  表1 3GPP MIMO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

MIMO技術(shù)的3D化應(yīng)用將成必然

  3D MIMO技術(shù)特點(diǎn)

  空間自由度是MIMO多天線技術(shù)的關(guān)鍵所在。有源天線系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)于發(fā)展,使垂直維度的空間自由度應(yīng)用條件逐漸成熟起來。有源天線系統(tǒng)中,基站設(shè)備可通過光纖直接連接至天線系統(tǒng),而不再需要例如射頻電纜、塔放或RRU等中間環(huán)節(jié)。在以往的條件下,射頻電纜的部署是開放物理天線垂直維度的重大障礙,如今這一問題得到了良好的解決。有源天線系統(tǒng)中部署3D MIMO不需要改變現(xiàn)有天線尺寸,即可將每個(gè)垂直的天線陣子分割成多個(gè)陣子,從而開放天線在垂直方向上的空間自由度。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)大大推動(dòng)了3D MIMO技術(shù)的研究,同時(shí)其應(yīng)用顯著提升了LTE傳輸技術(shù)的性能,降低了小區(qū)間干擾,并提高了系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率。

  目前3D MIMO技術(shù)主要有空間復(fù)用、傳輸分集和波束成形3種模式。

  空間復(fù)用技術(shù)是指無線基站使用多根天線發(fā)射相互獨(dú)立的多路信號(hào),并在接收端采用干擾抑制技術(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解碼組合,恢復(fù)原信號(hào)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的空口容量理論上將隨著收發(fā)端天線對(duì)數(shù)量的增加而線性增大,而不需要占用額外的頻譜資源,能夠有效提升系統(tǒng)性能。使用空間復(fù)用技術(shù)將多路數(shù)據(jù)發(fā)送給同一用戶時(shí),可有效提高該用戶的峰值速率,增強(qiáng)用戶體驗(yàn);發(fā)送給不同用戶時(shí),可有效提高系統(tǒng)整體的吞吐量,滿足更高的容量需求。

  傳輸分集技術(shù)與空間復(fù)用技術(shù)相反,其原理也是在無線基站處使用多根天線,但其發(fā)送的信號(hào)完全相同。由于這些相同的信號(hào)通過不同的路徑傳輸至用戶,其也經(jīng)歷了不同的衰落過程。接收端將采用信號(hào)合并技術(shù),對(duì)接收到的來自不同天線的信號(hào)進(jìn)行合并,從而恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。由于合并信號(hào)相對(duì)于單天線信號(hào)在強(qiáng)度上有所加強(qiáng),且由于不同的衰落過程不易受深衰落影響,可以看作是對(duì)多徑效應(yīng)的正面應(yīng)用,因此信號(hào)在接收端可獲得分集增益,從而提高鏈路可靠性。

  波束成形技術(shù)在4G TD-LTE系統(tǒng)中已經(jīng)有著非常成熟的應(yīng)用,并有效地提升了LTE系統(tǒng)的相關(guān)性能。其基本原理是在基站處采用相關(guān)天線陣列的信號(hào)預(yù)處理技術(shù),通過調(diào)整天線陣列中每個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù),增強(qiáng)某些方向上的信號(hào)能量,同時(shí)削弱其他方向信號(hào)強(qiáng)度,使多天線發(fā)射的波束能量能夠?qū)?zhǔn)用戶進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。由于波束具有指向性,在其特定方向上的輻射能量更集中,信號(hào)強(qiáng)度更高,即獲得多天線的陣列增益。多天線的波束成形技術(shù),在獲得陣列增益的同時(shí),也可以降低對(duì)其它方向的干擾,從而帶來系統(tǒng)容量的提升。

  通過對(duì)空間特性的充分利用,3D MIMO技術(shù)顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾?,大大增加了無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展覆蓋范圍,有效抑制了小區(qū)間干擾,提升了系統(tǒng)容量以及系統(tǒng)吞吐量,已經(jīng)成為下一代通信中的關(guān)鍵技術(shù)。

  3D MIMO工程實(shí)施方案

  實(shí)踐證明,采用3D MIMO技術(shù)可大幅度提升單站的容量和覆蓋能力,可解決運(yùn)營商在同城競爭中面臨的站址緊張、建站難、深度覆蓋難等痛點(diǎn),同時(shí)大幅提升單用戶流量滿足終端用戶對(duì)不同業(yè)務(wù)極致體驗(yàn)的訴求。根據(jù)運(yùn)營商實(shí)際應(yīng)用情況,對(duì)3D MIMO工程實(shí)施方案進(jìn)行了分析并給出部署配置建議。

  上行特性部署參數(shù)——VMIMO

  (1)小區(qū)級(jí)算法開關(guān)參數(shù)

  上行調(diào)度開關(guān)中(參數(shù)ID CellAlgoSwitch.UlSchSwitch),具體配置建議如下:該參數(shù)中的上行虛擬MIMO開關(guān)(參數(shù)ID UlVmimoSwitch)用于開啟/關(guān)閉多用戶虛擬MIMO功能,建議開啟;該參數(shù)中的VoLTE用戶VMIMO配對(duì)開關(guān)(參數(shù)ID VoLTEUeVmimoSwitch)用于開啟/關(guān)閉VoLTE用戶多用戶虛擬MIMO功能,建議開啟;上述兩個(gè)參數(shù)邏輯關(guān)系為:在上行虛擬MIMO開關(guān)為開的情況下,打開 VoLTE用戶VMIMO配對(duì)開關(guān)才會(huì)有效。

  (2)小區(qū)上行調(diào)度算法參數(shù)

  VMIMO優(yōu)化算法開關(guān)(參數(shù)ID CellUlschAlgo.VmimoOptAlgoSwitch),具體配置建議如下:該參數(shù)中的重傳用戶配對(duì)開關(guān)(參數(shù)ID HarqVmimoSwitch)用于開啟/關(guān)閉重傳用戶配對(duì)功能,建議開啟;該參數(shù)中的預(yù)調(diào)度用戶配對(duì)開關(guān)(參數(shù)ID PreSchVmimoSwitch)S于開啟/關(guān)閉預(yù)調(diào)度用戶配對(duì)功能,建議開啟;該參數(shù)中的VMIMO干擾隨機(jī)化功能開關(guān)(參數(shù)ID VmimoResRandomSwitch)用于開啟/關(guān)閉VMIMO干擾隨機(jī)化功能,建議開啟;上述參數(shù)邏輯關(guān)系為:在上行虛擬MIMO開關(guān)為開的情況下,打開重傳用戶配對(duì)開關(guān)預(yù)調(diào)度用戶配對(duì)開關(guān)以及VMIMO干擾隨機(jī)化功能開關(guān)才會(huì)有效。

  VMIMO最大配對(duì)層數(shù)(參數(shù)ID CellUlschAlgo.MaxLayerMMVmimo),具體配置建議如下:該參數(shù)用于控制Massive MIMO下上行VMIMO最大配對(duì)層數(shù),建議配置8層。

  下行特性部署參數(shù)——MUBF

  MUBF算法開關(guān)(參數(shù)ID CELLALGOSWITCH.MuBfAlgoSwitch),具體配置建議如下:如需開啟MU-BF功能,將本參數(shù)配置為“MuBfSwitch1”;如重傳需MU-BF配對(duì),將本參數(shù)配置為“HarqRetranPairSwitch-1”。

  高階MUBF最大層數(shù)(參數(shù)ID CELLBF.HighOrderMubfMaxLayer),具體配置建議如下:該參數(shù)用于控制高階MUBF允許的最大配對(duì)層數(shù),可以配置為TWO_LAYERS,F(xiàn)OUR_LAYERS,EIGHT_LAYERS,SIXTEEN_LAYERS或TWENTYFOUR_LAYERS。建議配置為SIXTEEN_LAYERS。

  3D MIMO工程實(shí)施效果

  在某大學(xué)城區(qū)域開啟6個(gè)3D MIMO站點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,總體效果良好,用戶上/下行感知速率提升,感知高負(fù)荷頻次明顯降低。

  均衡優(yōu)化前現(xiàn)狀

  3D MIMO開啟前,出現(xiàn)感知高負(fù)荷的小區(qū)數(shù)為22個(gè);3D MIMO開啟后,感知高負(fù)荷的小區(qū)數(shù)為14個(gè);總感知高負(fù)荷次數(shù)由187降低到72次,具體情況見表2。

  表2 均衡優(yōu)化前后高負(fù)荷情況統(tǒng)計(jì)

MIMO技術(shù)的3D化應(yīng)用將成必然

  3D MIMO開啟前,一周時(shí)間內(nèi)平均每小區(qū)下行感知速率為4.11Mbit/s,針對(duì)原有8T站點(diǎn),3D MIMO開啟后為4.38Mbit/s,增長比例為6.7%。針對(duì)3D MIMO站點(diǎn),一周時(shí)間內(nèi)平均每小區(qū)下行感知速率為5.65Mbit/s,相比3D MIMO開啟前,增長比例為37.5%,具體情況見表3。

  表3 均衡優(yōu)化前后下行感知速率統(tǒng)計(jì)表(單位:Mbit/s)

MIMO技術(shù)的3D化應(yīng)用將成必然

  3D MIMO開啟前,一周時(shí)間內(nèi)平均每小區(qū)上行感知速率為372.2kbit/s,針對(duì)原有8T站點(diǎn),3D MIMO開啟后為408.3kbit/s,增長比例為9.7%。針對(duì)3D MIMO站點(diǎn),一周時(shí)間內(nèi)平均每小區(qū)上行感知速率為425.8kbit/s,相比3D MIMO開啟前,增長比例為14.4%,見表4。

  表4 均衡優(yōu)化前后上行感知速率統(tǒng)計(jì)表(單位:kbit/s)

MIMO技術(shù)的3D化應(yīng)用將成必然

  原有8T站點(diǎn),上下行PRB利用率相比3D MIMO開啟前有所下降。其中下行PRB利用率下降5.35%,上行PRB利用率下降1.96%。3D MIMO站點(diǎn)上下行PRB利用率相比3D MIMO開啟前有所上升。其中下行PRB利用率上升4.4%,上行PRB利用率上升5.0%。

  均衡優(yōu)化效果評(píng)估

  3D MIMO開啟后,由于3D MIMO小區(qū)和原有8T小區(qū)業(yè)務(wù)量(用戶數(shù))導(dǎo)致部分小區(qū)仍存在感知高負(fù)荷的問題,進(jìn)行了相關(guān)均衡優(yōu)化,優(yōu)化內(nèi)容見表5。

  原有22個(gè)感知高負(fù)荷小區(qū),通過初步均衡優(yōu)化,已解決存在高負(fù)荷的問題小區(qū)16個(gè),還有6個(gè)小區(qū)有待于進(jìn)一步參數(shù)調(diào)整解決。

  表5 均衡優(yōu)化參數(shù)修改情況

MIMO技術(shù)的3D化應(yīng)用將成必然

  優(yōu)化后,3D MIMO小區(qū)上下行感知速率相比優(yōu)化前略有下降,8T小區(qū)上下行感知速率略有提升,但均比3D MIMO開通前增益明顯。

  大規(guī)模MIMO技術(shù)伴隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中遇到的覆蓋和容量需求而不斷發(fā)展與進(jìn)步。我國LTE網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多期的建設(shè),已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)良好的廣覆蓋。未來網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)重點(diǎn)將向深度覆蓋和熱點(diǎn)容量吸收方向傾斜,相信3D MIMO技術(shù)必將發(fā)揮重要作用。

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