LTE关键技术3D—MIMO

董丽峰+++肖莹+++刘群

摘 要：近年来移动通信技术发展较快，这也使移动通信数据业务流量呈现快速增长的态势，导致无线网络面临着严竣的压力。当前LTE作为移动通信系统的核心，为了能够更有效地提高系统容量和数据传输速率，增加系统容量、提高系统的吞吐量和速率、降低干扰依然是最重要的发展目标。这也使MIMO技术得以在LTE系统中得以应用。MIMO技术即多输入多输出技术，在该技术中，充分的利用空间之间的弱相关性来提高通信信道的容量，并时一步增强信息传输的可靠性，有效地降低误码率。可以说MIMO技术在LTE中的应用是现代通信技术领域重要技术性突破，为现代通信技术水平的提升起到了非常重要的作用。

关键词：LTE；3D-MIMO；系统容量；信道；数据传输；多天线技术

1 什么是3D-MIMO

作为无线关键技术之一的3D-MIMO，得到了越来越多的关注。在垂直方向上增加一个天线维度逐渐成为可能。3D-MIMO技术通过引入二维天线阵列，有效的打破了传统天线只提供水平维度的限制，能够同时实现水平和垂直方向上的MIMO，进一步提升了MIMO可利用的空间维度，而且利用3D-MIMO信道模型所生成的信道传输参数也能够与真实的通信场景具有较好的相符性，可以说3D-MIMO技术将多天线技术推向了更高的发展阶段，为无线通信系统性能的提升提供了更广阔的发展空间。

2 3D-MIMO技术对现有系统有哪些影响

一直以来移动通信蜂窝系统采用的是传统的2D波束赋形技术，这就导致基站发射端波束只能进行水平维度的调整，但由于3D信道的存在，只对每个用户设置固定的下斜角，无法保证系统吞吐量处于最佳水平。特别是小区用户不断增加的新形势下，用户所处位置各不相同，这就导致无法在竖直维度上进行信道信息区分，这必然会对系统性能带来较大的干扰。

与传统的2D-MIMO相比，3D-MIMO是在竖直维上增加了一维可供利用的维度，通过引入二维天线阵列，可同时实现水平和垂直方向上的MIMO，进一步提升MIMO可利用的空间维度。因此可以有效的利用3D-MIMO技术在竖直维上的信道信息，不仅能够对小区间同频用户的干扰起到有效的抑制作用，而且有利于整个小区平均吞吐量的提升。而且在利用3D-MIMO技术的同时，随着收发天线数目的逐渐增多和传输模式的不断丰富，在提高数据传输效率和可靠性的同时，全面提升无线通信系统性能。

3 3D-MIMO为提升无线通信系统性能提供更多可能

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。它可以充分利用空间特性，通过在发送端和接收端均使用多根天线进行数据的发送和接收，对于提升数据传输峰值速率、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量都发挥相当重要作用。现有的MIMO传输方案由于受限于传统的基站天线构架，只能在水平维度实现对信号的控制，还无法利用3D信道中垂直维度的自由度，不能从更深层次开发出MIMO技术对于改善移动通信系统整体效率与性能。而随着天线设计构架的演进，移动通信系统底层设计及网络结构的设计思路也产生了巨大变化，这一发展趋势直接推动MIMO技术向着更高维度发展，为进一步提升系统性能提供了更多可能。

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，也就是有了有源天线系统的技术。在3D-MIMO技术应用过程中，能够在不对现有天线尺寸改变的基础上，对每个垂直天线阵子进行分解，形成多个阵子，开发出MIMO另一个垂直方向的空间自由度。这不仅有效的提高了MIMO技术的水平，而且为LTE系统性能的提升奠定了良好的基础，对抑制小区间干扰及提高系统吞吐量都起到了非常重要的作用。

4 3D-MIMO突破应用场景限制，有效提升系统容量

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，不只是简单地扩增天线数量，因为量变可以引起质变。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。在单天线对单天线的传输系统中，由于环境的复杂性，电磁波在空气中经过多条路径传播后在接收点可能相位相反，互相削弱，此时信道很有可能陷于很强的衰落，影响用户接收到的信号质量。而当基站天线数量增多时，相对于用户的几百根天线就拥有了几百个信道，他们相互独立，同时陷入衰落的概率便大大减小，这对于通信系统而言变得简单而易于处理。3D-MIMO通过引入新天线和新技术，在满足灵活组网需求的同时，有效提升系统容量，诸多优势引来业界多数通信设备厂商都相继推出了具有3D-MIMO功能的新设备。

首先，当前城区建筑多以高层建筑为主，这就导致传统基站无法实现对高层建筑高处楼层的全面覆盖，因此需要利用3D-MIMO技术，通过该技术来分割出指向不同高度位置的波瓣来实现场景的全面覆盖，而且依托于多个并行数据流进行传输，有效的提高了频率利用效率。利用3D-MIMO技术后，所占用的天面数量较少，而且垂直面覆盖加宽，利用天线阵来实现对整个楼层的覆盖，而且在对高层建筑进行覆盖的同时，还能够实现虚拟分区，不仅达到了空分复用的效果，而且对频谱效率的提升起到了积极的作用。

其次，3D-MIMO技术可以降低对邻区的干扰。

3D-MIMO天线相比于常规天线的垂直面不能随终端位置的变化而实时调整，3D-MIMO天线可通过AAS（有源天线阵子）组合而成，每个阵子都可以独立调整权值，波束在垂直面实时跟踪终端，从而可从整体上降低对邻区的干扰。

最后，3D-MIMO技术可实现垂直面空分复用，提升频谱效率。

由于采用的常规天线无法在垂直面上实现针对终端的多波束，但利用3D-MIMO多天线技术时，在实现针对不同终端的垂直面多波束的同时，还能够提供垂直面波束赋形，而且从垂直维度上再进行一次区分，形成对准他们的波束进行信号传输，提升频谱效率。水平面维度与基站的夹角不同，所以基站可以在水平面维度上形成3个分别对准他们的波束进行服务。

5 多天线技术持续演进，全面推动网络智能化发展

虽然3D-MIMO的天线产品和技术本身还尚未进行成熟的商用，可能存在一些待深度研究的内容，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的提升实现了成功的突破，可以做到灵活适应高层建筑、体育场馆、热点地区、最后一公里等各种不同场景的室外宏覆盖。

3D-MIMO通过提高网络带宽、提升网络能力来支持更加丰富的新业务，为用户带来全新体验。随着移动互联网时代的来到，移动网络都面临着容量需求快速增长和站址资源难以解决的矛盾。而移动通信技术的迅猛发展，使得移动通信网络在发展中面临的问题逐步得以解决，移动通信正以更快的节奏加速向下一代通信系统迈近。