MIMO多天線技術(shù)是LTE系統(tǒng)物理層的基本構(gòu)成之一，它對(duì)于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾省U(kuò)展覆蓋、抑制干擾、增加系統(tǒng)容量、提升系統(tǒng)吞吐量有著重要作用。面對(duì)速率與頻譜效率需求的不斷提升，對(duì)MIMO技術(shù)的增強(qiáng)與優(yōu)化始終是LTE系統(tǒng)演進(jìn)的一個(gè)重要方向。
多年來，大唐移動(dòng)在TD-LTE多天線技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了深入的布局。從在TD-SCDMA時(shí)期中被廣泛使用的雙流波束賦形技術(shù)，到LTE中的3DMIMO技術(shù)，大唐移動(dòng)始終力爭引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)界共同推進(jìn)多天線技術(shù)的研究、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，擴(kuò)大我國在多天線技術(shù)學(xué)術(shù)研究及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域中的影響力。
一、3DMIMO技術(shù)為提升LTE傳輸性能提供更廣闊的空間
天線作為將承載信息的電磁波，是饋送或接收無線信道電磁信號(hào)的關(guān)鍵部件。天線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的構(gòu)架、設(shè)備的尺寸以及網(wǎng)絡(luò)部署都會(huì)帶來影響。對(duì)于MIMO技術(shù)而言，更是要依賴于天線陣列所帶來的空間自由度，才能展現(xiàn)其性能優(yōu)勢。
受限于傳統(tǒng)的基站天線構(gòu)架，現(xiàn)有的MIMO傳輸方案一般只能在水平面實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)空間的控制，還沒有充分利用3D信道中垂直維度的自由度，更沒有深層地挖掘出MIMO技術(shù)對(duì)于改善移動(dòng)通信系統(tǒng)整體效率、性能及最終用戶體驗(yàn)的潛能。
隨著天線設(shè)計(jì)構(gòu)架的演進(jìn)，AAS（有源天線陣子）技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展已經(jīng)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路帶來巨大影響，這一發(fā)展趨勢必將推動(dòng)MIMO技術(shù)由傳統(tǒng)的針對(duì)2D空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)向著更高維度的空間擴(kuò)展。
針對(duì)現(xiàn)有基站天線結(jié)構(gòu)在垂直維賦形能力的缺陷，一種自然的想法便是增加垂直維度的物理天線端口，以實(shí)現(xiàn)在基帶對(duì)每個(gè)陣子的獨(dú)立控制。而有源天線系統(tǒng)的興起，解決了基于現(xiàn)有的被動(dòng)天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)垂直賦形的難題，其將天線陣列中的每個(gè)輻射單元與相應(yīng)的射頻/數(shù)字電路模塊集成在一起所構(gòu)成的，是能夠通過數(shù)字接口獨(dú)立控制每個(gè)陣子的主動(dòng)式天線陣列。
在有源天線系統(tǒng)中，基站至天線系統(tǒng)之間不再需要射頻電纜、塔放或RRU這樣的中間環(huán)節(jié)，基站設(shè)備與天線系統(tǒng)之間可以直接通過光纖連接。這種情況下，射頻電纜這一橫亙?cè)诖怪本S物理天線端口開放之路上的障礙隨之迎刃而解。
空間自由度是MIMO技術(shù)的安身立命之本。有了AAS技術(shù)的支撐，基站對(duì)信號(hào)空間的調(diào)整可在UE級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)垂直分布的控制。簡單來說，有了AAS技術(shù)，3DMIMO技術(shù)在不改變現(xiàn)有天線尺寸的條件下，可以將每個(gè)垂直的天線陣子分割成多個(gè)陣子，從而開發(fā)出MIMO的另一個(gè)垂直方向的空間維度，進(jìn)而將MIMO技術(shù)推向一個(gè)更高的發(fā)展階段，為LTE傳輸技術(shù)的性能提升開拓出更廣闊的空間，使得進(jìn)一步降低小區(qū)間干擾、提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率成為可能。
二、新天線新技術(shù)突破場景覆蓋限制并提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量
一直以來，3GPP/3GPP2均采用2D信道模型作為參考信道模型，現(xiàn)有MIMO技術(shù)的研究也主要針對(duì)2D信道，因此3DMIMO技術(shù)的天線產(chǎn)品和MIMO技術(shù)本身都還不是那么成熟。但是并不妨礙產(chǎn)業(yè)界對(duì)其的殷切關(guān)注目光。因?yàn)�，新天線和新技術(shù)的引入對(duì)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)天線技術(shù)應(yīng)用場景著實(shí)是一個(gè)突破。
1、3DMIMO從室外覆蓋高層樓宇更經(jīng)濟(jì)
圖普通扇區(qū)天線與3DMIMO天線室外覆蓋高層樓宇場景
傳統(tǒng)的基站為提高增益，垂直波瓣較窄，在覆蓋高層建筑時(shí)，往往只能覆蓋到部分樓層，從而需要多面天線來做覆蓋的場景。使用3DMIMO技術(shù)，則可以分裂出指向不同樓層位置的波瓣，在減少了天面建設(shè)需求的同時(shí)，也通過多個(gè)并行數(shù)據(jù)流傳輸，提高了頻率利用效率。
常規(guī)的天線在覆蓋高層樓宇時(shí)，需要分別針對(duì)低層、中層和高層設(shè)置多個(gè)天面，而3DMIMO技術(shù)的天面需求則很少。此外，3DMIMO天線相比常規(guī)天線，還可實(shí)現(xiàn)單天線陣覆蓋整個(gè)樓層，垂直面的覆蓋角度可達(dá)+/-30度（而普通天線一般只能做到+/-8度）。
如以天線距離樓宇100米，站高30米為例，利用普通天線往往只能覆蓋9層樓；而在同天線點(diǎn)利用3DMIMO天線，則可覆蓋25層樓。3DMIMO天線在覆蓋高層樓宇的同時(shí)，通過多個(gè)波束對(duì)應(yīng)不同樓層形成虛擬分區(qū)，實(shí)現(xiàn)了空分復(fù)用的效果，同時(shí)也提升了頻譜效率。
2、3DMIMO降低鄰區(qū)干擾并提升頻譜效率
圖常規(guī)天線波束無法在垂直維度區(qū)分用戶圖3DMIMO天線在垂直維度區(qū)分用戶
相比于常規(guī)天線在垂直面不能實(shí)現(xiàn)針對(duì)終端的多波束，3DMIMO天線可實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同終端的垂直面多波束，實(shí)現(xiàn)了垂直面空分，提升頻譜效率。上圖中UE1、2、4在水平面維度上與基站的夾角不同，所以基站可以在水平面維度形成3個(gè)分別對(duì)準(zhǔn)他們的波束進(jìn)行服務(wù)；然而UE2和UE3在水平維度上與基站的夾角相同，那么UE2和UE3的波束會(huì)形成相互干擾。
3DMIMO技術(shù)提供了垂直面波束賦形，可將UE2與UE3從垂直維度上再進(jìn)行一次區(qū)分，分別形成對(duì)準(zhǔn)他們的波束為其進(jìn)行服務(wù)，從而在整體上降低對(duì)鄰區(qū)的干擾，提升頻譜效率。
三、大唐移動(dòng)提早布局推動(dòng)3DMIMO技術(shù)發(fā)展
面向LTE-Advanced后續(xù)演進(jìn)，我國作為世界寬帶無線通信領(lǐng)域研究的重要參與國，緊跟產(chǎn)業(yè)研究的新熱點(diǎn)，全力突破3DMIMO技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)。為響應(yīng)國家TD-LTE通信產(chǎn)業(yè)布局發(fā)展需要的號(hào)召，大唐移動(dòng)與國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界同仁攜手，共同推動(dòng)3DMIMO技術(shù)的研究發(fā)展，在測量和建立3DMIMO信道模型、建立和完善技術(shù)評(píng)估與仿真平臺(tái)、研究和提出新型的反饋設(shè)計(jì)與傳輸方案、研究和評(píng)估新型干擾控制機(jī)制、設(shè)計(jì)新型的3D MIMO天線、形成系統(tǒng)完整的解決方案，完成系統(tǒng)驗(yàn)證樣機(jī)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等多個(gè)方面展開了全面的研究工作。
目前，大唐移動(dòng)在該項(xiàng)研究工作上已取得階段性進(jìn)展，提交了多篇技術(shù)專利并參與制定多項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)。通過及早進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，為我國在3D-MIMO及相關(guān)技術(shù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)提供有力支撐，為該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論基礎(chǔ)、技術(shù)方案、標(biāo)準(zhǔn)化與知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面的多重保障。此外，通過對(duì)需求場景的分解，大唐移動(dòng)還確定了天線和系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)，并完成了天線第一版樣機(jī)的開發(fā)，完成了基站側(cè)樣機(jī)的總體設(shè)計(jì)。
四、大唐移動(dòng)在TD-LTE多天線技術(shù)領(lǐng)域積累深厚
MIMO多天線技術(shù)是TD-LTE的關(guān)鍵技術(shù)，在發(fā)送端和接收端均需使用多根天線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。MIMO技術(shù)主要可以分為空間復(fù)用、傳輸分集和波束賦形三種模式。其中，波束賦形技術(shù)作為TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)，在中國移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用。并且在3GPPLTE技術(shù)規(guī)范Rel-8版本中，引入了單流波束賦形技術(shù)（定義為下行傳輸模式7，即TM7），對(duì)于提高小區(qū)平均吞吐量及邊緣吞吐量、降低小區(qū)間干擾有著重要作用。
2009年3月，由大唐移動(dòng)和中國移動(dòng)共同推動(dòng)的雙流波束賦形技術(shù)在3GPP立項(xiàng)，次年3月標(biāo)準(zhǔn)化工作完成，并被寫入3GPPLTE技術(shù)規(guī)范Rel-9版本中。雙流波束賦形技術(shù)（定義為下行傳輸模式8，即TM8）是智能天線波束賦形技術(shù)（即單流波束賦形技術(shù)）和MIMO空間復(fù)用技術(shù)的有效結(jié)合。
在TD-LTE系統(tǒng)中，利用TDD信道的對(duì)稱性，同時(shí)傳輸兩個(gè)賦形數(shù)據(jù)流來實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，并且能夠保持傳統(tǒng)單流波束賦形技術(shù)廣覆蓋、提高小區(qū)容量和減少干擾的特性，既可以提高邊緣用戶的可靠性，同時(shí)可有效提升小區(qū)中心用戶的吞吐量。
經(jīng)過2011年至今的多年TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中測試及應(yīng)用驗(yàn)證，8天線雙流波束賦形技術(shù)的性能優(yōu)勢已經(jīng)得到充分證明，室外宏基站采用成熟的8天線已正在成為運(yùn)營商的首選。
為進(jìn)一步提升峰值速率和頻譜效率，在TD-LTE-Advanced（Rel-10）標(biāo)準(zhǔn)中，MIMO多天線技術(shù)得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)。基于8天線能力進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)一步定義了增強(qiáng)的傳輸模式9（即TM9）。傳輸模式TM9是在TM8的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其中還利用了TM8已經(jīng)定義的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)。TM9的主要特點(diǎn)是，支持下行最多8層并行傳輸層數(shù)，最大峰值頻譜效率可達(dá)30bit/s/Hz。期間引入了新的下行狀態(tài)測量導(dǎo)頻設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)支持8層數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩魧Ｓ脤?dǎo)頻。
傳輸模式TM9適宜配合8天線使用，與TM8同樣具備波束賦形技術(shù)和空間復(fù)用兩者的優(yōu)勢，既能夠保持傳統(tǒng)單流波束賦形技術(shù)廣覆蓋、提高小區(qū)容量和減少干擾的特性，而且更加突出的是可以有效提升小區(qū)中心用戶的吞吐量。
目前，大唐移動(dòng)已經(jīng)基于TD-LTE商用設(shè)備平臺(tái)進(jìn)行了多天線增強(qiáng)技術(shù)的功能開發(fā)和測試驗(yàn)證。希望通過大唐移動(dòng)對(duì)3DMIMO技術(shù)的全面推進(jìn)，形成具有創(chuàng)新性的核心技術(shù)，為TD-LTE/TD-LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多天線技術(shù)發(fā)展指明方向。
