LTE系統(tǒng)物理層的基本構(gòu)架建立在OFDM+MIMO的基礎(chǔ)之上。MIMO即多天線技術(shù)，對于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾逝c可靠性、擴(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。面對速率與頻譜效率需求的不斷提升，對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)行了全面布局，通過對3D MIMO技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研用一體化探索，力爭引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)界共同推進(jìn)3D MIMO系統(tǒng)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、3D MIMO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，是向無線信道饋送或是從無線信道中接收電磁信號的關(guān)鍵部件。天線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對移動(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)對信號空間分布特性的控制，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)對于改善移動(dòng)通信系統(tǒng)整體效率與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技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展已經(jīng)對移動(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2D空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)向著更高維度的空間擴(kuò)展。
通過天線和MIMO技術(shù)，基站對信號空間分布特性的調(diào)整大致可分為兩個(gè)層面。第一個(gè)層面是扇區(qū)級賦形，是對公共信道與公共物理信號的扇區(qū)級進(jìn)行調(diào)整，即根據(jù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)調(diào)整扇區(qū)的覆蓋參數(shù)，其賦形方式并不針對某個(gè)UE的小尺度信道進(jìn)行優(yōu)化，而且扇區(qū)賦形的調(diào)整是一個(gè)相對靜態(tài)的過程；相對應(yīng)的，用戶級調(diào)整則是針對每個(gè)UE所進(jìn)行的UE級的動(dòng)態(tài)賦形或預(yù)編碼，其目的在于使每個(gè)UE的業(yè)務(wù)信道的傳輸與其信道特性相匹配。
在現(xiàn)有的基站天線結(jié)構(gòu)中，由于物理天線端口對應(yīng)于一個(gè)水平方向上排列的線性陣列，調(diào)整各物理天線端口的幅度及物理天線端口間的相對相位等效于控制信號在水平維度的分布。因此無論對扇區(qū)賦形還是UE級動(dòng)態(tài)賦形而言，都可以通過天線映射模塊在基帶實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。
但是對于每個(gè)天線端口內(nèi)部所對應(yīng)的一列陣子而言，由于沒有相應(yīng)的物理天線端口與之一一對應(yīng)，因此無法在基帶直接調(diào)整每個(gè)陣子的加權(quán)系數(shù)。這種情況下，信號功率在垂直維分布調(diào)整的靈活度受到了一定的限制。對于扇區(qū)賦形而言，尚可以通過對每個(gè)陣子所連接的射頻電纜的時(shí)延和衰減的調(diào)節(jié)，在射頻實(shí)現(xiàn)對下傾角的控制�；蛘�，也可以通過機(jī)械方式調(diào)整基站天線面板的俯仰角。但是對于每個(gè)UE的業(yè)務(wù)傳輸而言，在垂直維就無法實(shí)現(xiàn)針對小尺度信道的動(dòng)態(tài)優(yōu)化了。
換言之，按照目前的基站天線結(jié)構(gòu)，LTE的MIMO傳輸方案只能在水平維實(shí)現(xiàn)對傳輸過程的優(yōu)化，還不能完全匹配實(shí)際的三維信道，因此沒有能夠充分地利用信號在垂直維的自由度。此外，小區(qū)分裂或進(jìn)一步的扇區(qū)分裂也是擴(kuò)展系統(tǒng)容量的重要手段，但是受限于傳統(tǒng)的基站天線結(jié)構(gòu)，在不增加天線與射頻設(shè)備的前提下無法實(shí)現(xiàn)垂直維度扇區(qū)化（通過下傾角劃分扇區(qū)）。對于具有不同垂直角度的區(qū)域，如高層建筑的不同高度范圍，往往需要多面天線來分別覆蓋。
針對現(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)在基帶對每個(gè)陣子的獨(dú)立控制。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，射頻電纜這一橫亙在垂直維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，垂直維自由度的大門已悄然向MIMO技術(shù)開啟，MIMO技術(shù)中已積蓄多年的向著3D化發(fā)展的勢頭從此將一發(fā)而不可收，在UE級實(shí)現(xiàn)對信號垂直維分布的控制，充分利用信道的垂直維自由度，這對于MIMO技術(shù)而言，將是一片廣闊的研究領(lǐng)域。
簡單來說，3D MIMO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。但是在實(shí)現(xiàn)3D MIMO技術(shù)的過程中還有很多研究工作。
一直以來，3GPP/3GPP2均采用2D信道模型作為參考信道模型，電磁波僅通過水平方向傳播。現(xiàn)有對3D 空間特性的建模過于理想化。需要進(jìn)行3D MIMO信道建模的深入研究，通過對3D MIMO信道進(jìn)行測量，建立起科學(xué)可靠的3D MIMO信道模型，一方面確定出合理正確的模型，另一方面基于中國的地形地貌實(shí)際給出更事宜中國場景的應(yīng)用模型。
現(xiàn)有MIMO技術(shù)的研究仍主要針對2D信道，基于3D應(yīng)用場景的反饋機(jī)制、傳輸方案以及相關(guān)的多用戶調(diào)度算法、預(yù)編碼算法、碼本設(shè)計(jì)、鏈路自適應(yīng)方案及控制信令都需要重新考慮，以充分地利用3D信道中垂直維度的自由度，更深層地挖掘出MIMO技術(shù)對于改善移動(dòng)通信系統(tǒng)整體效率與性能及最終用戶體驗(yàn)的巨大潛能。
二、新天線新技術(shù)突破場景覆蓋限制及網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量
雖然3D MIMO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)界對其的殷切關(guān)注目光。因?yàn)�，新天線和新技術(shù)的引入對于現(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、3D MIMO從室外覆蓋高層樓宇更經(jīng)濟(jì)
大唐移動(dòng)深入布局TD-LTE多天線技術(shù)領(lǐng)域 推動(dòng)3D MIMO技術(shù)發(fā)展
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3D MIMO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)，需要分別針對低層、中層和高層設(shè)置多個(gè)天面，而3D MIMO技術(shù)的天面需求則很少。此外，3D MIMO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3D MIMO天線，則可覆蓋25層樓。3D MIMO天線在覆蓋高層樓宇的同時(shí)，通過多個(gè)波束對應(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、3D MIMO技術(shù)的應(yīng)用可以降低對鄰區(qū)的干擾
大唐移動(dòng)深入布局TD-LTE多天線技術(shù)領(lǐng)域 推動(dòng)3D MIMO技術(shù)發(fā)展
相比于常規(guī)天線的垂直面不能隨終端的位置實(shí)時(shí)調(diào)整，3D MIMO天線可通過AAS（有源天線陣子）組合而成，每個(gè)陣子均可獨(dú)立調(diào)整權(quán)值，波束在垂直面跟蹤終端，從而可從整體上降低對鄰區(qū)的干擾。
3、3D MIMO可實(shí)現(xiàn)垂直面空分復(fù)用，提升頻譜效率
相比于常規(guī)天線在垂直面不能實(shí)現(xiàn)針對終端的多波束，3D MIMO天線可實(shí)現(xiàn)針對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。
3D MIMO技術(shù)提供了垂直面波束賦形：將UE2與UE3從垂直維度上再進(jìn)行一次區(qū)分，分別形成對準(zhǔn)他們的波束為其進(jìn)行服務(wù)。
三、大唐移動(dòng)提早布局 推動(dòng)3D MIMO技術(shù)發(fā)展
我國作為世界寬帶無線通信領(lǐng)域研究的重要參與國，有必要緊跟標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，緊跟產(chǎn)業(yè)研究的新熱點(diǎn)。面向LTE-Advanced后續(xù)演進(jìn)，突破3D MIMO技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)，形成具有創(chuàng)新性的核心技術(shù)，推進(jìn)3D MIMO技術(shù)基礎(chǔ)性研究、應(yīng)用研究、標(biāo)準(zhǔn)化及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
為響應(yīng)國家TD-LTE通信產(chǎn)業(yè)布局發(fā)展需要的號召，大唐移動(dòng)與國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界同仁攜手，共同推動(dòng)3D MIMO技術(shù)的研究發(fā)展，在測量和建立3D MIMO信道模型、建立和完善技術(shù)評估與仿真平臺(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)化與知識產(chǎn)權(quán)等方面的多重保障。同時(shí)，通過對需求場景的分解，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 （Multiple Input Multiple Output）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。
空間復(fù)用技術(shù)可以在多個(gè)相互獨(dú)立的空間信道上傳遞不同的數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾�。傳輸分集技術(shù)結(jié)合時(shí)間/頻率上的選擇性，為信號的傳遞提供更多的副本，提高信號傳輸?shù)目煽啃浴２ㄊx形是一種應(yīng)用于小間距天線陣列的多天線傳輸技術(shù)，利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)性，使得波束指向用戶方向，從而提高信噪比，提高系統(tǒng)容量或者覆蓋范圍。多天線技術(shù)的具體選擇使用，需要結(jié)合不同的應(yīng)用場景進(jìn)行考慮。
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3GPP LTE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)公司共同推動(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3GPP LTE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。
為了進(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（Port7~Port14）。
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)TM9的功能開發(fā)，希望通過相關(guān)的研發(fā)和測試驗(yàn)證，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。
