3D-MIMO实现16流空分复用 频谱效率再上台阶

随着4G用户总量的快速增长和高清语音、视频业务的快速普及，未来网络流量的爆发式增长和有限的频谱资源之间的矛盾将愈加突出。3D-MIMO利用空分复用技术，可支持16个终端共享相同的时间、频率资源，将频谱效率提升4-6倍，有效缓解流量激增和频谱受限之间的矛盾。

多流空分复用是3D-MIMO提升频谱效率的关键

当前无线网络发展，呈现出热点更热的趋势，20%的区域已经承载了70%的流量。城区CBD、商业中心等核心区域，一方面用户集中、业务需求量大，另一方面存在高楼遮挡、深度覆盖不足等问题。现网3D-MIMO技术提供更高维度的空分复用、更强的波束赋型能力，可有效应对这些复杂场景。

3D-MIMO中的关键技术空分复用，又称空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA），在中国提出的第三代移动通信标准TD-SCDMA中就引入了SDMA。根据多天线技术原理，空分复用是多个用户共享时频资源，通过空域信道特征来区分多个用户的信号，同时通过精确的信道相关性估计、用户配对、干扰抑制赋形等降低多用户之间的干扰。

现网TD-LTE 8天线宏站可以支持4流空分复用，而3D-MIMO引入大规模阵列天线技术，使得空域16流、32流或更多流复用成为可能。

热点区域16流空分复用，相比8流吞吐量提升一倍

在热点区域，用户数多且用户在3维空间分布范围大，结合精确的信道估计、用户配对算法，即可实现空域16层及以上的视频资源空分复用，让无线网络的频谱效率再上一个台阶。

由于大规模阵列技术的引入，3D-MIMO系统能够在3维空间产生灵活指向用户的非常窄的波束，这种极窄波束意味着在有效抑制对复用用户干扰，不损失服务用户主瓣方向能量前提下，在整个3维空间，3D-MIMO的大规模天线系统可提供最大复用层数可达到天线数量的空分复用能力。

3D-MIMO示意图

华为的外场测试验证结果显示：近点用户场景，16流空分复用，相比8流空分复用可以获得接近一倍的吞吐量增益；用户均匀分布在小区远中近点场景，16流相比8流空分复用可以获得60%的容量增益；即使对于用户密集分布场景，16流相比8流空分复用也能获得45%的容量增益。

更高的基带处理能力和更优的中射频关键技术是实现16流的基础

从技术标准的角度，3D-MIMO实现16流空分复用，不需要定义新的标准规范，完全兼容现网4G终端，即基于现网终端就可以实现多用户配对，共享信道资源。在前期的外场测试中，即采用16部现网4G终端实现16流复用。

从工程实现的角度，一方面，随着天线数和用户数的增加，对信道估计、用户配对和信号处理等算法都提出更高要求。保证空分复用性能的关键在于准确的估计多用户信道响应，和高精度实时求取用户间空域干扰抑制赋形权值。通常需要复杂的降噪算法，才能保证信道估计的误差精度（如小于20~30dB），满足多层空分复用性能要求。同时，权值求取算法涉及复杂的高维矩阵计算，基带处理复杂度随天线数呈指数增长（提升几十上百倍）。若基带处理能力受限，将会限制多用户配对能力，导致空分复用性能下降。因此，为有效应对未来流量增长和频谱受限的矛盾，要求基站系统具备强大的基带处理能力。华为公司自研的基带芯片在具备强大DSP处理能力的同时，嵌入了FFT、矩阵运算、MIMO加速等多套硬件加速器，使得3D-MIMO的空分复用能力得以充分发挥。

另一方面，3D-MIMO系统对中射频硬件也提出了新的挑战。提高天线设计集成度，在有限的天面空间中置放更多的天线阵子和射频通道。随着空分复用用户数的增加，对中射频硬件的通路一致性指标也提出了更高要求。3D-MIMO空分复用利用了TDD系统上下行信道互易的特点，但是若中射频硬件通路的一致性指标不好，将破坏互异性，造成空分复用的用户间相互干扰。随着空分复用层数的增加，硬件通路非理想因素对系统容量造成的损失也大幅增加。所以3D-MIMO空分复用要求中射频系统在达到高集成度的同时，还要具备良好的通路响应一致性。

综上所述，3D-MIMO需要基于基带、天面二维演进，才能将性能优势充分发挥出来。华为公司的3D-MIMO中射频系统在具备大功率、高集成度的同时，实现了实时高精度自校准。配合基带算法可实现空分复用的用户间几十dB以上的干扰抑制能力，即用户的波束主瓣（天线增益最大的波瓣）对准其他所有复用用户的波束零陷（天线无增益或负增益的波束），使得时频资源上空分复用的层数可达到天线数量，并且每个用户的SINR还能满足最高阶MCS的SINR要求，确保3D-MIMO性能最优。