Pre5G FDD Massive MIMO，引领类5G超速宽带体验

频谱效率提升迫在眉睫

5G为应用场景带来了无限可能，超高速宽带、万物互联、超低时延类业务，每一种都足以让我们的生活发生翻天覆地的变化。在这类业务中，超高速宽带已经具备商用条件，只是受限于网络能力。而后两类还需要整个产业链的发展才能大规模商用，包括终端侧、网络侧、平台侧、业务侧，以及各垂直行业对智能产品的更迭速度。可以预见最先投入使用的是超高速宽带业务。

据第三方机构预测，2022年4G网络仍将占据无线网络的主导地位。然而数据流量的增长却是时不我待，运营商面临的扩容压力与日俱增，尤其是在大城市的热点区域，4G网络的负荷已经非常高。这就对网络容量提升方案提出了急迫而切实的要求。一般而言，提升网络容量的手段包括：更密集的组网、更多的频谱资源和更高的频谱效率。其中，更密集的组网是一种常见的手段。然而4G网络建设发展到今天，对于很多运营商来说，站点获取已经越来越困难，特别是在热点区域，成本越来越高，新建站点已经成为一种代价过于高昂的选择。而频谱资源总归是有限的，在建网初期还曾有较多频谱的运营商，今天也逐渐面临着可用的空余频谱资源越来越少的问题，单纯通过新频谱来提升容量的方案也因此变得越来越不现实。

所以，提升频谱效率，就成为4G网络发展成熟期最为现实和最具潜力的一种容量提升手段。而在多种频谱效率提升方案中，Massive MIMO是提升幅度最大、效果最明显的一种方案。

Pre5G FDD Massive MIMO关键技术

Pre5G FDD Massive MIMO是将5G技术应用于4G网络的革命性创新方案。Massive MIMO是5G核心技术之一，提供远超现有多天线基站方案的站点吞吐率，大幅提升频谱效率。而Pre5G FDD Massive MIMO方案，正是将该5G核心技术，直接应用于4G网络，并兼容现有4G终端的绝佳方案。

Massive MIMO技术的收益主要来自两个方面：

● 在发射机端采用多根天线来提高接收机的信噪比，通过波束赋形技术来实现；

● 多用户空分，增加更多的并行信道来突破频谱的限制，极大提高频谱效率。

本质上信道容量可与天线数保持线性增长关系，从而避免数据速率的饱和，这就是常见的空分复用技术。扩展到Massive MIMO技术，最大的优势是利用多天线的多维度空间信息实现较好的多用户空分技术。 Massive MIMO技术的实现依赖于两个主要方面，首先是硬件上多天线的设计，第二是软件上对信道估计和调度技术的实现和完善。

大规模阵列天线

基站天线普遍使用板状直线阵列，其增益高，扇形区方向图好，后瓣小，垂直面方向图俯角控制方便，密封性能可靠以及使用寿命长。而Massive MIMO要求天线数量大、天线之间高相关性以便通过幅相控制来进行波束的灵活调整。Massive MIMO以大规模阵列形态集中放置数十根甚至数百根以上的天线，利用基站侧的大规模天线所提供的空间自由度，增加多用户空分复用的用户数，极大地提高频谱效率。

阵列天线将若干辐射单元按某种方式排列，形成天线阵，由天线元所产生的矢量场叠加，其上的电流振幅和相位分布满足适当的关系得到。其特点是：

● 容易实现极窄波束，以提高天线的方向性和增益（见图1）；

● 易于实现波束赋形；

● 易于实现波束的相控扫描；

● 易于实现低旁瓣电平的方向图。

后三点可采用阵列天线的口径幅度分布和相位分布来控制，即结合算法实现各种波束要求。阵列天线的主要4个参数为：单元总数、单元在空间的分布、各单元的激励幅度和相位分布，一旦这些参数给定就可分析确定阵列天线的辐射特性，包括阵列天线的方向图、半功率波瓣宽度、方向性系数、旁瓣电平等。由以上分析可知，阵列天线的输出由天线本身的结构设计以及幅相算法决定。以直线列为例，通过改变每个天线阵元的相位，补偿从不同阵元发出的信号经历不同路径所形成的时间差，从而使期望方向的信号同相叠加达到最大。一旦信号方向发生变化，只要通过相移量就可使天线波束的最大指向做相应的变化，从而实现波束扫描和跟踪。利用该特性，可以进行FDD系统的来波方向估计，即DOA估计，为信道估计打下基础。

信道建模

在无线通信系统中，发射机和接收机的传播环境十分复杂，具有随机性和时变性。对于Massive MIMO技术中的大规模阵列天线形态，需要考虑天线阵列上的大尺度衰落分布，要求信道模型能体现出不同天线设计所带来的影响。传统的二维信道模型只考虑了信号在平面上的传播，不能体现天线阵列的三维空间传播，因此需要构建三维信道模型。欧盟提出的WINNER Ⅱ信道模型为3D信道模型，它支持天线参数和信道传输参数之间的独立性，在信道生成的过程中，加入了垂直维度的考虑。3GPP标准组织也在R13开始加大了对3D模型的研究，但目前还未有广泛认可的理论建模方式，主要还是依赖于各厂商的不同实现及实测模型对理论的修正。大量不同场景的实测数据将对Massive MIMO的模型建立带来极大好处，且FDD Massive MIMO的模型建立可以从之前TDD Massive MIMO的经验中借鉴。

3D波束赋形

波束赋形是指通过发射端的多根天线形成指向接收端的天线波束，提升接收机的信号强度，并且抑制在其他方向的信号，理论上，如果传播环境足够丰富以及源与目标之间存在多个强路径，每个波束可以传输2流数据。

现有的波束赋形技术仅能通过控制水平天线阵元的波束赋形权值，来实现波束在水平方向上跟随目标用户移动，可以看成二维空间的跟踪。在垂直方向上的赋形权值是固定值，即垂直方向上波束固定，因此无法实现在垂直方向上跟踪用户。而在实际的系统中，不同位置用户在垂直方向上的信道信息是有差异的，在垂直方向上采用固定的赋形取值的方法会带来波束赋形增益的损失。

3D-MIMO作为FDD Massive MIMO解决方案最重要的技术之一，在传统水平面波束覆盖上，增加了垂直面的波束覆盖能力，可以有效控制波束在水平和垂直两个维度进行覆盖，增强空域复用和抗干扰能力。相比普通天线，3D-MIMO技术能够提供水平角度和垂直角度更为灵活的波束覆盖和更强的MU-MIMO能力。应用3D MIMO后，波束赋形增益显著增加,干扰也会大大降低，整个系统中UE的SINR会大大提高，更有利于实现高阶调制，如256QAM；对于处于同一水平位置不同高度的终端来说，在目前的系统中较难实现终端的同时同频数据传输，而对于3D MIMO来说并不难，只要垂直维度开放了足够的天线端口。对MU-MIMO技术的需求也会随之增长。因此相比于现在的MIMO技术，3D-MIMO能够复用更多的用户，更充分地发挥MIMO技术的优势。

良好的波束赋形性能离不开准确的信道估计和预编码技术。

● 信道估计

CSI（Channel State Information）对信道均衡、用户检测、预编码等技术的实现必不可少。对于FDD系统，由于上下行信道采用不同的频率，上下行信道所经历的衰落状况不同，因此下行信道状态信息需要经过UE的反馈获得。每个用户根据下行的训练序列估计得到下行信道信息后，通过矢量量化信道的方式反馈给基站。TM3/4信道估计采用小区级的参考信号CRS，UE依据CRS反馈RI和PMI，eNodeB选择码本进行数据发射。UE数据解调仍旧采用CRS，无法进行灵活的波束定向。TM9信道估计采用CSI-RS，数据解调使用UE级DM-RS信号，随用户数据一起发送，采用相同的预编码，支持波束赋形，并自动跟踪用户的方位。要实现跟踪，首先需要知道用户的信号从哪个方向上来，这个就是波达方向估计。基站侧要求用户发送相互正交的上行参考信号SRS，不同的天线收到的信号只有相位上的不同，根据相位差和天线间距就可以估算出DOA。

● 预编码技术

预编码技术最初的设计理念是通过预处理技术，对抗信道衰落，从而使得接收机收到的信号质量更佳。而在Massive MIMO技术中，预编码技术还包含了对天线的权值计算。

如何获得合适的预编码矩阵是实现Massive MIMO的关键。目前中兴通讯已经提出了专利算法来实现良好的赋形效果。其他厂商也都在研究中。

Pre5G FDD Massive MIMO引领5G演进

Pre5G FDD Massive MIMO刚一问世，就迅速引起了运营商的极大兴趣，率先在国内成功完成了内外场测试。经过一年的耕耘，ZTE Pre5G FDD Massive MIMO足迹已经遍布全球，与东南亚、欧洲、澳大利亚等地的运营商，完成了一系列的外场验证。2017年5月，中兴通讯携手印尼Telkomsel进行了FDD Massive MIMO外场实验局测试，单小区容量与普通宏站相比提升到4倍。
2017年9月，与泰国AIS合作，在当地大学校园采用3D MIMO技术将单小区容量提升了5倍。

2017年10月，中兴通讯继续扩大FDD Massive MIMO试点，在比利时和澳大利亚都获得了良好的外场效果。尤其完成了业界首个混合传输模式FDD Massive MIMO站点，如图2所示，单小区容量提升3~5倍，向后续的大规模商用迈出了坚实的一步。

2017年底，Pre5G FDD Massive MIMO成功在中国规模商用，单站平均吞吐量增益100%，帮助运营商解决热点网络容量提升难题。

随着Pre5G FDD Massive MIMO的相关测试和商用的逐步推进，占全球LTE网络85%的FDD-LTE运营商们将有机会在5G尚未到来之时，应用Massive MIMO技术为自己的网络提升容量、改善用户体验、增进投资效率，在向5G演进的道路上占得先机，为用户、为股东、为社会创造出更多的价值。