隨著4G用戶總量的快速增長和高清語音、視頻業務的快速普及，未來網絡流量的爆發式增長和有限的頻譜資源之間的矛盾將愈加突出。3D-MIMO利用空分復用技術，可支持16個終端共享相同的時間、頻率資源，將頻譜效率提升4-6倍，有效緩解流量激增和頻譜受限之間的矛盾。
多流空分復用是3D-MIMO提升頻譜效率的關鍵
當前無線網絡發展，呈現出熱點更熱的趨勢，20%的區域已經承載了70%的流量。城區CBD、商業中心等核心區域，一方面用戶集中、業務需求量大，另一方面存在高樓遮擋、深度覆蓋不足等問題。現網3D-MIMO技術提供更高維度的空分復用、更強的波束賦型能力，可有效應對這些復雜場景。
3D-MIMO中的關鍵技術空分復用，又稱空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA），在中國提出的第三代移動通信標準TD-SCDMA中就引入了SDMA。根據多天線技術原理，空分復用是多個用戶共享時頻資源，通過空域信道特征來區分多個用戶的信號，同時通過精確的信道相關性估計、用戶配對、干擾抑制賦形等降低多用戶之間的干擾。
現網TD-LTE 8天線宏站可以支持4流空分復用，而3D-MIMO引入大規模陣列天線技術，使得空域16流、32流或更多流復用成為可能。
熱點區域16流空分復用，相比8流吞吐量提升一倍
在熱點區域，用戶數多且用戶在3維空間分布范圍大，結合精確的信道估計、用戶配對算法，即可實現空域16層及以上的視頻資源空分復用，讓無線網絡的頻譜效率再上一個臺階。
由于大規模陣列技術的引入，3D-MIMO系統能夠在3維空間產生靈活指向用戶的非常窄的波束，這種極窄波束意味著在有效抑制對復用用戶干擾，不損失服務用戶主瓣方向能量前提下，在整個3維空間，3D-MIMO的大規模天線系統可提供最大復用層數可達到天線數量的空分復用能力。
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3D-MIMO示意圖
華為的外場測試驗證結果顯示：近點用戶場景，16流空分復用，相比8流空分復用可以獲得接近一倍的吞吐量增益；用戶均勻分布在小區遠中近點場景，16流相比8流空分復用可以獲得60%的容量增益；即使對于用戶密集分布場景，16流相比8流空分復用也能獲得45%的容量增益。
更高的基帶處理能力和更優的中射頻關鍵技術是實現16流的基礎
從技術標準的角度，3D-MIMO實現16流空分復用，不需要定義新的標準規范，完全兼容現網4G終端，即基于現網終端就可以實現多用戶配對，共享信道資源。在前期的外場測試中，即采用16部現網4G終端實現16流復用。
從工程實現的角度，一方面，隨著天線數和用戶數的增加，對信道估計、用戶配對和信號處理等算法都提出更高要求。保證空分復用性能的關鍵在于準確的估計多用戶信道響應，和高精度實時求取用戶間空域干擾抑制賦形權值。通常需要復雜的降噪算法，才能保證信道估計的誤差精度（如小于20~30dB），滿足多層空分復用性能要求。同時，權值求取算法涉及復雜的高維矩陣計算，基帶處理復雜度隨天線數呈指數增長（提升幾十上百倍）。若基帶處理能力受限，將會限制多用戶配對能力，導致空分復用性能下降。因此，為有效應對未來流量增長和頻譜受限的矛盾，要求基站系統具備強大的基帶處理能力。華為公司自研的基帶芯片在具備強大DSP處理能力的同時，嵌入了FFT、矩陣運算、MIMO加速等多套硬件加速器，使得3D-MIMO的空分復用能力得以充分發揮。
另一方面，3D-MIMO系統對中射頻硬件也提出了新的挑戰。提高天線設計集成度，在有限的天面空間中置放更多的天線陣子和射頻通道。隨著空分復用用戶數的增加，對中射頻硬件的通路一致性指標也提出了更高要求。3D-MIMO空分復用利用了TDD系統上下行信道互易的特點，但是若中射頻硬件通路的一致性指標不好，將破壞互異性，造成空分復用的用戶間相互干擾。隨著空分復用層數的增加，硬件通路非理想因素對系統容量造成的損失也大幅增加。所以3D-MIMO空分復用要求中射頻系統在達到高集成度的同時，還要具備良好的通路響應一致性。
綜上所述，3D-MIMO需要基于基帶、天面二維演進，才能將性能優勢充分發揮出來。華為公司的3D-MIMO中射頻系統在具備大功率、高集成度的同時，實現了實時高精度自校準。配合基帶算法可實現空分復用的用戶間幾十dB以上的干擾抑制能力，即用戶的波束主瓣（天線增益最大的波瓣）對準其他所有復用用戶的波束零陷（天線無增益或負增益的波束），使得時頻資源上空分復用的層數可達到天線數量，并且每個用戶的SINR還能滿足最高階MCS的SINR要求，確保3D-MIMO性能最優。
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