随着标准和技术的不断发展和演进，4.5G在网络容量、峰值速率、时延等技术指标层面与4G相比均有了质的提升。3D MIMO作为4.5G的核心技术之一，打破传统天线只能提供水平维度的限制，通过引入二维天线阵列，可同时实现水平和垂直方向上的MIMO，进一步提升MIMO可利用的空间维度，将MIMO多天线技术推向了一个更高的发展阶段，为全面提升无线通信系统性能提供了更多发展空间。
随着收发天线数目的逐渐增多和传输模式的不断丰富，3D MIMO技术将继续得到发展和演进，在提高数据传输效率和可靠性的同时，全面提升无线通信系统性能。
一、3D MIMO新天线&新技术，为提升4.5G传输性能提供更多可能
MIMO多天线技术作为LTE系统物理层的基本构成之一，主要可以分为空间复用、传输分集和波束赋形三种模式。它可以充分利用空间特性，通过在发送端和接收端均使用多根天线进行数据的发送和接收，对于提高数据传输的峰值速率、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量都发挥着重要作用， 已经成为下一代通信中的关键技术。
现有的MIMO传输方案由于受限于传统的基站天线构架，一般只能在水平维度实现对信号空间分布特性的控制，还无法充分利用3D信道中垂直维度的自由度，未能从更深层次挖掘出MIMO技术对于改善移动通信系统整体效率与性能及最终用户体验的潜能。而随着天线设计构架的演进以及AAS技术的实用化发展，移动通信系统的底层设计及网络结构设计思路也发生了巨大变化，这一发展趋势直接推动着MIMO技术向着更高维度发展，为进一步提升系统性能提供了更多可能。
针对现有基站天线结构在垂直维度赋形能力存在的缺陷问题，一种自然的想法便是增加垂直维度的物理天线端口，以实现在基带对每个阵子的独立控制。有源天线系统的兴起，解决了基于现有的被动天线结构实现垂直赋形的难题，其将天线阵列中的每个辐射单元与相应的射频/数字电路模块集成在一起所构成，是能够通过数字接口独立控制每个阵子的主动式天线阵列。在有源天线系统中，基站与天线系统之间不再需要射频电缆、塔放或RRU这样的中间环节，基站设备与天线系统之间可以直接通过光纤进行连接。在这种情况下，射频电缆这一横亘在垂直维度物理天线端口开放之路上的障碍随之迎刃而解。
空间自由度是MIMO多天下技术的安身立命之本。在有源天线系统技术的有力支持下，垂直维度的空间自由度的大门已悄然向MIMO技术开启，简单来说，有了有源天线系统技术，3D MIMO技术在不需要改变现有天线尺寸的条件下，可以将每个垂直的天线阵子分割成多个阵子，从而开发出MIMO的另一个垂直方向的空间自由度，从而将MIMO技术推向了一个更高的发展阶段，为LTE传输技术的性能提升开拓出更广阔的空间，使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能。
二、3D MIMO成功突破应用场景限制，有效提升4.5G系统容量
一直以来，3GPP/3GPP2均采用2D信道模型作为参考信道模型，电磁波仅通过水平方向进行传播，现有的MIMO技术研究也主要是针对2D信道进行的。
与传统MIMO不同的是，3D MIMO中所采用的天线规模发生了巨大变化，天线数目大幅增加，随着基站天线数目趋向于很多时，各UE的信道将趋向于正交，用户间的干扰趋于消失，由此带来的巨大的天线阵列增益将有效提升每个用户的信噪比，因此可在相同的时频资源上支持更多用户的传输，提升小区的平均频谱效率。3D MIMO通过引入新天线和新技术，在满足灵活组网需求的同时，有效提升系统容量，已经得到了业内的广泛关注。
1、3D MIMO从室外覆盖高层楼宇更经济
图 普通扇区天线与3D MIMO天线室外覆盖高层楼宇场景
传统的基站为提高增益，垂直波瓣较窄，在覆盖高层建筑时，往往只能覆盖到部分楼层，从而需要多面天线来做覆盖的场景。使用3D MIMO技术，则可以分裂出指向不同楼层位置的波瓣，在减少了天面建设需求的同时，也通过多个并行数据流传输，提高了频率利用效率。
· 占用天面少：利用常规天线覆盖高层楼宇时，需要分别针对低层、中层和高层设置多个天面，而3D MIMO技术的天面需求则很少；
· 垂直面覆盖宽：3D MIMO天线相比常规天线，可实现单天线阵覆盖整个楼层，垂直面的覆盖角度可达+/-30度（而普通天线一般只能做到+/-8度）；
· 具体举例：以天线距离楼宇100米，站高30米为例，利用普通天线（为防干扰邻区下倾角为内置6度），只能覆盖9层楼；而在同天线点利用3D MIMO天线，则可覆盖25层楼；
· 虚拟分区：3D MIMO天线在覆盖高层楼宇的同时，通过多个波束对应不同楼层形成虚拟分区，实现了空分复用的效果，同时也提升了频谱效率。
2、3D MIMO技术的应用可以降低对邻区的干扰
图 3D MIMO天线在垂直面跟踪终端
相比于常规天线的垂直面不能随终端的位置实时调整，3D MIMO天线可通过AAS（有源天线阵子）组合而成，每个阵子均可独立调整权值，波束在垂直面跟踪终端，从而可从整体上降低对邻区的干扰。
3、3D MIMO可实现垂直面空分复用，提升频谱效率
图 常规天线波束无法在垂直维度区分用户
图 3D MIMO天线在垂直维度区分用户
相比于常规天线在垂直面不能实现针对终端的多波束，3D MIMO天线可实现针对不同终端的垂直面多波束，实现了垂直面空分，提升频谱效率。上图中UE1、2、4在水平面维度上与基站的夹角不同，所以基站可以在水平面维度形成3个分别对准他们的波束进行服务；然而UE2和UE3在水平维度上与基站的夹角相同，那么UE2和UE3的波束会形成相互干扰。
3D MIMO技术提供了垂直面波束赋形，将UE2与UE3从垂直维度上再进行一次区分，分别形成对准他们的波束为其进行服务。
虽然3D MIMO的天线产品和技术本身还存在许多有待深度研究的内容，但是目前的研究成果显示，3D MIMO中新天线和新技术的引入对于现有网络中天线技术的应用场景实现了成功的突破，可灵活适应高楼覆盖、热点宏覆盖、体育场覆盖、最后一公里等多种场景的室外宏覆盖。
图 3D MIMO应用场景
三、多天线技术持续演进，全面推动网络智能化发展
4.5G通过提高网络带宽、提升网络能力来支持更加丰富的新业务，为用户带来全新体验。随着移动互联时代的到来，很多移动运营商的网络都面临着容量需求激增和站址资源难寻的矛盾。而移动通信技术的迅猛发展，使得4G网络正以更快的节奏加速拥抱4.5G。
4.5G作为4G的平滑演进，是人们进入智能生活的重要推进器，它将移动通信首次带入1Gbps时代，并倾力打造低时延、无处不在的全连接智能移动网络。3D MIMO作为5G Massive MIMO技术应用于4.5G的一个重要特性，具有组网灵活、有效降低选址难度、增强覆盖、降低干扰、提升容量等优点，已经成为4.5G的核心技术。
Massive MIMO通过大量增加通信的天线数量，使得系统性能达到空前的高度，已经成为5G无线通信的一个重要研究方向。5G作为4.5G的进一步演进，相对于4G而言，将会是一次极大的飞跃，它不仅仅意味着无线网络的传输速度得到了极大的提升，还将解决海量智能终端设备的接入问题。而另一方面，如何在有限的无线频谱资源情况下，实现海量的物联接入将是一项巨大的挑战，也将成为未来5G行业应用成功与否的关键。
四、大唐移动积极推动3D MIMO技术及产业发展
为充分发挥多天线技术可通过扩展空间传输维度而成倍提高信道容量的优势，大唐移动持续在多天线技术的增强与优化方面进行了深入的研究。同时为了响应国家TD-LTE通信产业布局发展需要的号召，大唐移动已与国内产业界同仁携手，共同推动3D MIMO技术的研究发展，在测量和建立3D MIMO信道模型、建立和完善技术评估与仿真平台、研究和提出新型的反馈设计与传输方案、研究和评估新型干扰控制机制、设计新型的3D MIMO天线、形成系统完整的解决方案，完成系统验证样机的设计和验证等多个方面展开工作。2014年7月，大唐移动联合业内伙伴，实现3D MIMO原型验证，证明3D MIMO原理可行，具备应用前景。自2015年开始，大唐移动着手启动3D MIMO商用设备的研发工作，已经完成方案设计及算法研究工作，具备商用能力的设备将很快推向市场。
此外，作为IMT-2020（5G）推进组的核心成员，大唐已经在大规模天线、新型多址接入、超密集组网、高频段通信、低时延高可靠、灵活频谱共享等5G重点关键技术上取得了突破性进展。在2015年的5G峰会上，大唐不仅向业界分享了5G系统框架和关键技术研究的最新进展，还展出了业界首个支持128数字通道大规模天线系统的5G综合验证系统。该系统可验证5G相关的通信技术和产品实现技术，如支持128和256通道的大规模天线技术、PDMA图样分割非正交多址接入技术、U/C分离技术、业务本地化、RAN虚拟化等。通过搭建5G关键技术的硬件平台和验证环境，大唐将进一步推动5G的技术储备和标准研究工作，为技术走向产业夯实基础。2016年3月，作为中国移动的战略合作伙伴，大唐成为了中国移动联合创新中心的首批成员单位，未来大唐将继续与中国移动在5G领域展开广泛深入的合作，共推5G发展。
