TD-LTE引入了多种增强技术，如CoMP、256QAM调制、载波聚合和上行数据压缩等，而基于多天线的3D-MIMO是最有效的增强技术。3D-MIMO通过采用天线阵列和先进的信号处理算法，可以实现精确的三位波束成形，实现更好的干扰抑制和空间多用户复用的能力，是提升系统容量和传输效率的有效手段。因此，3D-MIMO成为4G演进和5G的核心技术。
1. 3D-MIMO技术原理
传统的2D-MIMO天线端口数较少导致波束较宽，并且只能在水平维度调整波束方向，无法将垂直维度的能量集中于终端。而3D-MIMO一般采用大规模的二维天线阵列，不仅天线端口数较多，而且可以在水平和垂直维度灵活调整波束方向，形成更窄、更精确的指向性波束，从而极大的提升终端接收信号能量并增强小区覆盖。如图：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。而3D-MIMO技术采用大规模阵列天线，以波束赋形算法为基础，并结合SDMA技术实现多场景覆盖。
波束赋形
在波束赋形技术中，基站拥有多跟天线，通过调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收端形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。从基站方面看，利用信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线的方向图，因此称为“波束赋形”。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过检测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。在实际应用中，多天线可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成型在空间上有效的分离了不同用户间的电磁波。
SDMA
SDMA：空分多址，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，实现了空间复用的效果，同时也提升了频谱效率。
大规模天线阵列技术
大规模天线阵列技术正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置多跟天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号。从而开发出MIMO的另一个垂直方向的空间自由度，使得进一步降低小区间干扰、提升系统吞吐量和频谱效率成为可能。
2. 3D-MIMO技术优势
与传统MIMO不同的是，3D-MIMO中所采用的天线阵列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、降低邻小区干扰、提升系统容量。
1）3D MIMO从室外覆盖高层楼宇更经济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），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上图是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可实现垂直面空分多址，提升频谱效率。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。
3. 3D-MIMO技术瓶颈
1）每根天线用户位置的确定算法移动通信中，手机估计其信道并反馈给基站的做法在大规模天线中并不可行，因为基站天线数量众多，手机在向基站反馈时所需消耗的上行链路资源过于庞大。目前，最可行的方案是基于时分双工(TDD)的上行和下行链路的信道对称性，通过手机向基站发送导频，在基站端监测上行链路，基于信道对称性，推断基站到手机端的下行链路信息。
2）导频数量限制造成的干扰获得上行链路信息，手机终端需向基站发送导频，可是导频数量总是有限的，这样不可避免地需要在不同小区复用，从而会导致导频干扰。
3）波束成形算法限制很多大规模天线波束成形的算法基于矩阵求逆运算，其复杂度随天线数量和其同时服务的用户数量上升而快速增加，导致硬件不能实时完成波束成形算法。
4. 3D-MIMO典型应用场景
宏覆盖场景下基站覆盖面积较大，用户数量较多，在新建站址越来越难和移动数据业务增长越来越快的现状下，亟需通过3D-MIMO大幅提升系统容量。微覆盖主要针对室外业务热点区域进行覆盖，比如露天集会、商圈等用户密度大的区域，微覆盖场景下虽然基站覆盖面积较小，但是用户密度通常很高，同样需要3D-MIMO来提升系统容量。高楼覆盖场景主要指通过位置较低的基站为附近的高层楼宇提供覆盖。在这种场景下，用户大量分布于不同楼层，这就需要基站具备垂直大角度范围的覆盖能力。而传统的基站垂直覆盖范围通常很窄，可能需要部署多幅天线才能满足需求，3D-MIMO能够通过三维波束很好地实现整栋楼宇的覆盖。室内覆盖则主要针对室内业务热点区域进行覆盖，如大型赛事、演唱会、商场和体育馆等。在这种场景下，基站通常部署在天花板或者顶部的各个角落里，用户相对基站的角度分布范围很大，传统的全向天线虽然覆盖不成问题，但是无法将能量集中。而3D-MIMO既能覆盖所有用户，又能利用三维波束成形有效提升信号质量。
引用：https://www.sohu.com/a/148886396_807210https://baijiahao.baidu.com/s?id=1576786304250364184&wfr=spider&for=pc
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2016-08-16 16:00 来源: 51CTO
原标题：5G通信技术解读:波束成形如何为5G添翼?
大家一定有过这样的经验，在一间房间里当人不多时，手机信号很好;当许多人聚集到房间里的时候，手机信号就会变差，甚至没办法打电话。这种现象归根到底就是频谱复用做得不够好，无法给所有人分配必需的频谱资源。
有三种经典的频谱复用方法：即时分复用(典型应用：中国移动2G)、频分复用(典型应用：中国联通3G)和码分复用(典型应用：中国联通3G)。可以用一个例子来说明时分复用、频分复用和码分复用的区别。在一个屋子里有许多人要彼此进行通话，为了避免相互干扰，可以采用以下方法：
讲话的人按照顺序轮流进行发言(时分复用)。讲话的人可以同时发言，但每个人说话的音调不同(频分复用)。讲话的人采用不同的语言进行交流，只有懂同一种语言的人才能够相互理解(码分复用)。
当然，这三种方法相互结合，比如不同的人可以按照顺序用不同的语言交流(即中国移动3G的TD-SCDMA)。然而，这三种经典的复用方式都无法充分利用频谱资源，它们要么无法多用户同时间通讯(TDMA)，要么无法使用全部频谱资源(FDMA)，要么需要多比特码元才能传递1比特数据(CDMA)。
那么，有没有一种方法可以克服以上多路方式的缺点，让多个用户同时使用全部频谱通讯呢?让我们先来思考一下，如果在一个房间里大家同时用同一种音调同一种语言说话会发生什么?
很显然，在这种情况下会发生互相干扰。这是因为信号会向着四面八方传播，所以一个人会听到多个人说话的声音从而无法有效通讯。但是，如果我们让每个说话的人都用传声筒，让声音只在特定方向传播，这样便不会互相干扰了。
在无线通讯中，也可以设法使电磁波按特定方向传播，从而在不同空间方向的用户可以同时使用全部频谱资源不间断地进行通讯，也即空分复用(space- division multiple
access，SDMA)。SDMA还有另一重好处，即可以减少信号能量的浪费：当无线信号在空间中向全方向辐射时，只有一小部分信号能量被接收机收到成为有用信号。大部分信号并没有被相应的接收机收到，而是辐射到了其它的接收机成为了干扰信号。
当使用SDMA时，信号能量集中在特定的方向，一方面减少了对其它接收机的干扰;一方面也减小了信号能量的浪费。
在5G通讯中，SDMA是大规模MIMO(massive Multiple-Input Multiple-Output，指在发射端和接收端分别使用大规模发射天线和接收天线阵列，使信号通过发射端与接收端的大规模天线阵列传送和接收，从而改善通信质量)技术应用的一个重要例子，而将无线信号(电磁波)只按特定方向传播的技术叫做波束成形(beamforming)。
有了波束成形，众多小伙伴就可以同时在同一个地方欢乐地刷手机上网而不用担心信号干扰的问题。
什么是波束?
“波束”这个词看上去有些陌生，但是“光束”大家一定都很熟悉。当一束光的方向都相同时，就成了光束，类似手电筒发出的光。反之，如果光向四面八方辐射(如电灯泡发出的光)，则不能形成光束。和光束一样，当所有波的传播方向都一致时，即形成了波束。
生活中的光束，光束也是波束的一种
工程师利用波束已经有相当久的历史。在二战中，工程师已经将波束利用在雷达中，雷达通过扫描波束方向来探测整个空间中所有目标的位置。
另一个例子是卫星通讯，也即我们生活中常见用于卫星电视的“锅盖天线”。卫星和地面接收天线的距离非常远，信号衰减非常大，于是卫星信号到达地面时能量已经非常小。因此，我们需要想方设法收取卫星发出的每一点信号能量。当卫星的信号向空间全方向辐射时，绝大多数能量并没有被地面天线接收到，而是被浪费了。为了避免这种浪费，我们在接收和发射卫星信号时，都会使用波束。这样，发射的电磁波信号都集中在一个方向上，只要接收天线能对准这个方向，就可以接收到尽可能多的信号。
波束的传统应用是雷达(左)和卫星通讯(右)
如何实现波束成形
光束实现很简单，只要用不透明的材料把其它方向的光遮住即可。这是因为可见光近似沿直线传播，衍射能力很弱。然而，在无线通讯系统中，信号以衍射能力很强的电磁波的形式存在，所以无法使用生成光束的方法来实现波束成型，而必须使用其他方法。
无线通讯电磁波的信号能量在发射机由天线辐射进入空气，并在接收端由天线接收。因此，电磁波的辐射方向由天线的特性决定。天线的方向特性可以由辐射方向图(即天线发射的信号在空间不同方向的幅度)来描述。
普通的天线的辐射方向图方向性很弱(即每个方向的辐射强度都差不多，类似电灯泡)，而最基本的形成波束的方法则是使用辐射方向性很强的天线(即瞄准一个方向辐射，类似手电筒)。
然而，此类天线往往体积较大，很难安装到移动终端上(想象一下iPhone上安了一个锅盖天线会是什么样子)。另外，波束成形需要可以随着接收端和发射端之间的相对位置而改变波束的方向。传统使用单一天线形成波束的方法需要转动天线才能改变波束的方向，而这在手机上显然不可能。因此，实用的波束成形方案使用的是智能天线阵列。
普通天线(方向性弱)和智能天线阵列(方向性强)
智能天线阵列原理并不复杂。当由两个波源产生的两列波互相干涉时，有的方向两列波互相增强，而有的方向两列波正好抵消(如下图)。
在波束成形中，我们有许多个波源(即天线阵列)，通过仔细控制波源发射的波之间的相对延时和幅度我们可以做到电磁波辐射的能量都集中在一个方向上(即接收机所在的位置)，而在其他地方电磁波辐射能量很小(即减少了对其他接收机的干扰)。
此外天线辐射的方向可以通过改变波源之间的相对延时和幅度来实现，可以轻松跟踪发射端和接收端之间相对位置的改变。
波束成型系统架构
波束成形与毫米波是天作之合
目前波束成形已经被使用在带有多天线的WiFi路由器中。然而，手机上不可能像路由器一样安装WiFi频段的多根天线，因为天线尺寸太大了。
天线的尺寸是由电磁波信号的波长决定的，WiFi和当前手机频段的电磁波波长可达十几厘米，因此很难将如此大的天线集成在手机上。为了解决这个问题，我们可以把波束成形和毫米波技术结合在一起。
毫米波波段的波长大约是WiFi和手机频段波长的十分之一左右，因此可以把多个毫米波天线集成到手机上，实现毫米波频段的波束成形。波束成形和毫米波技术可谓是天作之合，使用毫米波可以给信号传输带来更大的带宽，波束成形则能解决频谱利用问题，使得5G通讯如虎添翼。
毫米波天线阵列体积很小，可以安装到手机上
结语
波束成形可以使信号的能量集中在接收端所在的方向，从而改善频谱利用效率。
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