面向5G的大規(guī)模天線無(wú)線傳輸理論與技術(shù)

摘 要：本文首先介紹了5G的大規(guī)模天線無(wú)線產(chǎn)生背景，然后對(duì)大規(guī)模天線無(wú)線傳輸進(jìn)行了概述，接著詳細(xì)介紹了5G的大規(guī)模天線無(wú)線傳輸理論與技術(shù)分析，包括大規(guī)模天線系統(tǒng)的信道信息獲取，傳輸方法，資源配置等。供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：5G；大規(guī)模天線；無(wú)線傳輸

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）12-0284-02

前 言

近幾年來(lái)，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量幾乎呈指數(shù)增長(zhǎng)，同比增長(zhǎng)2020年將達(dá)到目前的一千倍。同時(shí)，隨著信息技術(shù)對(duì)能源消耗的比重越來(lái)越大，降低移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能耗已逐漸成為移動(dòng)通信發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）將很難滿足未來(lái)移動(dòng)通信的頻譜利用率和能效要求。第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）的頻譜利用率和能源效率構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。如何在4G的基礎(chǔ)上，在無(wú)線移動(dòng)通信中進(jìn)一步將頻譜效率和功率效率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，為5G的核心。所以，5G的發(fā)展是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的需要，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)的新變化，從根本上解決了移動(dòng)通信的頻譜效率和功率的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率和綠色無(wú)線通信的雙目標(biāo)。

1 5G大規(guī)模天線無(wú)線的產(chǎn)生

社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的通信業(yè)務(wù)也在不斷增加，對(duì)數(shù)據(jù)和信息傳輸?shù)念愋秃蛢?nèi)容也有所增加，現(xiàn)在的4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能很好的服務(wù)于人們的生產(chǎn)和生活，其天線設(shè)置的數(shù)量少，對(duì)空間的判斷能力差，在使用性能方面對(duì)自身的局限性很大，沒(méi)辦法跟上現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的快節(jié)奏。在這種發(fā)展背景下，越來(lái)越多的人的注意到5G的大型天線的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。5G大型天線的無(wú)線功能有其優(yōu)勢(shì)，MIMO技術(shù)挖掘資源，可以獲得分集增益和復(fù)用增益四線目標(biāo)，達(dá)到功率增益，達(dá)到社會(huì)對(duì)高效率數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)容量的要求。

2 大規(guī)模天線無(wú)線傳輸?shù)母攀?/p>

利用多天線發(fā)送和多天線接收（MIMO）無(wú)線技術(shù)是挖掘空間維度資源，提高頻譜效率和功率效率的基本途徑。目前，MIMO技術(shù)已被IEEE（802.11）和其他無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)所采用。然而，現(xiàn)有4G基站天線配置較少，空間分辨率較低，性能增益仍然有限。在現(xiàn)有的系統(tǒng)配置下，近似多用戶MIMO容量傳輸?shù)膹?fù)雜度仍然很高。

分布式天線系統(tǒng)是挖掘空間維度資源的另一種方式。在分布式天線系統(tǒng)中，多個(gè)天線裝配在不同地理位置的節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)高速返回鏈路連接到基帶處理單元，然后協(xié)作與單個(gè)或多個(gè)移動(dòng)通信終端進(jìn)行通信。分布式天線系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作在多個(gè)節(jié)點(diǎn)和用戶之間形成分布式MIMO信道。形成協(xié)作MIMO。協(xié)作多輸入多輸出（MIMO）三種MIMO不僅能獲得收益，并獲得額外的分集增益和功率效率。此外，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中天線配置節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限，協(xié)作MIMO性能增益受限。為了適應(yīng)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量密集的趨勢(shì)，突破現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)的局限性，研究人員將在熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋顯著增加了協(xié)同節(jié)點(diǎn)或小區(qū)的數(shù)量，或大型陣列天線在每個(gè)節(jié)點(diǎn)代替多個(gè)天線的電流使用，由此產(chǎn)生的大規(guī)模協(xié)作（如圖1所示）的無(wú)線通信環(huán)境，為了更深入地挖掘和利用無(wú)線空間資源，將解決未來(lái)移動(dòng)通信的頻譜利用率和功率效率問(wèn)題。

大型天線系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是：在基站覆蓋范圍內(nèi)配置幾十個(gè)甚至幾百根天線，相比4G系統(tǒng)的4或8）天線數(shù)目增加了一個(gè)多量級(jí)。天線可以分散在小區(qū)內(nèi)（稱為大規(guī)模分布式MIMO，），或者集中在大規(guī)模天線陣列（稱為大規(guī)模MIMO），如圖1所示。理論研究和初步性能評(píng)估結(jié)果表明，基站天線（天線總數(shù)）或分布節(jié)點(diǎn)數(shù)趨于無(wú)窮大時(shí)，將趨向于正交多用戶信道之間。在這種情況下，高斯噪聲和非相關(guān)區(qū)域之間的干擾將趨于消失，而用戶發(fā)送功率可以任意低。

3 5G的大規(guī)模天線無(wú)線傳輸理論與技術(shù)分析和研究

3.1 大規(guī)模天線系統(tǒng)的信道信息獲取

在天線系統(tǒng)中，由于基站天線數(shù)量的增加和用戶數(shù)量的增加，信息的獲取成為系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要障礙?？刂茖?dǎo)頻的開(kāi)銷是獲取信息的一項(xiàng)重要內(nèi)容。當(dāng)高頻開(kāi)銷比用戶數(shù)大時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)信息的獲取造成阻礙，因此人們需要把導(dǎo)頻資源的作用充分發(fā)揮出來(lái)，如對(duì)較低的導(dǎo)頻開(kāi)銷進(jìn)行深入研究，可以能夠更準(zhǔn)確地獲取信息。導(dǎo)頻的研究主要是包括導(dǎo)頻復(fù)用方法、信號(hào)設(shè)計(jì)等。另外，在時(shí)分雙工系統(tǒng)中，雖然空中信道滿足使用要求，但如果考慮其他因素對(duì)信道整體運(yùn)行的影響是不符合要求的，特別是在互易性上，進(jìn)行校準(zhǔn)是天線系統(tǒng)功能的重要組成部分?；ヒ仔?zhǔn)有兩種主要類型：①硬件電路校準(zhǔn)。在這種校準(zhǔn)過(guò)程中，需要進(jìn)行兩種設(shè)備的連接。在線路系統(tǒng)上發(fā)送和接收電路，形成電路并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。②空間信號(hào)校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)方法中，只需接收所需的校準(zhǔn)信號(hào)，計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)即可完成校準(zhǔn)。利用上述兩種方法，對(duì)信道的互易性進(jìn)行了校準(zhǔn)，有利于信息獲取的實(shí)現(xiàn)。

3.2 信道信息傳輸理論與技術(shù)

信息傳輸通道技術(shù)的理論，這是5G大型天線無(wú)線傳輸理論的主要技術(shù)之一。在5G無(wú)線系統(tǒng)中的大型天線中，隨著人員用量的增加，隨著天線數(shù)量的增加，信息量和數(shù)據(jù)量不斷增加。對(duì)5G大型天線無(wú)線傳輸造成了局限性。信道信息的獲取與傳輸、控制和管理是主要任務(wù)，需要更多的財(cái)政支出，當(dāng)導(dǎo)頻的頻率高時(shí)，財(cái)務(wù)支出高于多個(gè)主體時(shí)，信息和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將增加難度。因此，要充分發(fā)揮試點(diǎn)的積極作用，加大試點(diǎn)支出和財(cái)政支出的研究和分析力度。在試點(diǎn)財(cái)務(wù)支出中，對(duì)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究。發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)采用頻率技術(shù)可以用來(lái)操作和設(shè)計(jì)信號(hào)，以確保試點(diǎn)財(cái)務(wù)支出的合理性。相互各向異性是確保通道校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。信道異質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)包括以下內(nèi)容：①電路判斷和校準(zhǔn)。它主要用于硬件電路的判斷和校準(zhǔn)。通過(guò)復(fù)用器和耦合裝置連接信道天線，保證信道傳輸和接收的有序發(fā)展。②判斷和校準(zhǔn)空間信號(hào)。確定和計(jì)算校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和信息，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化信息和數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)。

3.3 大規(guī)模天線無(wú)線傳輸?shù)姆椒?/p>

大型天線的無(wú)線傳輸和使用人員與無(wú)線信道接入信道有很大的聯(lián)系，這兩種理論基礎(chǔ)不同，主要是基于這兩種理論，用于傳輸。從理論上講，相關(guān)信道需要進(jìn)行信息的傳遞和協(xié)商，主要利用檢測(cè)的功能，保證目標(biāo)的有效傳達(dá)。在大型天線無(wú)線傳輸系統(tǒng)中，如果存在天線數(shù)量增加現(xiàn)象，會(huì)對(duì)內(nèi)容的傳達(dá)難度造成增加，傳輸效率很低，傳輸無(wú)法實(shí)現(xiàn)。總的說(shuō)，大型天線在無(wú)線傳輸過(guò)程中，MIMO技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，當(dāng)天線數(shù)量達(dá)到最大時(shí)，可以利用MRT技術(shù)來(lái)應(yīng)用在下行鏈路，上行可以把最大比整合和合并，對(duì)容量和性能的要求得到滿足，減少了用于無(wú)線規(guī)模不斷擴(kuò)大的大型天線，上行和下行的工作難度，減少了上行和下行的復(fù)雜性。第二，實(shí)際上，其他因素導(dǎo)致大規(guī)模天線的無(wú)線傳輸復(fù)雜度增加，可以采用空分多址方式，利用接收設(shè)備等方式進(jìn)行先進(jìn)傳輸。

3.4 用于大型天線無(wú)線系統(tǒng)的資源分配

在大型無(wú)線天線傳輸系統(tǒng)中，我們需要使用未提及的資源，為了確保資源的合理使用，首先，有必要優(yōu)化無(wú)線中大天線的不同資源傳輸系統(tǒng)。在某個(gè)系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的天線無(wú)線傳輸。為保證大型天線無(wú)線電系統(tǒng)資源應(yīng)用的合理性，保證其資源優(yōu)化工作的有序開(kāi)展，需要進(jìn)一步分析大型天線無(wú)線傳輸系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)大型無(wú)線傳輸系統(tǒng)天線的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)利用統(tǒng)計(jì)空間方法具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。它降低了大規(guī)模天線無(wú)線傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了MIMO的復(fù)雜度。統(tǒng)計(jì)空間聚類方法對(duì)受試者的使用有一定的影響。在這種發(fā)展情況下，為保證大天線無(wú)線傳輸?shù)暮侠硇?，必須保證科學(xué)的聚類方法，嚴(yán)格控制簇?cái)?shù)。集群計(jì)算用于實(shí)現(xiàn)資源的合理分配。大型天線無(wú)線傳輸資源的優(yōu)化方法一直是人們關(guān)注的話題。從發(fā)展的角度來(lái)看，大型天線無(wú)線傳輸資源的優(yōu)化需要改進(jìn)和創(chuàng)新，提高資源優(yōu)化的能力和效率，促進(jìn)大型天線無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

5G的大型天線無(wú)線傳輸理論是社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，具有時(shí)代特征。本文對(duì)5G大規(guī)模無(wú)線傳輸天線進(jìn)行了理論分析和研究。主要研究信道信息傳輸?shù)睦碚摵图夹g(shù)，無(wú)線傳輸?shù)闹饕椒ㄒ约百Y源分配的分析和研究。在深入的研究和分析中，發(fā)現(xiàn)5G無(wú)線傳輸天線和通信具有高效率的優(yōu)點(diǎn)。它提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜水平，實(shí)現(xiàn)了綠色無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標(biāo)，滿足了人們大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]張長(zhǎng)青.面向5G的大規(guī)模MIMO天線陣列研究[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2016，06（03）：3439.

[2]劉宜明，李 曦，紀(jì) 紅.面向5G超密集場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)自組織關(guān)鍵技術(shù)[J].電信科學(xué)，2016，04（06）：4451.

[3]秦舒雅，楊龍祥.面向5G的大規(guī)模MIMO預(yù)編碼算法比較研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2015，11（07）：150～154.

[4]張 陽(yáng).面向5G的大規(guī)模天線無(wú)線傳輸理論與技術(shù)[J].通訊世界，2016（22）：107.

[5]王東明，張 余，魏 浩，尤肖虎，高西奇，王江舟.面向5G的大規(guī)模天線無(wú)線傳輸理論與技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2016（01）：3～21.

[6]吳 敏，吳 蒙.基于Massive MIMO 5G安全通信技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2017（04）：1～11.

收稿日期：2018-3-20