5G天線新技術(shù)的應(yīng)用與研究

王科 楊宗林 袁滿

摘 要：針對(duì)5G技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，總結(jié)了未來(lái)天線的技術(shù)特點(diǎn)，介紹了大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入等核心技術(shù)，總結(jié)了這些主要技術(shù)今后的應(yīng)用和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：5G 大規(guī)模天線；超密集組網(wǎng)；全頻譜接入

1 引言

天線作為通信設(shè)備電路信號(hào)與空間輻射電磁波的轉(zhuǎn)換器，是空間無(wú)線通信的橋梁，其特性直接影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)基站天線的性能提出了更高的要求。

針對(duì)站址資源的稀缺、多系統(tǒng)共站、共天線的問(wèn)題，需要對(duì)基站天線進(jìn)行寬帶化演進(jìn)?；咎炀€的關(guān)鍵技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，從單極化到雙極化、從機(jī)械下傾到電調(diào)下傾、從單頻段到多頻段，從窄帶到寬帶甚至超寬帶，從體積笨重高大到小型化。同時(shí)，集成化、超密集組網(wǎng)、多載波等新型技術(shù)也被不斷提出[1]。綜合分析多頻化、小型化、隱形化、集成化和高品質(zhì)等趨勢(shì)是下一代基站天線研究的重點(diǎn)。

2 5G天線技術(shù)發(fā)展方向

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)作為未來(lái)通信發(fā)展的兩大主要驅(qū)動(dòng)力，為5G提供了廣闊的應(yīng)用前景。面向未來(lái)數(shù)據(jù)流量的大幅增長(zhǎng)，5G系統(tǒng)將會(huì)構(gòu)建在以大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入為核心的技術(shù)體系之上，全面滿足未來(lái)技術(shù)需求。

2.1 大規(guī)模天線技術(shù)及應(yīng)用

（1）大規(guī)模天線應(yīng)用場(chǎng)景

大規(guī)模天線技術(shù)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景主要包括：宏覆蓋、高層建筑、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)外熱點(diǎn)以及無(wú)線回傳鏈路等。此外，以分布式天線構(gòu)建大規(guī)模天線系統(tǒng)也可能成為該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景之一。圖1為大規(guī)模天線應(yīng)用場(chǎng)景圖。

伴隨著基站天線個(gè)數(shù)以及空分用戶量的大幅增長(zhǎng)，信道信息獲取成為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的瓶頸。Massive MIMO，又稱為large-scale MIMO，就是在基站端安裝幾百根天線（128根、256根或者更多），從而實(shí)現(xiàn)幾百個(gè)天線同時(shí)發(fā)數(shù)據(jù)。Massive MIMO的信道在角度域和時(shí)延域存在稀疏性，將采取參數(shù)化模型來(lái)對(duì)這種稀疏信道建模，采用參數(shù)化信道估計(jì)和壓縮感知方法大幅提高信道估計(jì)的精度[2]。

（2）大規(guī)模天線技術(shù)應(yīng)用

1）傳輸與檢測(cè)。大規(guī)模天線的性能主要是通過(guò)大量天線陣元形成的多用戶信道間的準(zhǔn)正交特性保證的。為了獲得穩(wěn)定的多用戶傳輸增益，需要依賴下行發(fā)送與上行接收算法的設(shè)計(jì)來(lái)有效地抑制用戶間和小區(qū)間的同道干擾。Kronecker水平垂直分離算法、數(shù)?；旌喜ㄊx形、分級(jí)波束賦形等技術(shù)可以較為有效地降低大規(guī)模天線系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度[3]。

2）一體化設(shè)計(jì)。大規(guī)模天線前端系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為數(shù)字陣和數(shù)?；旌详噧纱箢?。出于復(fù)雜度、功耗和成本的考慮，數(shù)?；旌系年嚵屑軜?gòu)在高頻段將具有很大的應(yīng)用潛力。大規(guī)模有源陣列天線的構(gòu)架、高效、高可靠、小型化、低成本、模塊化收發(fā)組件、高精度檢測(cè)與校準(zhǔn)方案等關(guān)鍵技術(shù)將直接影響到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的性能與效率。

Massive MIMO系統(tǒng)中想要實(shí)現(xiàn)高度集成，必須綜合考慮有源模塊收、發(fā)端口與天線端口的特性，結(jié)合動(dòng)態(tài)波束權(quán)值優(yōu)化天線設(shè)計(jì)；還要綜合考慮電氣指標(biāo)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境影響等實(shí)際因素，實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。

2.2 超密集組網(wǎng)及應(yīng)用

超密集組網(wǎng)將是未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求的主要技術(shù)手段，其通過(guò)更加密集化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署，獲得更高的頻率復(fù)用效率，從而在局部熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級(jí)的容量提升[4，5]。

為了滿足應(yīng)用場(chǎng)景的需求和技術(shù)挑戰(zhàn)，接入和回傳聯(lián)合設(shè)計(jì)、干擾管理和抑制、小區(qū)虛擬化技術(shù)是超密集組網(wǎng)的重要研究方向。

1）接入和回傳聯(lián)合設(shè)計(jì)。接入和回傳聯(lián)合設(shè)計(jì)包括混合分層回傳、多跳多路徑回傳、自回傳技術(shù)和靈活回傳技術(shù)等。

混合分層回傳是在架構(gòu)中將不同基站分層，宏基站以及其它有線回傳資源的小基站屬于一級(jí)回傳層，二級(jí)回傳層的小基站以一跳形式與一級(jí)回傳層基站相連接，將有線回傳與無(wú)線回傳相結(jié)合，提供一種輕快、即插即用的超密集小區(qū)組網(wǎng)形式。

多跳多路徑回傳可給系統(tǒng)容量帶來(lái)明顯的增益。

自回傳技術(shù)包括接入鏈路和回傳鏈路的聯(lián)合優(yōu)化以及回傳鏈路的聯(lián)合優(yōu)化方面，通過(guò)兩者之間自適應(yīng)的調(diào)整資源分配可提高資源的使用效率。

靈活回傳技術(shù)能夠以較低的部署和運(yùn)營(yíng)成本滿足網(wǎng)絡(luò)的端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量要求。

2）干擾管理和抑制策略。超密集組網(wǎng)可以有效的提升系統(tǒng)的容量，但也帶來(lái)了嚴(yán)重的干擾問(wèn)題。干擾管理和抑制策略是以分簇的多小區(qū)進(jìn)行頻率協(xié)調(diào)，按照整體干擾性能最優(yōu)的原則，對(duì)密集小基站進(jìn)行頻率資源的劃分，相同頻率的小站為一簇，簇間用異頻，可較好地提升邊緣用戶體驗(yàn)。

3）小區(qū)虛擬化技術(shù)。小區(qū)虛擬化技術(shù)包括虛擬層技術(shù)和軟扇區(qū)技術(shù)。虛擬層技術(shù)由密集部署的小基站構(gòu)建虛擬層和實(shí)體層網(wǎng)絡(luò)，其中虛擬層承載廣播、尋呼等控制信令，負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理；實(shí)體層承載數(shù)據(jù)傳輸，用戶在同一虛擬層內(nèi)移動(dòng)時(shí)，不會(huì)發(fā)生小區(qū)重選或切換，從而實(shí)現(xiàn)用戶的輕快體驗(yàn)，如圖3所示。

軟扇區(qū)技術(shù)由集中式設(shè)備通過(guò)波束賦形形成多個(gè)軟扇區(qū)，可以降低大量站址、設(shè)備、傳輸帶來(lái)的成本；同時(shí)提供虛擬軟扇區(qū)和物理小區(qū)間統(tǒng)一的管理優(yōu)化平臺(tái)，降低運(yùn)營(yíng)商維護(hù)的復(fù)雜度，是一種易部署、易維護(hù)的輕型解決方案，如圖4所示。

2.3 全頻譜接入技術(shù)

全頻譜接入指的是6GHz以下的低頻段和6GHz以上的高頻段，其中低頻段是5G的核心頻段，用于無(wú)縫覆蓋；高頻段作為輔助頻段，用于熱點(diǎn)區(qū)域的速率提升。全頻譜接入采用低頻和高頻混合組網(wǎng)，充分挖掘低頻和高頻的優(yōu)勢(shì)，滿足信號(hào)無(wú)縫覆蓋、高速率、大容量等需求[6]。

考慮到高頻段傳播特性與6G以下低頻段有明顯不同，高頻在移動(dòng)條件下，易受到障礙物、反射物、散射體以及大氣吸收等環(huán)境因素的影響，高頻信道與傳統(tǒng)蜂窩頻段相比有傳播損耗大、信道變化快、繞射能力差等因素，因此需要對(duì)高頻信道測(cè)量與建模、高頻新空口、組網(wǎng)技術(shù)以及器件等內(nèi)容做深入研究，圖5為高頻通信關(guān)鍵技術(shù)示意圖。

3 結(jié)束語(yǔ)

5G天線核心技術(shù)主要包括大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入等，隨著天線需求的不斷提高和未來(lái)形勢(shì)的需求，基站天線的有源化、小型化和集成化成為發(fā)展及創(chuàng)新的必然趨勢(shì)，這對(duì)提升移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量、網(wǎng)絡(luò)性能、頻譜效率、空間復(fù)用度、降低運(yùn)維成本、降低能耗損具有重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙魯豫 陳奧博 劉樂(lè).5G新體制天線技術(shù)研究[J].電信技術(shù)， 2017，（11）117-120

[2] 王波 梅曉莉.淺析5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)[J].卷宗，2015，（4）292

[3] 黎迪鴻.5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展展望[J].信息通信，2017， （2）242-243

[4] 劉平.5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016，（18） 27-28

[5] 方汝儀.5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及分析[J].信息技術(shù)，2017，（1） 142-145

[6] 張林旺 劉思宇 包峻名.5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)分析[J].中國(guó)新通信， 2017 （10），19

作者簡(jiǎn)介

王科，碩士 現(xiàn)工作于中國(guó)聯(lián)通山東省分公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，高級(jí)工程師。

楊宗林，碩士 現(xiàn)工作于中國(guó)聯(lián)通濟(jì)南市分公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，工程師。

袁滿，學(xué)士 現(xiàn)工作于中國(guó)聯(lián)通山東省分公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，工程師。