大規(guī)模天線在5G通信中的應(yīng)用

楊釗 湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程學(xué)院

MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)是4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心之一，也是大規(guī)模天線技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著多年研究和發(fā)展，隨著5G時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)用戶數(shù)越來(lái)越多，用戶對(duì)速率的需求也越來(lái)越高，因此對(duì)空間領(lǐng)域擴(kuò)展的需求也越來(lái)越大。因?yàn)檫@些原因，人們也越來(lái)越關(guān)注MIMO技術(shù)，對(duì)其研究也越發(fā)深入，研究熱點(diǎn)也漸漸轉(zhuǎn)化為如何擴(kuò)展MIMO系統(tǒng)性能。

1. MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介

為了改善通話質(zhì)量，提高無(wú)線系統(tǒng)的頻譜利用率與傳輸?shù)目煽慷?，無(wú)線信號(hào)必須要獲取在空時(shí)處理技術(shù)時(shí)的分集增益或復(fù)用增益。為了達(dá)到此目的，MIMO技術(shù)利用了空間通道的多徑衰弱的性質(zhì)，并且在發(fā)射端和接收端設(shè)置了很多天線，這樣就可以實(shí)現(xiàn)改善通話質(zhì)量等想法。如果想要在頻譜資源和天線發(fā)射功率的前提下，還能大幅度提高系統(tǒng)信道容量，這種目標(biāo)只能通過(guò)MIMO技術(shù)充分利用空間資源才能做到，因此也被看做為5G通信的核心技術(shù)。

為了提高無(wú)線衰弱信道這種復(fù)雜情況下能夠可靠地被接受的效率，能夠取得系統(tǒng)頻譜利用率的提高。人們研發(fā)了分集增益和復(fù)用增益，分集增益能夠通過(guò)發(fā)射和接收端天線分集合，從而使等效信道更加平穩(wěn)；復(fù)用增益則是能夠通過(guò)多個(gè)空間道傳輸不同數(shù)據(jù)流，并且使用了無(wú)線通道空間的弱相關(guān)性，從而能夠達(dá)成目地。這兩種增益也是MIMO技術(shù)能夠被人認(rèn)可并且廣泛應(yīng)用的兩個(gè)重要原因。

隨著人們對(duì)MIMO技術(shù)的重視，隨著對(duì)MIMO技術(shù)的深入研究與發(fā)展，MIMO技術(shù)正在漸漸完善與提高，就像是到了5G時(shí)代，基站可以使用超大規(guī)模陣列了。

2.大規(guī)模天線的特性

想要在不改變現(xiàn)有的天線的大前提下，急劇增加天線數(shù)目，目前也只能通過(guò)MIMO技術(shù)分割天線中的垂直半波陣子為很多陣子。

大規(guī)模天線有很多優(yōu)勢(shì)比如說(shuō)大幅度提高，適度降低上下行發(fā)射功率，清除系統(tǒng)干擾與噪音，穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)特性等。

（1）復(fù)用增益：能夠?qū)⒑芏嗟臄?shù)據(jù)流復(fù)用到相同的時(shí)頻上，可以

大幅度增加同一時(shí)間的某地區(qū)的吞吐量以及提高其到達(dá)峰值的容量，能帶來(lái)很多優(yōu)勢(shì)，給人們帶來(lái)便利。

（2）賦形增益：可以出現(xiàn)立體波束，通過(guò)3D波束賦形，這樣能夠提高信號(hào)強(qiáng)度，帶來(lái)人們的信任感。

（3）陣列增益：能夠通過(guò)空間信道的衰弱獨(dú)立性，進(jìn)行多天線收發(fā)，從而減少性能損失，增加經(jīng)濟(jì)效益。

（4）功率增益：因?yàn)榘l(fā)射通道多，發(fā)射功率也遠(yuǎn)大于單天線發(fā)射的功率，獲得非常多的功率增益，提高效率。

3.大規(guī)模天線系統(tǒng)的技術(shù)

（1）系統(tǒng)的信息獲取

（2）系統(tǒng)的信道信息傳輸

（3）系統(tǒng)的資源配置

4.大規(guī)模天線的關(guān)鍵技術(shù)

（1）多用戶虛擬MIMO

（2）MU—MIMOmimo（多用戶多入多出）技術(shù)的用戶配對(duì)與調(diào)控

（3）3D波束賦值

（4）多用戶虛擬波束賦值

（5）多用戶虛擬MIMO

5.大規(guī)模天線的應(yīng)用

因?yàn)樵诟采w宏觀場(chǎng)景下，面積很大，用戶很多，這時(shí)較小的以往的天線已經(jīng)無(wú)力負(fù)擔(dān)，最好是應(yīng)用大規(guī)模天線，這種大規(guī)模天線可以有效的提高系統(tǒng)容量，解決以往解決不了的問(wèn)題。

因?yàn)樵诟采w微場(chǎng)景下，面積小，但用戶很多，這種的需要精確覆蓋，這種大規(guī)模覆蓋就可以彌補(bǔ)以前天線方式的不足。

因?yàn)楦呓ㄖ采w場(chǎng)景，有很大的難度，從地位置基地提供覆蓋到高位置，這樣一般的天線系統(tǒng)是沒(méi)有良好垂直方向覆蓋能力，而大規(guī)模天線具有這種能力。

因此，這些恰恰說(shuō)明了，大規(guī)模天線技術(shù)適合主要實(shí)施于宏觀場(chǎng)景，如城區(qū)宏覆蓋，微覆蓋，如業(yè)務(wù)量密集的熱點(diǎn)區(qū)，商場(chǎng)，旅游景點(diǎn)，演唱會(huì)，和高層建筑。

(1）室外宏覆蓋

可以在大規(guī)模高密度的地區(qū)，就像是城區(qū)覆蓋的密集地區(qū)，讓大規(guī)模天線技術(shù)應(yīng)用室外宏覆蓋，通過(guò)波束賦形提供更多流數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)容量，這樣就可以很大程度上提高系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>

為了確保地區(qū)內(nèi)所有的用戶體會(huì)到5G技術(shù)，但是因?yàn)橛休^困難的覆蓋要求，比如覆蓋區(qū)域較大，用戶數(shù)量多，用戶需求量大，頻譜需求也很大。所以在這種情況下，我們需要應(yīng)用大規(guī)模天線，這種技術(shù)能夠大幅度提高頻譜利用率，減少能量損毀，提高傳遞效率，減少傳輸干擾，能夠增強(qiáng)區(qū)域覆蓋性，提高通信質(zhì)量。

(2）微覆蓋

微覆蓋有室外覆蓋和室內(nèi)覆蓋

室外覆蓋是為了進(jìn)行補(bǔ)盲的，在業(yè)務(wù)量很高的地區(qū)。比如說(shuō)在大型比賽，步行街，旅游景區(qū)等，這些地區(qū)可以應(yīng)用大規(guī)模天線技術(shù)。并且，隨著時(shí)代的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基站的覆蓋區(qū)也越來(lái)越復(fù)雜，出現(xiàn)了各種難以傳遞的地區(qū)，有弱覆蓋區(qū)和盲區(qū)。雖然這些地區(qū)難以傳遞，但是需求量也很大，用戶也很多，為了讓用戶有良好的服務(wù)體驗(yàn)，這些地區(qū)也應(yīng)該應(yīng)用大規(guī)模天線技術(shù)。大規(guī)模天線技術(shù)可以通過(guò)有效傳輸和接收方式來(lái)提高信號(hào)傳輸效率，配對(duì)多用戶，可以多用戶復(fù)用資源，定向有效傳遞信號(hào)，提高覆蓋面積與質(zhì)量，從而解決信號(hào)傳輸?shù)貐^(qū)復(fù)雜，損耗大，效率低，服務(wù)差，受干擾嚴(yán)重等問(wèn)題。

(3）高層覆蓋

目前，城市的建筑一般都是高層建筑，大約都在六十至一百米。這些建筑想要讓全部的用戶都有良好的服務(wù)體驗(yàn)是很困難的，因?yàn)橐恍┙ㄖ驗(yàn)閺?fù)雜的環(huán)境而產(chǎn)生盲區(qū)，比如陽(yáng)臺(tái)，飄窗等，在這種情況下，就需要應(yīng)用大規(guī)模天線技術(shù)了，這種技術(shù)能夠形成豎直的波束，這樣就可以彌補(bǔ)高層建筑覆蓋有盲區(qū)的問(wèn)題了。

(4）無(wú)線回傳

我們現(xiàn)在在城市建設(shè)中使用光纖作為回傳的，但是因?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)的局限性，有些地區(qū)無(wú)法用光纖作為回傳，這種情況就需要考慮用大規(guī)模天線技術(shù)了?？梢杂煤昊咀鳛樾陆ǖ恼具M(jìn)行回傳，然后采用天線陣列，從而提高回傳鏈路的容量。

6.大規(guī)模天線技術(shù)的意義

MIMO技術(shù)其最大的優(yōu)勢(shì)在于波束賦形技術(shù)。與傳統(tǒng)的基站單天線或不超過(guò)八個(gè)的多天線與手機(jī)的單天線的電磁波傳播相比，提高了非常多，也進(jìn)步了很多。5G大規(guī)模天線技術(shù)能夠打破傳統(tǒng)4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的弊端，增加各種優(yōu)勢(shì)，能夠提高通信效率，提高網(wǎng)絡(luò)頻譜級(jí)別，實(shí)現(xiàn)綠色網(wǎng)絡(luò)發(fā)展目標(biāo)。因?yàn)?G時(shí)代即將到來(lái)，用戶大幅度增多，用戶對(duì)于質(zhì)量與速度的要求也大幅度提高，所以對(duì)大規(guī)模無(wú)線技術(shù)的需求也更加迫切，收到人們的關(guān)注。

7 總結(jié)

大規(guī)模天線技術(shù)是5G通信系統(tǒng)中性能潛力最有希望的，是非常關(guān)鍵的技術(shù)，也是在最早研究5G關(guān)鍵技術(shù)中，是目前研究和討論的最為幾中的方向之一。但是，在大規(guī)模天線技術(shù)的發(fā)展道路上有著很多的困難，比如關(guān)于污染環(huán)境的問(wèn)題，各方面的設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)際使用的問(wèn)題，工程實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，信道測(cè)量與合理建模的問(wèn)題等，這是仍然是我們需要繼續(xù)努力研究從而解決這些問(wèn)題的。