5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)

陳超 吳紅軍 范秋雨

摘要：本文通過對大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)的概述，分析了大規(guī)模天線對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的意義，并對大規(guī)模天線的基本原理進行分析，探討了大規(guī)模天線系統(tǒng)頻譜效率理論，研究5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)，以期能夠提升通信系統(tǒng)的高效性、安全性與使捷性，帶動整個通信領(lǐng)域的技術(shù)變革。

關(guān)鍵詞：5G通信;大規(guī)模天線;無線傳輸技術(shù)

雖然4G通信網(wǎng)絡(luò)在社會中得到了廣泛的布局，但是隨著使用時間的延長、人們通信需求的提升，4G通信的技術(shù)弊端逐步暴露，而這也為5G通信技術(shù)的發(fā)展提供了更多的可能性。雖然當前我國的5G通信網(wǎng)絡(luò)在逐步布局，但是，其尚處于發(fā)展的初期階段，在社會上的應(yīng)用覆蓋面相對較小，大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)作為通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在不斷發(fā)展的過程中能夠有效帶動5G通信系統(tǒng)的逐步完善，提升通信系統(tǒng)的高效性、安全性與便捷性，帶動整個通信領(lǐng)域的技術(shù)變革。

1 大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)概述

天線無線傳輸技術(shù)是在上世紀九十年代提出的新技術(shù)，隨后在該技術(shù)理論出現(xiàn)以后，人們經(jīng)過了不斷的研究與發(fā)展，形成了新的大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)，這一技術(shù)屬于新型技術(shù)，在通信領(lǐng)域的應(yīng)用帶動了行業(yè)變革。大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)主要指的是在基站所覆蓋區(qū)域，配置一定數(shù)量的天線，將這些天線在某個通信基站內(nèi)通過大規(guī)模集中布設(shè)的方式，來進行通信系統(tǒng)的優(yōu)化，這一技術(shù)應(yīng)用時，基站側(cè)配天線數(shù)量有所增加，也就可以實現(xiàn)對一定空間維度內(nèi)無線資源的深度挖掘，進而滿足相應(yīng)的通信需求[1]。因此，大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)在通信領(lǐng)域的作用是不可替代的，不僅使得通信過程中的安全性得以保障，還使得通信系統(tǒng)中的頻譜效率有所提升。普通居民小區(qū)的平均頻率效率與基站天線數(shù)量之間存在著緊密的關(guān)系，如表1所示。

大規(guī)模無線天線系統(tǒng)與常規(guī)的4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，其天線數(shù)量相對較多，至少要比4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多1個量級，在小區(qū)周邊分布有很多的天線，使得在通信系統(tǒng)運行時，多用戶信道之間存在著一定的交叉性，其他小區(qū)之間所存在的Gauss噪聲會在該通信系統(tǒng)運行時逐步受到嚴重的干擾，也就避免了傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)所存在的技術(shù)限制，有效實現(xiàn)了對用戶傳輸功率的優(yōu)化。大規(guī)模無線天線通信系統(tǒng)下，單個用戶的容量更具可靠性，基本上不會受到其他因素的干擾。小區(qū)中天線分布與陣列分布保持著高度的相似性，與此同時，也需要同步增加基站側(cè)的天線數(shù)量，此時，移動通信系統(tǒng)中的天線電波頻率也隨之增大，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)已經(jīng)難以與現(xiàn)實情況相符合，只有通過二次優(yōu)化和處理，方可達到安全、高效通信的目的[2]。近年來，隨著通信系統(tǒng)中射頻頻率的逐步增大，在通信系統(tǒng)中也存在著較大的路徑損耗，只有通過增加天線數(shù)量，方可對高頻損耗加以補償。根據(jù)相應(yīng)的實踐，一旦通信網(wǎng)絡(luò)中的頻率達到甚至超過看了100GHz，信號傳播不再以衍射為主，而更多地體現(xiàn)在反射和散射方面，而大規(guī)模MIMO技術(shù)下，可以自動生成可調(diào)節(jié)波束，而此波束在形成以后，就可以在很大程度上消除和避免傳統(tǒng)技術(shù)下的信號干擾和失真問題。

5G通信行業(yè)的發(fā)展中，只有掌握了最為先進的技術(shù)，才能夠從根本上保障通信的便捷性，以充分利用空間內(nèi)的天線資源，而傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下，顯然難以符合實際情況，如果要徹底改變這一現(xiàn)狀，就需要充分利用天線陣列技術(shù)，通過這一技術(shù)來避免信號傳輸時的干擾問題，保障點到點、點到面、面到面之間信號傳輸?shù)母咝浴?/p>

2 大規(guī)模天線對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的意義

大規(guī)模天線技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用，可以有效改變傳統(tǒng)技術(shù)的頻率效率低下的現(xiàn)狀，使得通信網(wǎng)絡(luò)中的頻譜效率能夠在該技術(shù)下有所提升，通過新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，來保障頻率資源的有效利用與分配，使得在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，通信系統(tǒng)的覆蓋面有所擴大、系統(tǒng)能耗有所降低。大規(guī)模天線技術(shù)的突出特征就是MIMO系統(tǒng)中的發(fā)射和接收天線端口數(shù)量相對較多，這一技術(shù)條件下，實現(xiàn)了通信域從時域與頻域維度的擴展，使得通信域有所擴大，也就有效提升了空間資源的有效分配和利用，頻譜效率有所提升[3]。MIMO技術(shù)下，即使在帶寬不變的條件下，通信系統(tǒng)中的容量和頻率利用率也可以成倍增加，因此，發(fā)送端和接收端之間會包含多個獨立信道，也就有效提升了系統(tǒng)的兼容性與可靠性。

3 大規(guī)模天線的基本原理分析

5G通信大規(guī)模天線無線技術(shù)應(yīng)用中，其系統(tǒng)的構(gòu)成相對復(fù)雜，主要以密集輻射陣、功分網(wǎng)絡(luò)、耦合校準網(wǎng)絡(luò)、直插型連接器和收發(fā)單元為主，在該系統(tǒng)運行的過程中，各個構(gòu)成部分之間要保持良好的協(xié)調(diào)性與配合性。在密集輻射振中，存在有去耦裝置設(shè)計，而密集輻射陣由多個雙極化輻射單元來構(gòu)成，必須要保障橫向間距與縱向間距的合理性[4]。天線射頻通道可以在系統(tǒng)運行時保障無線信號收發(fā)的科學性與合理性，收發(fā)單元的存在能夠?qū)ι漕l通道的RF信號加以接收和發(fā)射。而耦合校準網(wǎng)絡(luò)的存在，是為了對系統(tǒng)中的全部電路加以評估，使得各個電路能夠符合系統(tǒng)的需求。大規(guī)模天線無線傳輸?shù)募夹g(shù)原理總體上概括就是對無線信號的收發(fā)、頻道接收與信號源的處理過程，需保持整個傳輸處理過程的連續(xù)性，由于天線陣所發(fā)生的大部分能量將集聚于相對狹小的區(qū)域中，這也就使得在系統(tǒng)運行的過程中，當使用的天線數(shù)量增加時，波束寬度也會有所減小，此時，需借助于復(fù)雜算法，來進行系統(tǒng)優(yōu)化。

4 大規(guī)模天線系統(tǒng)頻譜效率理論

4.1 頻譜效率理論分析

大規(guī)模天線作為通信系統(tǒng)中的重要構(gòu)成，在當前的條件下，隨著人們對通信需求的日漸提升，天線數(shù)量和用戶數(shù)量都處于不斷增加的趨勢下，也就加大了大規(guī)模天線系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，尤其是要在該系統(tǒng)中的信道信息獲取成為了關(guān)鍵難題。大規(guī)模MIMO技術(shù)在該系統(tǒng)的應(yīng)用中，由于存在著上下行傳輸?shù)哪芎男屎皖l譜效率影響，如果再加上對導頻污染、信道估計等多種因素的考慮，也就可以基本判定用戶基站天線個數(shù)與接收機技術(shù)之間的緊密關(guān)聯(lián)性，在這一關(guān)聯(lián)因素下，大規(guī)模MIMO頻譜效率同樣會受到一定的干擾[5]。

4.3 系統(tǒng)級頻譜效率

近年來，為有效解決5G通信領(lǐng)域的問題，專業(yè)人員加大了在頻譜效率方面的研究，在具體的研究過程中，為保障研究結(jié)果的可靠性，多會將隨機幾何法作為主要的研究方法。具體的研究流程是：將接收機的信號干燥比作為基礎(chǔ)，利用Shannon公式來進行更為精確的頻譜效率計算。此研究存在一定假設(shè)前提，也就是假定基站服從Poisson分布，在這一條件下，利用已知信息和相應(yīng)的公式，就可以獲得最終的頻譜效率數(shù)據(jù)。當然在系統(tǒng)級頻譜效率的分析和研究方面，同樣可以采用其他的方法，比如，假定基站的位置是已知信息，用戶在小區(qū)中為均勻分布，在系統(tǒng)級頻譜效率的計算過程中，可以將信道容量和用戶期望值作為基礎(chǔ)來開展?，F(xiàn)階段，隨著5G通信領(lǐng)域大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)在大力推廣和發(fā)展，國內(nèi)外的很多學者都對這方面的問題開展了大量的研究，尤其是在多天線系統(tǒng)容量理想值方面的研究相對較多，在未來，非理想值將是研究的熱點問題。

5 5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)

5.1 導頻設(shè)計

5G通信系統(tǒng)運行中，信道估計是評估系統(tǒng)運行水平的關(guān)鍵因素，而信號估計是否準確在很大程度上是由參考信號所決定的，因此，在大規(guī)模天線無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計過程中，相關(guān)設(shè)計人員需嚴格根據(jù)系統(tǒng)的運行需求，來保障參考信號設(shè)計的合理性，以通過參考信號的優(yōu)化設(shè)計，來提升信號估計結(jié)果的準確性。參考信號包含了獲得信號質(zhì)量、解調(diào)數(shù)據(jù)為目標的信號類型，如果要利用參考信號來獲得信號質(zhì)量結(jié)果，在設(shè)計時一般要將其設(shè)計為全向發(fā)送的方式，占用的資源相對有限;如果要利用參考信號來解調(diào)數(shù)據(jù)，就需要在設(shè)計時以順利解調(diào)為基礎(chǔ)，將其設(shè)計為以預(yù)編碼方式的導頻形式。通常情況下，導頻設(shè)計以正交導頻和非正交導頻為主，在不同的形式下，也存在多種類型和表現(xiàn)，如果要保障參考信號設(shè)計的質(zhì)量，需結(jié)合系統(tǒng)通信要求，選擇恰當?shù)男问健?/p>

在4G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，正交導頻技術(shù)的應(yīng)用相對較多，這一技術(shù)具有更好的抗干擾性，使用價值非常突出，雖然如此，如果在5G通信大規(guī)模天線無線系統(tǒng)中應(yīng)用的是正交導頻技術(shù)，可能會存在成本偏高的情況。在4G通信技術(shù)的長期發(fā)展過程中，雖然導頻技術(shù)同樣會面臨成本偏高的問題，但是，由于天線數(shù)量相對較少，使得成本問題并不是其中的突出問題。現(xiàn)階段，隨著5G通信技術(shù)的日漸發(fā)展，天線數(shù)量急劇增加，導頻技術(shù)在應(yīng)用時的成本問題成為了通信領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，為有效實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用時的成本控制，在5G通信領(lǐng)域，非正交導頻技術(shù)逐步引起了人們的重視。根據(jù)非正交導頻技術(shù)在應(yīng)用時的細微差異，包含了疊加于數(shù)據(jù)的導頻、復(fù)用性導頻，在疊加于數(shù)據(jù)的導頻技術(shù)下，可能會受到一些因素的干擾，而這些干擾因素的存在，可能會使得導頻的準確性難以保障;復(fù)用性導頻技術(shù)下，可能會存在一定的導頻污染，而這一現(xiàn)象使得在導頻技術(shù)應(yīng)用時，信道估計的準確性面臨著較大的挑戰(zhàn)。為了使得5G通信領(lǐng)域大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)得到最為有效的控制，就需要在技術(shù)應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計的過程中，充分協(xié)調(diào)導頻技術(shù)下的成本與質(zhì)量，在設(shè)計時可以將各個網(wǎng)絡(luò)中的上行導頻從時間上錯開，進而來消除其他因素的干擾，即使在天線數(shù)量較多的情況下，利用此方式也可以有效降低導頻污染對系統(tǒng)所造成的不利影響。

5.2 信道估計

信道估計是大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)中需要關(guān)注的重點問題，雖然在當前的技術(shù)條件下，信道估計的方法越來越多，但是，不同的方法下，估計結(jié)果的準確性也存在著較大的區(qū)別。幾種方式加以對比，以大規(guī)模MIMO信號稀疏特性為基礎(chǔ)的信號處理算法下，可以有效保障信道估計結(jié)果的準確性。此外，這一算法下，MIMO信道的角度域、時延域都具有稀疏性，使得在實際的應(yīng)用過程中，有關(guān)人員可以直接應(yīng)用相應(yīng)的方式來進行建模處理，并通過參數(shù)化計算和壓縮感知的方式，來進一步保障信道估計的精度，通過這一方式，來使得5G通信網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸穩(wěn)定性和可靠性都有所提升。

隨著5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，盲信道估計方法的優(yōu)勢也日漸凸顯，且在該領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用。從實際的應(yīng)用效果來看，盲信道估計方法下，可以實現(xiàn)估計精度、導頻成本和導頻污染等的協(xié)調(diào)，進而有效解決信道估計方面所存在的各種問題。盲信道估計方法的理論基礎(chǔ)上大規(guī)模MIMO信道空間存在漸進正交性，在這一理論下，有關(guān)人員可以通過對特征值的分解，來消除矩陣模糊度的干擾?？傊?，在信道估計的過程中，如果要保障估計結(jié)果的準確性，有關(guān)人員就需要充分根據(jù)通信系統(tǒng)的具體要求，來對比多種技術(shù)的優(yōu)劣勢，為信道估計提供可靠的技術(shù)支持。

6 結(jié)束語

近年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，我國在近年來已經(jīng)逐步邁向了5G時代，雖然5G通信網(wǎng)絡(luò)并未實現(xiàn)全覆蓋，但在技術(shù)不斷發(fā)展的條件下，5G必將取代4G，成為通信領(lǐng)域的核心技術(shù)。大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)作為5G通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在技術(shù)應(yīng)用時還存在很多的問題，在未來的發(fā)展過程中還需要加大技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新。

參考文獻

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[5]李丹.探究5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2020 （02）：76-77.

作者簡介

陳超（1987-），男，黑龍江省大慶市人。碩士研究生學歷，工學碩士，工程師，現(xiàn)就職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司，任高級咨詢設(shè)計師。研究方向為移動通信網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)。

吳紅軍（1982-），男，山東省人。大學本科學歷，工學學士，工程師，現(xiàn)就職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司，任咨詢設(shè)計師。研究方向為移動通信技術(shù)。

范秋雨（1989一），女，黑龍江省大慶市人。大學本科學歷，工學學士，助理工程師，現(xiàn)就職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司，任咨詢設(shè)計師。研究方向為移動通信系統(tǒng)。