5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)分析

文 / 李率信，上海東洲羅頓通信股份有限公司

1 大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)概述

天線無線傳輸是九十年代后新興的高速發(fā)展的技術(shù)。2010年，由貝爾實驗室的科學(xué)家 提出了一種新型的技術(shù)，在通信基站中配置十根或者數(shù)百根線，并集中進行排列，以高效利用系統(tǒng)的頻譜，好滿足不斷大量增加的網(wǎng)絡(luò)需要。如下圖所示

表1 小區(qū)平均頻譜效率

大型天線系統(tǒng)比4G網(wǎng)絡(luò)的天線數(shù)量至少增加了1個量級以上，小區(qū)的周圍散布著數(shù)量眾多的天線，天線數(shù)量的不斷增加，多用戶信道是相互交叉的，其他小區(qū)之間的Gauss噪聲逐漸被信號干擾，為了解決4G系統(tǒng)基站帶來的各種各樣的問題，可以明顯提高用戶的傳輸功率。同時，單個用戶的容量不會受到其他小區(qū)中的其他用戶的干擾和影響[1]。小區(qū)內(nèi)天線的分布與陣列的分布大致相同，在這種情況下，需要增加基站側(cè)配置的天線數(shù)量，隨著移動通信使用的天線電波頻率持續(xù)增加，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)已經(jīng)不能滿足于實際的情況，需要進行二次處理。隨著移動通信中使用的射頻頻率的增加，路徑損耗也持續(xù)增大。如果固定天線的具體尺寸，則無線電波長也隨之固定。在同一空間中，需要設(shè)置更多的天線來補償高頻路徑造成的損耗。當(dāng)頻率超過10GHz時，衍射不再是主要的傳播方式，反射和散射成為主要的傳播方式。利用大規(guī)模MIMO技術(shù)，可以生成可調(diào)節(jié)的波束，這種波束很窄，可以改善信號的干擾問題。

一般地情況下，掌握核心的技術(shù)才能占領(lǐng)整個5G的市場，因為只有使用先進的技術(shù)才可以明顯提高天線的利用效率。在此基礎(chǔ)上，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來越難以滿足人們的日常的實際需求，在這種情況下，天線陣列（LSAS）技術(shù)應(yīng)運而生。LSAS技術(shù)可以更好地抑制信號的干擾性，可以進行點到點，點到面，甚至是面到面的傳輸，而且可以明顯地提高傳輸速度。

2 天線系統(tǒng)的傳輸技術(shù)分析

隨著時代的快速發(fā)展，大家對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的要求也越來越高。在這種情況下，產(chǎn)生了不同的存儲方式，不同的用戶對數(shù)據(jù)的傳輸速度提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，這就必須進行數(shù)據(jù)的實時更新，不斷地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，才能持續(xù)應(yīng)用于不斷發(fā)展的社會，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟價值，帶來可觀的收益。其中，密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合應(yīng)用可以從整體上提高5G技術(shù)的性能，但是在實際的應(yīng)用過程中，該技術(shù)將受到更大的干擾。因此，為了更好地應(yīng)用密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有必要提高信號的抗干擾能力，尤其是提高邊緣用戶的網(wǎng)絡(luò)性能，在這一點上，將信號的干擾程度降到最低。

2.1 大規(guī)模 MINO 技術(shù)；眾所周知，MIMO是（Multiple-Input Multiple-Out-put）的縮寫，這項技術(shù)是隨著5G技術(shù)的推廣而新開發(fā)出來的，因此為了保證信號能夠及時、有效地傳輸，不管在什么情況下，都要使用這項技術(shù)進行發(fā)射和接收天線，從而更好地利用空間。與普通的 SISO 技術(shù)相比，MIMO技術(shù)能夠明顯地增加了信道的容量大小，信息比以前傳輸?shù)酶涌焖伲枰臅r間更短，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率比之前更高。當(dāng)發(fā)射和接收天線的數(shù)量超過最大限額以后，需要擴充MIMO 信道的容量，使它能夠滿足實際工作和生活的各種需要。貝爾實驗室于2010年提出了提出大規(guī)模 MIMO這個抽象的概念，理論上的知識很枯燥，沒有具體的案例，很難讓人理解透徹，所以專家們經(jīng)過了數(shù)十年的研究，在無數(shù)的基站上面做各種各樣的嘗試，為用戶提供方便、快捷的服務(wù)。這些技術(shù)填補了國內(nèi)的空白，比傳統(tǒng)的 MIMO 系統(tǒng)更加方便，不需要改變基站的任何設(shè)置，不需要增添任何的設(shè)備，在此基礎(chǔ)上可以明顯提高頻譜效率，大幅度降低干擾的概率，保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、及時地傳遞下去，不僅僅如此，使用這項技術(shù)還可以降低傳輸?shù)氖д`率。

2.2 信道建模與編碼；可以從字面上進行理解，為了建立發(fā)射機與接收機之間的聯(lián)系，可以使用一些方法把它們連接在一起，這個時候，我們可以把這種連接的方法稱之為信道建模，主要使用特殊的模型來建立信道，它的優(yōu)點特別突出，比如可以把二維的模型擴展到三維的模型，隨著 MIMO 技術(shù)使用地范圍越來越廣，一般情況下，5G可以使用這項技術(shù)。D2D（Device to Device）技術(shù)改變了數(shù)據(jù)的傳輸方式，它具有發(fā)送和接受信號的雙重功能，不僅如此，它改變了建模的方式，用球面建模代替了傳統(tǒng)的平面建模，極大地提高了信息地傳輸效率，在此基礎(chǔ)上，信號受干擾的情況特別低，可以適應(yīng)各種嘈雜的環(huán)境。5G 信道不同于一般的信道，延遲性特別低，可以滿足各種實際的需要。低密度奇偶校驗（LDPC）碼特別復(fù)雜，很難使用在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，這個時候需要使用極化（polar）碼，它的編碼特別簡單，技術(shù)特別地先進，可以隨時處理各種情況。雖然這兩種編碼方式有著各自的優(yōu)點和缺點，比如前者的傳輸速度特別快，可以在1s內(nèi)傳輸數(shù)千億個數(shù)據(jù)，缺點就是處理起來非常地繁瑣，不是特別容易上手，極其容易出現(xiàn)各種錯誤，失誤率特別大；而后者的傳輸距離非常長，且不受任何條件的限制，可以無限制地進行傳輸。缺點就是干擾能力特別差，只能在信號好的地方使用，一旦在一些偏僻的地方使用，完全不能接收到任何的信號。不僅如此，一部分信道可以在低噪聲下使用，另外一部分信道不能在噪聲下使用。

2.3 同時同頻全雙工技術(shù)；全雙工技術(shù)不同于一般的技術(shù)，它可以和其它通信終端設(shè)備一起使用，無論在什么樣的情況下，不干涉彼此的使用狀態(tài)，可以明顯地提高頻譜效率，甚至可以提高到一倍以上，不僅僅如此，還可以節(jié)省很多時間，減少不必要的資源浪費。當(dāng)然，無論發(fā)生什么情況，信號都有很可能受到明顯地干擾，比如信息很難傳播出去，信息也很難傳播進來，這個時候，就需要使用全雙工技術(shù)，由于它的干擾現(xiàn)象十分嚴(yán)重，并且在很短的時間內(nèi)不能自動消除，因此需要采用一些特別的方法，這項技術(shù)可以應(yīng)用在其它領(lǐng)域，比如多天線領(lǐng)域，需要繼續(xù)進行深入地研究。

3 結(jié)束語

為我們國家2020年早日實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展和全面覆蓋，我們研究了傳輸信息、頻譜效率，本文為5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展普及提供了必要的理論依據(jù)。