基于5G通信的大規(guī)模天線無線傳輸技術探討

呂廷亮

摘 要 隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國各行各業(yè)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢，在5G網(wǎng)絡的建設過程中，大規(guī)模天線無線傳輸技術是十分重要的基礎技術，能夠促進5G通信頻譜效率的有效提升，同時減少能耗。本文將簡單分析大規(guī)模無線天線傳輸理論，并就5G通信中的大規(guī)模天線無線傳輸技術展開探討，希望可以給業(yè)界人士提供一些參考，推動5G大規(guī)模天線傳輸技術的發(fā)展進步。

關鍵詞 5G通信;大規(guī)模天線;無線傳輸技術

引言

科技的進步帶來時代的進步，移動數(shù)據(jù)業(yè)務出現(xiàn)并得到巨大發(fā)展，信息技術資源占比勢必將不斷增大，這在滿足人們對信息資源的應用需求的同時，也導致資源消耗的增多，如何實現(xiàn)信息資源節(jié)約是當前擺在人們面前的一個重要問題。大規(guī)模天線無線傳輸系統(tǒng)構架便是解決這一問題的有效措施，其不僅能滿足 5G 傳輸要求，還能最大程度的減少資源投入。所以，針對 5G 大規(guī)模天線無線傳輸技術進行研究是十分必要的。

1大規(guī)模天線無線傳輸?shù)母拍?/p>

5G通信系統(tǒng)中的頻譜效率是基于5G基礎頻率而來，其對于5G通信系統(tǒng)的信息傳播穩(wěn)定有著重要意義。在頻譜效率過低的情況下，5G系統(tǒng)中的頻率波動值往往較大，難以穩(wěn)定，進而導致5G網(wǎng)絡信號的接收也會出現(xiàn)波動，不夠穩(wěn)定。而5G網(wǎng)絡作為比4G網(wǎng)絡更加安全、高效、穩(wěn)定而低能耗的通信網(wǎng)絡，其信號應當保持足夠穩(wěn)定，波動較小，這就要求其頻譜效率質量必須維持在一定水平之上。信道容量分析作為評估5G通信系統(tǒng)設計與性能的基礎形式，其是基于MIMO多天線技術而提出來的，并且被發(fā)現(xiàn)能夠適用于大規(guī)模天線系統(tǒng)的容量分析。不過，由于大規(guī)模天線系統(tǒng)本身更為復雜，故而其信道容量分析的難度也更大，為5G通信的頻譜效率質量控制帶來了較大難題。首先，大規(guī)模天線系統(tǒng)本身較為復雜，包含的天線數(shù)目極多，使得新到信息獲取較為困難。對此，只能進行信道估計，同時考慮導頻污染、路徑損耗及天線相關損耗等，利用大規(guī)模MIMO的頻譜效率來探析基站天線個數(shù)和接收機個數(shù)間的關系。其次，大規(guī)模天線系統(tǒng)對蜂窩移動通信網(wǎng)絡造成了一定影響。后者本身容量雖然有限，但是在對其容量進行評估時，還需要考慮大規(guī)模天線系統(tǒng)下的基站節(jié)點分布與用戶分布，進而為蜂窩系統(tǒng)的設計提供數(shù)據(jù)指導。因此從理論上來看，信道容量分析是大規(guī)模天線無線傳輸?shù)年P鍵。只有在良好的容量分析下，大規(guī)模天線系統(tǒng)的頻譜效率才有可能始終處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，進而保障5G通信網(wǎng)絡信號的傳輸穩(wěn)定，確保5G網(wǎng)絡的建設與發(fā)展進程能夠順利推進，為人們提供更好的網(wǎng)絡服務[1]。

2大規(guī)模天線的基本原理分析

5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構，包括密集輻射陣、功分網(wǎng)絡、耦合校準網(wǎng)絡、盲插型連接器和收發(fā)單元。密集輻射陣中設計有去耦裝置，密集輻射陣由若干雙極化輻射單元按照一定的橫向間距和縱向間距組陣。天線射頻通道（包括多個輻射單元組成的單元模塊）實現(xiàn)無線傳輸信號的收發(fā);收發(fā)單元實現(xiàn)對射頻通道RF信號發(fā)射和接受;耦合校準網(wǎng)絡實現(xiàn)校準及評判電路;這樣，通過全方位的從發(fā)射信號到接收實現(xiàn)全方位的整合與校對，確保信道線路的暢通與有序運行。大規(guī)模天線無線傳輸原理就是無線信號的收發(fā)、到對應頻道的接收，再到信號源的處理、整合與監(jiān)測。這個過程連續(xù)統(tǒng)一。但從天線陣發(fā)射的大部分能量集中在非常狹窄的區(qū)域，這意味著當您使用更多天線時，波束寬度會變窄，因此我們必須建立超出原本困難程度的復雜算法，來精確定位用戶的確切位置并指導光束給用戶高精度[2]。

3大規(guī)模天線系統(tǒng)頻譜效率理論

3.1 頻譜效率效率理論分析

在多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng)中，隨著天線數(shù)量及用戶數(shù)量的增多，信道信息的獲取成為該系統(tǒng)性能提升的瓶頸。結合大規(guī)模MIMO上下行傳輸?shù)哪芎男始邦l譜效率，同時考慮導頻污染、信道估計、路徑損耗等因素，每個用戶基站天線個數(shù)和接收機技術有著密切聯(lián)系，且大規(guī)模MIMO頻譜效率也會受到相應的影響;其次大規(guī)模MIMO對蜂窩移動通信提出了新的挑戰(zhàn)，但這也為其設計提出了一個新的參考。

3.2 系統(tǒng)級頻譜效率

近年來，有關系統(tǒng)級頻譜效率的研究主要采用隨機幾何法，即根據(jù)接收機的信號干燥比，結合Shannon公式對頻譜效率進行計算，假設基站的部署從Poisson開始分布，進而得出相應的頻譜效率數(shù)據(jù)，這也是近幾年關注度最廣泛的系統(tǒng)級頻譜效率研究方法。另一種分析方法是假設基站位置已知，且用戶在小區(qū)內呈均勻分布的情況，根據(jù)信道容量及用戶期望值，對系統(tǒng)級頻譜效率進行計算。當前，國內外的學者對信道信息多天線系統(tǒng)容量的理想值進行了大量研究，未來，非理想值則會成為研究多天線系統(tǒng)容量的主要方向。假設存在導頻污染的情況，綜合考慮正則迫零預編碼或迫零預編碼，其容量相關的數(shù)值則需進行進一步研究[3]。

45G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術

4.1 傳輸技術

信道信息傳輸技術是大規(guī)模無線傳輸?shù)暮诵慕M成，因為在無線傳輸體系當中，采用的基數(shù)不斷變大，導致了無線傳輸天線數(shù)量不斷增加，使得通信業(yè)務量飛速增長。若無法很好地處理通信業(yè)務，則會直接影響到大規(guī)模無線傳輸技術的應用質量。通過傳輸技術的合理應用，則可以實現(xiàn)導頻把控，有效處理每一個通信階段的工作業(yè)務量。但實現(xiàn)該工作目標，需投入較大的資源。當通信導頻信號處于高頻周期階段時，此時的通信數(shù)據(jù)采集量非常大，且數(shù)據(jù)采集工作具有一定難度。為了能夠很好解決該問題，技術人員需對導頻信息進行全方位的剖析研究，基于大數(shù)據(jù)技術對數(shù)據(jù)信息的深度處理，以得到導頻數(shù)據(jù)報告。技術人員可以分析數(shù)據(jù)報告，并設計相關的信號信道，以保證導頻管控工作開展的可靠性與安全性。在信道互異性校準工作開展時，技術人員依據(jù)的工作標準如下：①主要是對校準空間信號進行評判，以保證5G通信信號的高速處理與數(shù)據(jù)采集工作開展有序。②主要是對評判電路進行校準，在該評判工作開展時，對硬件電路進行一定校準。并采取不同形式對耦合器的關聯(lián)信道天線信息進行分析，及時地處理相關問題，以確保信道信號傳輸與接收的可靠性與準確性。

4.2 核心技術

廣播信號與接入信道的工作理論非常接近，基于對大規(guī)模無線傳輸技術分析可知，該技術主要依托5G通信與其他傳輸技術的結合，以保證該技術應用的可靠性與安全性。從信道關聯(lián)理論、信息傳輸領域解析，則可以發(fā)現(xiàn)該技術的應用，主要是為保證通信內容的準確無誤傳輸，為用戶提供安全可靠的通信保障。在大規(guī)模無線傳輸技術應用工作時，隨著使用用戶與天線數(shù)量的逐漸增加，則會影響到原本流暢的通信信道，導致信號傳輸?shù)墓ぷ餍氏陆?，影響到用戶的工作與生活。基于5G通信技術的發(fā)展，大規(guī)模無線傳輸技術也進行了技術更迭，如MIMO技術的應用，而當無線數(shù)量增多的通信工作環(huán)境下，則可以采取MRT技術。在MRT技術的應用下，可以對通信上行部分數(shù)據(jù)進行整合，以滿足技術傳輸?shù)娜萘颗c性能需求。當出現(xiàn)一些特殊外界因素影響時，很可能導致大規(guī)模無線傳輸復雜性的加大，為保證通信傳輸?shù)馁|量與安全，應當合理應用空分多地址，以接收相關信號，保證無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量與安全。

4.3 導頻設計

對5G通信系統(tǒng)而言，參考信號是決定信道估計準確與否的重要因素，因此，需要在大規(guī)模天線無線傳輸系統(tǒng)中，合理設計參考信號，確保信道估計結果準確無誤。需要注意的是，參考信號包括以獲取信號質量及解調數(shù)據(jù)為目標的兩種信號，前者大多是以全向發(fā)送的形式存在，往往只占用較少資源并測試信道質量;后者則能夠為系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的解調提供支持，并且在節(jié)約成本的基本需求下以預編碼的方式進行導頻。而導頻設計則包括正交導頻與非正交導頻兩種，前者又可以被劃分為時分、頻分、碼分以及混合正交等多種類型，可以用于參考信號的設計。實際上在當前，正交導頻技術就已經(jīng)被廣泛應用于4G通信系統(tǒng)，并且由于其具有抗干擾能力強的優(yōu)勢，具有極大的實用價值。不過對5G通信的大規(guī)模天線系統(tǒng)而言，導頻技術的應用面臨著巨大的成本問題。雖然在4G標準中，導頻技術的應用成本問題就已經(jīng)頗受重視，但是由于天線數(shù)量有限，該問題始終不是亟待解決的關鍵性問題。不過隨著5G時代的到來，大規(guī)模天線系統(tǒng)的應用使得天線數(shù)量大幅增加，導頻技術的應用成本也水漲船高，已經(jīng)成為5G通信網(wǎng)絡建設中不可忽視的重要問題。為了解決這一問題，非正交導頻設計被提出，但同時也帶來全新的難題。非正交導頻設計可以分為疊加于數(shù)據(jù)的導頻以及復用性導頻兩種，前者會形成一定干擾，進而影響導頻的準確性;而后者則會產(chǎn)生極大的導頻污染，對信道估計準確性造成負面影響。為了協(xié)調導頻設計的成本與質量，當前普遍采用將各網(wǎng)絡中的上行導頻從時間上加以錯開，同時通過干擾低效的方式將干擾排除掉。

4.4 信道估計技術

信道估計技術的應用主要是為了在5G通信過程中有效提升信號處理工作的精確度。構建5G大規(guī)模天線無線傳輸網(wǎng)絡能很大程度的提升信號處理、通信傳輸效率，同時也讓通信網(wǎng)絡面臨巨大的數(shù)據(jù)處理壓力，通信技術人員既要確保能理清龐大而復雜的數(shù)據(jù)并快速處理，還要保證數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)木_度，而信道估計技術的提出與應用就很好地解決了數(shù)據(jù)精準度的問題。在5G通信網(wǎng)絡運行過程中，信號數(shù)據(jù)計算的精確度可能會因為受到導頻污染的影響而出現(xiàn)波動，造成最終的計算誤差，甚至在嚴重情況下還會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸處理失穩(wěn)的問題，但是信道估計技術的應用就能有效規(guī)避這樣的情況出現(xiàn)。信道估計技術在應用時，能夠直接參與到通信網(wǎng)絡的導頻分配工作中，通過多路徑實時就通信系統(tǒng)中的時延情況進行估計，并實現(xiàn)多徑分量的提取，以最終提升延遲功率分布效率，而這里實現(xiàn)的延遲功率分布能確保通信數(shù)據(jù)在傳輸過程中始終保持穩(wěn)定，而計算得出的數(shù)據(jù)也將是穩(wěn)定和高質量的。這樣一來，通信數(shù)據(jù)在向指定位置傳輸?shù)倪^程中，導頻污染情況也將得到最大限度的避免。綜上可知，要確保5G大規(guī)模天線傳輸系統(tǒng)的建設質量，就必須為其設置完善的保護機制，確保其高質量運行。現(xiàn)有新興通信技術，如導頻技術、信道估計技術等等，都為5G移動通信發(fā)展提供了重要助力，但不可忽視的是5G大規(guī)模天線無線傳輸系統(tǒng)建設過程中仍有很多難點需要攻克，通信技術人員還要不斷研究和開發(fā)新技術。

4.5 體系配置

基于5G通信技術要求，在構建大規(guī)模無線傳輸體系時，應當合理地配置各類資源，以確保傳輸體系的整體運行安全性與可靠性。在資源配置工作開展時，需對差異化資源進行科學利用，以提高系統(tǒng)的運行效率。在大規(guī)模無線傳輸系統(tǒng)運行時，為提高系統(tǒng)運行的工作可靠性，需對系統(tǒng)進行合理優(yōu)化，而優(yōu)化工作的開展，將導致大規(guī)模無線傳輸難度的提升。因此，科學嚴謹?shù)貎?yōu)化配置系統(tǒng)資源，是系統(tǒng)優(yōu)化工作開展的安全前提。在對大規(guī)模無線傳輸技術與體系進行分析后發(fā)現(xiàn)，若合理地應用統(tǒng)計空分方技術，可以有效提高體系建構的可靠性，同時也將降低MIMO技術的工作復雜性。若是對統(tǒng)計空分方技術進行辯證的分析，則可發(fā)現(xiàn)該技術具有一定的缺點。在體系配置使用過程中，技術人員的信號分簇會對其應用可靠性產(chǎn)生一定影響。在信號分簇后，無線傳輸體系則以信號容量為構建核心目標，以實現(xiàn)容量的最大化。通過對信道數(shù)據(jù)進行整合，并基于相關算法進行用戶分簇，對大規(guī)模無線傳輸體系進行可靠性論證。在使用統(tǒng)計空分方分簇計算方式時，可以明顯發(fā)現(xiàn)體系的通信主體受到了很大影響，導致大規(guī)模無線傳輸性能的下降。技術人員為保證大規(guī)模無線傳輸體系構建的科學性與合理性，需合理應用分簇技術進行計算分析，基于分簇的數(shù)目，以選擇合理科學的分簇計算方式，對其相關資源進行合理配置，以保證大規(guī)模無線傳輸體系建構的可靠性與安全性[4]。

5結束語

綜上所述，大規(guī)模天線系統(tǒng)作為5G網(wǎng)絡建設的基礎，為了確保5G通信大規(guī)模天線系統(tǒng)的順利創(chuàng)建，有必要在其中應用無線傳輸技術，以此保證系統(tǒng)有效平穩(wěn)。此外，信道估計技術與導頻設計技術作為重要的兩種技術，在實際應用中會對5G通信網(wǎng)絡信號傳輸穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，為了讓5G網(wǎng)絡更好地為用戶服務，有必要對上述兩種技術及其應用進行重點研究。

參考文獻

[1] 王東明，張余，魏浩，等.面向5G的大規(guī)模天線無線傳輸理論與技術[J].中國科學：信息科學，2018，46（1）：3-21.

[2] 張新宇.針對5G的大規(guī)模天線無線傳輸技術分析[J].中國新通信，2018，20（14）：142.

[3] 楊綠溪，何世文，王毅，等.面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術綜述[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2019，30（3）：469-485.

[4] 周新，蔣惠江.淺析5G通信網(wǎng)絡的大規(guī)模天線技術[J].電子測試，2019（13）：91-92.