探究5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)

周 民 ，胡廣強(qiáng)

（1中國鐵塔股份有限公司漢中市分公司 陜西 漢中 723000）

（2四川通信科研規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 四川 成都 610094）

1 引言

科技的進(jìn)步推動了通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量呈現(xiàn)出爆炸式的增長趨勢。與4G通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)在信號傳輸速度和傳輸質(zhì)量方面具有絕對的優(yōu)勢，因而受到了社會各界廣泛的重視。為了促進(jìn)5G通信技術(shù)的發(fā)展，提高其應(yīng)用水平，需要通過對原先4G通信技術(shù)的優(yōu)化升級，提升通信網(wǎng)絡(luò)的安全性、效率和質(zhì)量。此外，為了提高5G通信技術(shù)的應(yīng)用價值，還需要不斷優(yōu)化頻譜效率，降低系統(tǒng)能耗。因此，通過大規(guī)模天線無線傳輸?shù)难芯浚瑏硖嵘ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的吞吐率和可靠性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 大規(guī)模天線概述

大規(guī)模MIMO天線的理論基礎(chǔ)主要為以下兩方面。

（1）當(dāng)用戶側(cè)天線數(shù)少于基站側(cè)天線數(shù)時，基站通過正交信道與用戶建立連接。

（2）可以排除各用戶之間的干擾，通過大陣列增益能夠提升用戶的信噪比，從而可以在同一時域和頻域下實(shí)現(xiàn)更多用戶的調(diào)度。

具體來說，基站側(cè)天線的相位相干和信號的計(jì)算簡化處理是大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)。相較于4G MIMO，5G 大規(guī)模MIMO通過應(yīng)用大規(guī)模MIMO空分復(fù)用技術(shù)能夠?qū)⑿诺廊萘繑U(kuò)展10倍以上，同時還能實(shí)現(xiàn)輻射能量約100倍的提高。由于系統(tǒng)中應(yīng)用了較多的陣列天線，在波的相干疊加作用下輻射能量會聚集在較小的區(qū)域內(nèi)，從而顯著的提高輻射能量的效率。通過對信號的賦形，波經(jīng)過前端疊加后能夠輻射到指定終端，不會出現(xiàn)波隨意輻射的問題[1]。

如圖1所示，大規(guī)模MIMO具有較好的賦形能力和定向能力，能夠有效增加系統(tǒng)容量，并且還能夠強(qiáng)化小區(qū)覆蓋能力，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖1 5G大規(guī)模MIMO賦形示意

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基站中配置的天線較多，甚至達(dá)到幾千根，是傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)天線數(shù)量的10～100倍，基站天線數(shù)量比基站服務(wù)用戶設(shè)備數(shù)量要多得多?；灸軌蛲ㄟ^一個時頻資源為多個UE提供服務(wù)，從而顯著提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的空間自由度，提升了基站對多路信號的接收和傳輸能力，還顯著優(yōu)化了頻譜資源的利用率，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行浴４笠?guī)模MIMO在空間中具有多個通道，通過空間信號的合理利用，可以在同一時頻資源條件下完成多路數(shù)據(jù)的傳輸，從而大大地提高了小區(qū)吞吐率。大規(guī)模MIMO天線信道容量類似于多個正交并行子信道相疊加的效果。

3 5G通信背景下的大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)分析

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，無線傳輸系統(tǒng)中用戶數(shù)量與天線數(shù)量不斷增多，進(jìn)而導(dǎo)致不同類型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量明顯增多，這種情況給大規(guī)模無線傳輸提出了更高的要求。

3.1 導(dǎo)頻技術(shù)

信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性直接影響到無線通信的應(yīng)用效果，而信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性又與信號的參數(shù)設(shè)計(jì)高度相關(guān)，通過導(dǎo)頻技術(shù)的應(yīng)用來優(yōu)化信號的參數(shù)設(shè)計(jì)能夠顯著提高大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)應(yīng)用水平?，F(xiàn)階段，4G移動通訊網(wǎng)絡(luò)中的參考信號主要包括獲取信號和調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)。其中，獲取信號通常用來進(jìn)行信號質(zhì)量的測試以及采集信道信號，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)一般用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，以預(yù)編碼的形式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻。

相較于傳統(tǒng)的3G通信技術(shù)和4G通信技術(shù)，5G通信技術(shù)環(huán)境更加復(fù)雜，因此導(dǎo)頻技術(shù)的應(yīng)用也需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的情況進(jìn)行不斷的優(yōu)化升級。目前，導(dǎo)頻技術(shù)已經(jīng)從最初的單一技術(shù)衍生出現(xiàn)在的正交導(dǎo)頻技術(shù)與非正交導(dǎo)頻技術(shù)，其中正交導(dǎo)頻技術(shù)又包括時分正交導(dǎo)頻技術(shù)、正分正交導(dǎo)頻技術(shù)以及碼分正交導(dǎo)頻技術(shù)等。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，正交導(dǎo)頻技術(shù)能夠有效降低外部環(huán)境的干擾，從而提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，不同的正交導(dǎo)頻技術(shù)可根據(jù)實(shí)際場景的不同進(jìn)行選取。需要強(qiáng)調(diào)的是，正交導(dǎo)頻技術(shù)的應(yīng)用需要投入大量的資金用于系統(tǒng)的建設(shè)。大規(guī)模天線無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)對5G移動通信網(wǎng)路的建設(shè)和發(fā)展至關(guān)重要，導(dǎo)頻技術(shù)在提高無線通信質(zhì)量和效率方面具有無可比擬的優(yōu)勢，因此探究導(dǎo)頻技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用方案來降低其應(yīng)用成本具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。相較于正交導(dǎo)頻技術(shù)，非正交導(dǎo)頻技術(shù)為5G大規(guī)模天線無線傳輸提供了更高的可行性，作為一種新興導(dǎo)頻技術(shù)，非正交導(dǎo)頻技術(shù)的應(yīng)用無需投入較多的資金用于專門的系統(tǒng)建設(shè)，因而更加適合5G大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣[2-3]。

3.2 信道估計(jì)技術(shù)

在5G通信技術(shù)中，信道估計(jì)技術(shù)能夠有效提高信號處理的精確度。5G大規(guī)模天線無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)能夠顯著提高信號處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，但隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的不斷增多，通信網(wǎng)絡(luò)已逐漸滿足不了數(shù)據(jù)處理的要求，信道估計(jì)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理，還能保證數(shù)據(jù)處理的精確度。此外，5G通信網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中，導(dǎo)頻污染會在一定程度上影響信號數(shù)據(jù)計(jì)算的精確度，如果計(jì)算誤差過大就會造成數(shù)據(jù)傳輸處理失穩(wěn)。通過信道估計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效降低導(dǎo)頻污染的影響，從而保證了信號數(shù)據(jù)計(jì)算的精確度。信道估計(jì)技術(shù)能夠有效提高通信網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)頻分配水平，通過對通信網(wǎng)絡(luò)傳輸時延的估計(jì)來提取多徑分量，進(jìn)而達(dá)到提高延遲功率分布效率的效果。

4 結(jié)語

綜上所述，5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對于5G通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)至關(guān)重要，必須通過不斷的理論研究與技術(shù)創(chuàng)新來打破各種限制5G通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平的外界因素。尤其是導(dǎo)頻技術(shù)與信道估計(jì)技術(shù)，能夠顯著的提高5G通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和信號傳輸?shù)男剩绾芜M(jìn)一步優(yōu)化各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用方案，成為未來提高5G通信技術(shù)發(fā)展水平的重要課題。