5G大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)的分析

孫健

【摘要】? ? 依托5G商用情況以及5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在本文當(dāng)中則采取文獻(xiàn)法、綜合分析法等方法，對大規(guī)模天線技術(shù)進(jìn)行探討分析，探索了大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)的基本原理、理論基礎(chǔ)、需要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，以求為5G無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的部署提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? 大規(guī)模天線? ? 無線傳輸技術(shù)

引言：

移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增加，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)即4G已經(jīng)難以滿足移動(dòng)通信業(yè)務(wù)增長的需求，5G作為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)它的根本目的是滿足日益增長的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，由于與傳統(tǒng)移動(dòng)業(yè)務(wù)不同，5G必須要在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等方面進(jìn)行變革，從根本上解決移動(dòng)通信頻譜和功率有效性問題，大規(guī)模天線技術(shù)是挖掘無線傳輸技術(shù)空間維度資源、提高頻譜效率和功率效率的基本技術(shù)路徑，近幾十年來大規(guī)模天線技術(shù)一直是移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

一、大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)概述

從當(dāng)前5G相關(guān)技術(shù)的研究成果來看，5G網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)是一個(gè)多頻段、多網(wǎng)絡(luò)、多制式混合通信網(wǎng)絡(luò)，對性能提出了非常高的要求，既有兩個(gè)數(shù)量級以上的速率提升要求，也有能量效率、頻譜效率、功率效率、可靠性、性價(jià)比等提升要求，為了滿足5G通信網(wǎng)絡(luò)的要求，很多研究成果中提出了異構(gòu)網(wǎng)、多網(wǎng)互聯(lián)、綠色基站等新的概念。

大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)，作為移動(dòng)通信領(lǐng)域非常關(guān)鍵的技術(shù)，一直被研究，出現(xiàn)了很多的技術(shù)成果，在5G當(dāng)中大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)是非常關(guān)鍵的技術(shù)之一，是利用額外的天線將能量集中于更小的空間區(qū)域，實(shí)現(xiàn)吞吐量、敷設(shè)能量效率的大幅提升，并獲得更低的延時(shí)和更好的魯棒性。在4G中大規(guī)模天線技術(shù)就有應(yīng)用，但從技術(shù)水平上來說，4G所用大規(guī)模天線并不能滿足5G的要求，對于5G而言，大規(guī)模天線的實(shí)際應(yīng)用還需要解決很多技術(shù)難題，如信道測量與建模、陣列設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)、碼本及反饋機(jī)制、天線規(guī)模尺寸等。

二、大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)探索

2.1大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)基本理論

按照相關(guān)研究成果來看，大規(guī)模天線技術(shù)的理論基礎(chǔ)在于兩點(diǎn)。其一，基站測天線數(shù)量大于用戶側(cè)天線數(shù)量時(shí)，基站到用戶的信道趨近正交。其二，用戶間干擾趨近消失，巨大天線陣列增益可提升用戶信噪比，在相同時(shí)頻資源下共同調(diào)度更多用戶。

大規(guī)模天線技術(shù)依賴基站所有天線的相位相干和計(jì)算簡化信息處理，由于目前5G的技術(shù)路線是從4G演進(jìn)，因而對比4G的大規(guī)模天線技術(shù)具有代表性。在5G的大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)中，信道容量相比4G提升至少10倍，能量效率提升100倍。容量提升主要受高效空分復(fù)用影響。大量天線組成陣列，輻射能量基于波的相干疊加性，實(shí)現(xiàn)集中輻射小空間，實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)。天線陣列對信號(hào)進(jìn)行“賦性”操作，基站端保證所有波前端疊加并共同輻射至期望UE，而不是廣域輻射。

大規(guī)模天線直白講就是大量增加天線數(shù)目，一個(gè)天線陣列可能包含數(shù)千根天線，是當(dāng)前大規(guī)模天線的數(shù)倍，而UE側(cè)天線數(shù)量顯著低于基站側(cè)天線。對此基站用同一個(gè)視頻資源服務(wù)若干UE，實(shí)現(xiàn)空間自由，從增強(qiáng)信號(hào)，提高頻譜利用率、傳輸穩(wěn)定性與可靠性。

5G大規(guī)模天線基于波束成型技術(shù)，基站側(cè)可調(diào)節(jié)各天線發(fā)射信號(hào)相位，在UE側(cè)形成電磁波疊加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)，同時(shí)對波束進(jìn)行專門的調(diào)制，以空間信號(hào)隔離來實(shí)現(xiàn)同頻譜資源上同步傳輸幾十條信號(hào)。

2.2大規(guī)模天線傳輸技術(shù)之信道問題

大規(guī)模天線信道容量等同于多個(gè)正交并行子信道，可參考相應(yīng)的計(jì)算模型進(jìn)行空間信道分析處理。當(dāng)然基于當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用形式，主要利用控制單元發(fā)送或接收信號(hào)的幅度與相位來產(chǎn)生窄波束，若均勻間距的扁平天線陣列使用20GHz頻段，陣元間距設(shè)置波長的一半（即7.5mm），則需要在一個(gè)12cm2區(qū)域當(dāng)中安裝256根天線。在10GHz頻段，100根天線可實(shí)現(xiàn)490m的傳輸距離，但要在20GHz頻段達(dá)到這一傳輸距離則需要400個(gè)天線單元。具體而言，目前大規(guī)模天線傳輸技術(shù)最主要的瓶頸在于成本，因?yàn)橐_(dá)到波束形成增益效果，必須增加天線數(shù)量。在沿用LTE系統(tǒng)的MAC+PHY結(jié)構(gòu)下，大規(guī)模天線傳輸技術(shù)中，由于天線陣列大幅增加，需要擴(kuò)展二維/曲面或三維陣列，即形成球形天線，或是一個(gè)面板型天線陣列，或者是中移動(dòng)提出的“和”這種異形天線。由于天線數(shù)量增加，天線外形尺寸必然增大，平面波方式的信道建模會(huì)出現(xiàn)近場偏差增大問題。從大部分廠家生產(chǎn)的樣機(jī)實(shí)測中發(fā)現(xiàn)，考慮公共信號(hào)覆蓋，在典型場景中，8天線、大規(guī)模天線對2天線覆蓋增益效果并不明顯，波束形成甚至帶來公共信道覆蓋穩(wěn)定性差的問題。二以后業(yè)務(wù)信道吞吐可能以覆蓋為標(biāo)準(zhǔn)。

在上行正交導(dǎo)頻中，導(dǎo)頻開銷隨參與空間復(fù)用傳輸?shù)腢E天線個(gè)數(shù)線性增加，而下行導(dǎo)頻開銷則隨基站側(cè)天線數(shù)量線性增加。發(fā)送端已知下行鏈路信道信息是實(shí)現(xiàn)下行多用戶編碼，多天線空間復(fù)用的關(guān)鍵點(diǎn)，而在基站側(cè)天線數(shù)量遠(yuǎn)大于UE側(cè)時(shí)，下行信道信息獲取成為大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)的瓶頸，如果TDD系統(tǒng)可利用空中信道上下行互易性來實(shí)現(xiàn)預(yù)編碼，減少下行導(dǎo)頻開銷。FDD系統(tǒng)則缺乏互易性，是5G大規(guī)模天線需要解決的主要障礙之一。

對于導(dǎo)頻，4G標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)使用了TDM、FDM、CDM等導(dǎo)頻，這些導(dǎo)頻的干擾小，但開銷大。由于5G需要多小區(qū)間超密集基站組網(wǎng)，則用戶及天線數(shù)增加，開銷更大，因此一些研究中提出非正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)來解決開銷大的問題。

信道估計(jì)方面，大規(guī)模天線稀疏特性便于使用先進(jìn)信號(hào)處理算法來提升信道估計(jì)的性能、精度。參數(shù)化模型是較為理想的稀疏信道建模。在參數(shù)化模型中，子空間方式是比較常用的一種，相關(guān)研究以及實(shí)踐中利用到達(dá)角估計(jì)提升精度，此為典型子空間方式。而壓縮感知方式則是另外一種方法，可保證以較小導(dǎo)頻開銷，獲得好的信道估計(jì)性能，基于Bayes匹配追蹤法是典型的代表。

2.3大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)之傳輸問題

多用戶接入信道和多用戶廣播信道信息理論是大規(guī)模天線傳輸設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。理論上，最多用戶檢測可實(shí)現(xiàn)多用戶接入信道的可達(dá)容量。無紙編碼則可實(shí)現(xiàn)多用戶廣播信道可達(dá)容量。但是在大規(guī)模天線無線傳輸系統(tǒng)中卻很難達(dá)到最優(yōu)傳輸效果。理論上，研究指出當(dāng)天線數(shù)據(jù)趨于無限，下行使用MRT，上行接收使用最大比合并，可獲得逼近容量的性能。但是實(shí)際實(shí)現(xiàn)能力有限，天線規(guī)模暫時(shí)無法無窮大，采用RZF或MMSE，需要復(fù)雜的求逆運(yùn)算，用戶數(shù)多復(fù)雜度將非常高。

目前理論上的解決方案包括利用本地復(fù)雜度的矩陣求逆或是利用信道稀疏特性或統(tǒng)計(jì)特性降低復(fù)雜度。實(shí)際上由于上下行鏈路具備對偶性，多數(shù)情況下上下行傳輸可相互借鑒，或聯(lián)合設(shè)計(jì)，如矩陣求逆，多項(xiàng)式展開預(yù)編碼和多項(xiàng)式展開迭代接收可實(shí)現(xiàn)簡化。

假設(shè)發(fā)送端已知信道信息，此情況下，信息傳輸?shù)谋举|(zhì)是發(fā)送端多用戶信號(hào)設(shè)計(jì)，最優(yōu)多用戶接入信道或廣播信道信息理論方法拓展至大規(guī)模天線無線傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行不同準(zhǔn)則下的最優(yōu)傳輸設(shè)計(jì)，是目前需要解決的關(guān)鍵。信道信息獲取和空分復(fù)用復(fù)雜程度高等問題的限制下，目前可對服務(wù)用戶分組，每組具有相似發(fā)送舉證，第一級預(yù)編碼準(zhǔn)靜態(tài)地服務(wù)每組用戶。針對空間維度等效信道，使用簡化信道反饋與二級預(yù)編碼。

由于傳統(tǒng)天線系統(tǒng)是UE檢測基站發(fā)出的導(dǎo)頻，并預(yù)估信道從而反饋給基站用以定位UE。在大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)當(dāng)中不適合采用這種方式，根本原因是天線數(shù)量增多，UE需要向基站反饋信息就需要占據(jù)大量鏈路資源，顯然得不償失。如此就需要在不同小區(qū)進(jìn)行空間復(fù)用，而復(fù)用必定產(chǎn)生干擾，理論上導(dǎo)頻干擾是大規(guī)模天線無線傳輸?shù)恼系K之一，由于波束形成算法問題，矩陣求逆并不是特別適合大規(guī)模天線，按照現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件來說，不可能利用矩陣求逆算法來完成對波束形成的相關(guān)計(jì)算。因此可參考準(zhǔn)靜態(tài)交疊分簇方法，該方法是將系統(tǒng)所有接入點(diǎn)分為互不相交的簇，分簇方法不同可得到多個(gè)分簇圖案，不同圖案存在交疊，如此每一簇中的用戶或接入點(diǎn)均使用相同時(shí)頻資源，而不同的分簇則在時(shí)頻資源上正交，配合功率分配，可提升小區(qū)吞吐量與邊界用戶的吞吐量。

2.4大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)之應(yīng)用

目前大規(guī)模天線可集中部署也可分布部署兩種模式。集中部署中，5G無線網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模天線傳輸技術(shù)主要應(yīng)用與城區(qū)覆蓋、郊區(qū)覆蓋、無線回傳、局部熱點(diǎn)等幾種場景，其中城區(qū)覆蓋主要分宏覆蓋和微覆蓋兩種，前者以廣域覆蓋形式，囊括城區(qū)，而后者則主要是小區(qū)覆蓋，如高層建筑。無線回傳主要解決基站間的數(shù)據(jù)傳輸，特別是宏基站和微基站之間的傳輸。

分布部署考慮天線尺寸實(shí)際暗轉(zhuǎn)等方面的問題，考慮天線之間的協(xié)作和信令傳輸，分布部署將大規(guī)模天線氛圍若干模塊，每個(gè)模塊以天線陣列為單元，分別部署，但集中進(jìn)行處理，分布式部署具備集中部署的優(yōu)勢，也能夠簡化部署、降低天線部署成本。當(dāng)分布部署與超密集虛擬化組網(wǎng)結(jié)合，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大性能增益。

目前相關(guān)廠家的實(shí)際測試已經(jīng)證明了大規(guī)模天線傳輸技術(shù)在5G組網(wǎng)當(dāng)中所具備的優(yōu)勢，但是要實(shí)際應(yīng)用還需要解決很多技術(shù)難題，并且要降低成本，以獲得最優(yōu)性價(jià)比，如此才是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用的關(guān)鍵。

三、結(jié)束語

綜上所述，5G大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)目前已經(jīng)具備一定的實(shí)用價(jià)值，但是成本比較高，而且尚存在一些技術(shù)難點(diǎn)需要解決，因此還需要對大規(guī)模天線相關(guān)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究分析，現(xiàn)有測試以及實(shí)際應(yīng)用僅揭示大規(guī)模天線無線傳輸技術(shù)的可行性與優(yōu)勢，真正要實(shí)現(xiàn)商用，依然任重道遠(yuǎn)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]高峰，和凱，宋智源等.5G大規(guī)模緊耦合陣列天線研究[J].電信科學(xué)，2015，31（5）：30-35.

[2]顧源源.基于5G大規(guī)模陣列天線的傳輸協(xié)議之空口協(xié)議[J].通訊世界，2017，（10）：40-41.

[3]張亦蘇，劉志堅(jiān).5G無線通信技術(shù)概念及相關(guān)應(yīng)用[J].通訊世界，2016（10）：93.

[4]鄭少丹.論5G無線通信技術(shù)發(fā)展跟蹤相關(guān)應(yīng)用[J].建材與裝飾，2016（30）：124-125.

[5]楊凡.基于5G無線技術(shù)在群智感知中的應(yīng)用研究[J].電腦與信息技術(shù)，2016（5）：29-32.

[6]高峰，和凱，朱文濤等.5G技術(shù)演進(jìn)及Massive MIMO天線性能評估平臺(tái)研究[J].電信技術(shù)，2017，（11）：114-116.