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    5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術分析

    2023-12-10 19:38:47易斌
    中國新通信 2023年19期
    關鍵詞:導頻傳輸技術信道

    摘要:在5G移動通信網(wǎng)絡中,大規(guī)模天線無線傳輸技術具有高吞吐量、抗干擾性強、可靠性高等優(yōu)點,對于5G標準的制定和構(gòu)建起到了重要的推動作用。本文針對大規(guī)模天線無線傳輸技術在5G通信中的具體運用展開探討,介紹了大規(guī)模天線無線傳輸概念及原理,并深入研究了5G通信場景下的大規(guī)模天線無線傳輸關鍵技術,包括導頻技術、信道估計、預編碼和功率控制。同時,針對導頻污染問題,提出了針對性的解決方法,旨在為大規(guī)模天線無線傳輸技術的發(fā)展提供參考。

    關鍵詞:5G通信;大規(guī)模天線;無線傳輸;傳輸技術

    一、引言

    隨著科技的進步,移動通信技術迅速發(fā)展,5G技術已經(jīng)開始商用,推動了通信行業(yè)的技術革命。雖然國內(nèi)5G通信的網(wǎng)絡部署已經(jīng)取得了很大進展,但總體而言,5G通信技術還沒有實現(xiàn)真正的普及,其發(fā)展還處于起步階段[1]。大規(guī)模天線無線傳輸技術是5G通信技術的關鍵組成部分,加強其研究可以為5G網(wǎng)絡中的通信技術發(fā)展提供更多的可能性,有效提升5G通信效率,對于推動我國移動通信領域的發(fā)展來具有重要意義。

    二、大規(guī)模天線無線傳輸

    頻譜效率是5G網(wǎng)絡通信中關鍵環(huán)節(jié),同時也是評估5G網(wǎng)絡中信息傳輸穩(wěn)定性的關鍵指標[2]。5G通信系統(tǒng)中的頻譜效率較低會導致頻率波動,從而對信號接收造成干擾,影響5G網(wǎng)絡通信的穩(wěn)定性。因此,提高5G的頻譜效率至關重要。大規(guī)模天線無線傳輸技術是目前國際上公認的、解決該問題的最為有效的手段[3]。

    Massive MIMO即大規(guī)模多入多出天線無線傳輸技術(MIMO),是指在基站中安裝數(shù)百個天線,通過多輸入多輸出系統(tǒng)來增加信號傳輸速度,從而獲得顯著增益[4]。大規(guī)模MIMO的關鍵在于增加MIMO基站數(shù)量,其基本原理見圖1。大規(guī)模MIMO具有良好的擴展性,可以顯著擴大通信網(wǎng)絡容量,其擴大的網(wǎng)絡容量與經(jīng)典香農(nóng)理論存在一定差異[5]

    ①大規(guī)模MIMO模式下,節(jié)點只需明確下行鏈路的信道狀態(tài)。

    ②基站天線數(shù)量通常是終端用戶數(shù)量的幾倍甚至幾十倍。

    ③上行鏈路中通過線性接收及預編碼技術。隨著基站天線數(shù)目的增加,線性接收及預編碼技術的效能可趨近于香農(nóng)極限。

    與常規(guī)天線無線傳輸技術相比,大規(guī)模MIMO在物理性質(zhì)、系統(tǒng)性能上都有著無可替代的優(yōu)越性。首先,在大規(guī)模設置天線的情況下,多個用戶間的傳輸將會出現(xiàn)遞增的正交化特征,使得多個用戶間的相互影響得到最小化或完全抑制,進而極大地提升了多個用戶間的通信能力[6]。其次,通過增加天線數(shù)目,降低了數(shù)百個不同的信道之間的相互影響,使得信道之間相互獨立,同時衰減的可能性較小。信道獨立可以平均信道塊衰落及熱噪聲,加之信道具有較佳的傳輸條件,使得其抗深度衰減的效率更高,從而減少信號傳輸延遲。然而,在現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡中,為了抵消信道的深度衰減[7],需要利用多路信號進行編碼和交織,使得多路信號混疊在多個時間周期中。信號接收者需獲取全部數(shù)據(jù)才能接收信息,導致較大的通信延遲。再次,大規(guī)模天線陣列可以通過將波束能量集中在更小的范圍內(nèi),提高系統(tǒng)的空間分辨率,并抑制多個不同類型的系統(tǒng)之間的相互影響。此外,增加天線陣列數(shù)目,通過波束賦形獲得的信號疊置增益,可以降低單條陣列發(fā)射的功耗和射頻前端功耗,減少通信系統(tǒng)的硬件開銷。最后,在大規(guī)模MMO天線無線傳輸系統(tǒng)中,可以通過最大比率發(fā)射和接收等簡單的線性化方法獲得接近最佳的系統(tǒng)效能,從而進一步減少系統(tǒng)架構(gòu)和實施的復雜性。

    三、5G通信大規(guī)模天線無線傳輸關鍵技術

    (一)導頻技術

    在多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,隨著天線數(shù)目的增加,鄰近小區(qū)導頻相同的終端帶來的信號干擾影響最大,被稱為導頻污染[8],而導頻污染的根源是使用相同導頻。在大規(guī)模MIMO模式下,理論上所有終端都需要配置正交導頻序列。然而,在實際應用中,由于信道經(jīng)常發(fā)生變化且相干時間較短,無法提供足夠正交導頻序列用于分配。因此,在5G通信的大規(guī)模天線無線傳輸模式下,在不影響現(xiàn)有導頻順序的前提下,需要根據(jù)適當?shù)呐渲梅桨竷?yōu)化導頻配置,以降低使用相同導頻的概率[9]。目前,導頻偏移、導頻功率控制、部分導頻多路復用和導頻協(xié)調(diào)配置是當前導頻技術研究的熱點。

    ①導頻偏移:通過重新配置框架中引導信號的放置位置,使得鄰近單元之間的引導信號可以在不同的時間間隔內(nèi)傳輸,以降低引導信號的混雜。

    ②導頻功率管理:導頻發(fā)射時間間隔分為兩部分,同時錯開交叉增益較大的小區(qū)間的導頻發(fā)射時間間隔,或者減少非目標小區(qū)中的用戶導頻發(fā)射功率[10]。

    ③局部導頻復用:第一種方法是通過正交多路傳輸,把一個小區(qū)分成兩個大型一維天線陣列,同一個天線陣列采用相同導頻,不同天線陣列之間采用正交導頻。第二種方法是將小區(qū)網(wǎng)絡分為中心區(qū)和外圍區(qū),中心區(qū)的無線網(wǎng)絡采用相同導頻,而外圍的無線網(wǎng)絡則采用正交導頻。

    ④導頻協(xié)調(diào)分配:記錄導頻序列,在需要重新使用該導頻序列時,選擇導頻污染影響(MSE)最小的用戶。上述導頻分配方案優(yōu)缺點分析如表1所示。

    (二)信道估計

    針對大型多天線MIMO通信系統(tǒng),常規(guī)的MIMO信道估計方法的準確率往往依賴于發(fā)射端的導頻信息,但由于導頻污染的存在,導致MIMO通信中的目標信道和干擾信道難以區(qū)分[11]。基于子空間的信道估計方法可以有效減少導頻信號的使用,從而降低導頻污染和信道估計誤差。目前常用的信道估計方法包括盲估計和半盲估計兩種。盲估計的基本原理是對接收信號空間進行合理劃分,實現(xiàn)前提是假設基站天線數(shù)和接收信號數(shù)趨于無窮,且小區(qū)信號接收天線矩陣與其他小區(qū)用戶到基站的信道矩陣無關,但與本小區(qū)內(nèi)終端用戶到基站的信道矩陣線性相關。如果小區(qū)內(nèi)實現(xiàn)正交導頻,就可以避免導頻信號的干擾。然而,現(xiàn)實中基站數(shù)量和接收機數(shù)量是有限的,導致盲估計算法僅適用于理想狀態(tài)下的信道估計。

    半盲估計方法的原理是基站通過多個信號估計信道的特征向量,并根據(jù)少量導頻信號進行信號估計。該方法假設基站和不同終端用戶間的信道是正交的,因此終端用戶只需發(fā)出導頻符號就可以避免導頻污染。

    (三)預編碼

    預編碼方法是根據(jù)基站端估計得到的信道狀態(tài)信息確定下行鏈路預編碼矩陣,同時在下行信號傳輸中使用該預編碼矩陣,從而消除導頻污染。該方法可以進一步分為線性預編碼和非線性預編碼兩種。盡管非線性預編碼效果更好,但算法難度較大,因此,在大規(guī)模MIMO實踐中,常使用線性預編碼方法。常用線性預編碼方法包括迫零預編碼(ZF)和最小均方誤差預編碼(MMSE)。其中,ZF方法需要進行迭代求最優(yōu)解,計算資源開銷較大,而MMSE方法考慮了系統(tǒng)噪聲的影響,具有較好的魯棒性[12]。

    (四)功率控制

    在實踐應用中,蜂窩網(wǎng)絡的功率通常是有限的,因此需要進行適當?shù)墓β史峙湟垣@得最理想的系統(tǒng)效能。傳統(tǒng)的大規(guī)模MIMO研究通常假設功率平均分配,但在實踐應用中,合理分配功率是必要和可行的。上行鏈路可以理解為用戶分配發(fā)送功率,此時小區(qū)i基站收到的信號向量表示為:

    四、結(jié)束語

    綜上所述,5G大規(guī)模天線無線傳輸技術的應用價值日益凸顯。然而,該項技術的實際應用成本較高,還需要進一步完善相關技術以解決瓶頸問題。因此,本文針對MIMO系統(tǒng)中關鍵技術,包括導頻技術、信道估計、信號檢測、預編碼技術和功率控制技術等進行了探討,旨在提高5G大規(guī)模天線無線傳輸技術的可行性,并逐漸實現(xiàn)更大范圍的商用。

    作者單位:易斌 廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司福州分公司

    參? 考? 文? 獻

    [1]張少東.5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術分析[J].中國新通信,2021,23(2):15-16.

    [2]周民,胡廣強.探究5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術[J].信息記錄材料,2021,22(3):122-123.

    [3]李明琿.針對5G的大規(guī)模天線無線傳輸技術分析[J].中國新通信,2020,22(20):61-62.

    [4]李丹.探究5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術[J].科學技術創(chuàng)新,2020(2):71-72.

    [5]沈亮亮.探究5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術[J].西部廣播電視,2020,41(18):229-230,237.

    [6]呂廷亮.基于5G通信的大規(guī)模天線無線傳輸技術探討[J].科學與信息化,2020(22):54-55.

    [7]劉麗生,劉明.5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術研究[J].通訊世界,2019,26(8):141-142.

    [8]王培吉.5G通信移動傳輸中的大規(guī)模天線技術分析[J].集成電路應用,2022,39(6):152-153.

    [9]紀凱.基于5G通信的大規(guī)模天線無線傳輸技術探討[J].數(shù)字通信世界,2019(11):58.

    [10]劉孝偉,靳元軍,符長高.面向5G的大規(guī)模天線無線傳輸理論與技術研究[J].通信電源技術,2022,39(12):134-135,147.

    [11]王廣振.基于5G通信的大規(guī)模無線傳輸技術探討[J].百科論壇電子雜志,2020(7):98-99.

    [12]郭琪.基于5G通信的大規(guī)模無線傳輸技術探討[J].信息記錄材料,2021,22(2):49-50.

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