5G移動通信天線的研究與設計

◆曾偉鋒

（廣東省電信規劃設計院有限公司 廣東 510630）

無線通信與移動互聯網安全

5G移動通信天線的研究與設計

◆曾偉鋒

（廣東省電信規劃設計院有限公司 廣東 510630）

在科學技術日新月異的二十一世紀，技術更新換代速度之快已經超乎我們的想象。本文結合了國內和國外移動通信技術的發展現狀，在已經取得的成果的基礎之上，來具體介紹一下5G移動通信天線的研究與設計。

5G；移動通信技術；天線；研究設計

0 前言

第五代移動通信技術（5G）是面向2020年以后的新一代移動通信系統，根據移動通信的發展規律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效[1]。第五代移動通信系統將在第四代移動通信系統（fourth-generation，4G）的基礎之上，進一步提升無線移動通信的網絡系統、無線傳輸技術等。挖掘無限空間維度資源，提高功率效率的有效性和頻譜效率的基本途徑是運用多天線發送和多天線接收（multiple-input multiple-output，MIMO）技術[2]。

1 5G的概念和應用簡介

從IG模擬技術到4G技術的長期演變，現在移動通信系統已經被世界上超過三分之二的人口使用，并且已經成為人們日常生活中的一個重要組成部分。目前大規模推廣的技術是 4G，所以相對來說，5G技術對大眾來說還很陌生。正因如此，學術界和產業界目前還沒有給5G一個確切的定義。現在對5G的初步定義是傳輸速率達到 10Cb/s的下一代移動通信技術[2]。著名的《時代》周刊也采用了這一說法。

歐盟有關5G技術研發的METIS項目指出，5G通過無線技術來構建網絡，與傳統的以技術為中心的智能化自主網絡不同，它是以用戶的體驗為中心。

韓國的信息技術融合研究認為，無線傳輸容量大、低功率化、萬物互聯是未來的5G技術必須要達到的幾個條件，韓國也把這作為韓國5G技術發展的主攻方向。我國的863計劃中5G技術的組長尤肖虎的觀點是，5G技術會和3G、4G移動通信技術相互結合，形成新一代的移動信息網，以此來滿足大眾未來的流量需求。

總而言之，5G技術就是面向大眾業務娛樂需求的新一代的移動通信技術，能夠極大地提升通信系統性能的一項重要技術。

2 大規模天線系統研究簡介

系統設計和性能評估的基礎是對信道容量的分析。許多學者和研究者根據 MIMO多天線技術發展了一種新的理論，就是隨機矩形理論。包含Wishart記性以及特征值的統計特點，自由概率理論等方法。在理想情況之下，這些研究方法同樣對大規模天線系統的容量分具有重要作用，但是并不完全適用，還有一些更具有挑戰性的問題。

（1）隨著天線數量和用戶數量的增加，如何獲取信道信息是實現系統的難點問題。所以，對導頻資源限制下的信息理論的進一步研究是必不可少的一步。

（2）大規模MIMO為蜂窩移動通信提出了一些更具挑戰性的難題，也就是多用戶多小區的蜂窩移動通信的最大化的問題。在多小區多用戶容量的分析基礎上，對用戶分布和基站節點的分布作進一步的考慮，然后再對整個的蜂窩系統做詳細的容量評估，這對設計和運行蜂窩系統具有重要的指導和借鑒意義。

3 對天線陣列的設計與研究

天線的基本特征是在同一時刻資源的配置上，采用了大規模的列陣天線配置所形成的空間方式。大大提升了資源的復用能力和用戶的使用效率。提高了傳輸效率。

3.1 分布式天線系統

挖掘空間維度資源的一種途徑是分布式天線系統。在不同的地理位置中配備多天線的節點，在分布式天線中，通過高速回程處理單元，協作完成與多個單個移動通信終端的通信。通過節點間的協助，獲得MIMO的3種效益。但是，受限于目前的標準，MIMO的性能將會受到極大的限制。

為了應對移動數據業務量日益增大的趨勢，突破現在的蜂窩式系統的限制，學者和研究者提出了在有熱點覆蓋的范圍大量增加小區個數或者協助節點的個數的方法。也可以以大規模陣列天線替代現在已有的多天線，通過這種方式來形成大規模的無線通信環境。大規模天線的基本特征是在信號覆蓋范圍內，配置數百根以上的天線，這比4G移動通信系統的天線數量增加了一倍以上。這些天線不僅分布在小區里，而且還可以以大規模天線陣列的方式來集中放置。隨著分布式節點總天線數目的日益增加，信道間的信號也將趨于正相交，Gauss的噪聲和一些不相關的小區干擾將會逐漸消失。用戶的使用容量僅僅受限制于其它小區相同導頻序列的用戶的干擾。

3.2 對移動通信天線的進一步探究方向

目前，大量的學者和研究者已經對移動天線進行了研究，未來的研發方向是非理想信道信息。當存在導頻污染情況的時候，對迫零（zero forcing,ZF ）以及正則迫零（regular ZF，RZF）預編碼進行深入的研究是正確的解決途徑。除此之外，對時分雙工，上下行不互相交換對系統的影響還需要做進一步的深入研究。考慮非理想信息信道，當存在節點協作的時候，對系統頻譜效率的漸進線分析也是另外一個很有難度的探究方向。

4 大規模天線系統的信息獲取途徑

隨著天線個數的增加和用戶數的增加，在大規模的天線系統中。對于上行的鏈路，應用正交導頻，導頻的費用也隨著總天線數量的增加而增加。對時分雙工系統來說，少了上下行的信道交互性，是對大規模天線的主要障礙。

從大的方面說，在獲取大規模天線系統的信息的時候，降低導頻的開銷，提升信息獲取的精確度需要進一步的深入研究。包括對導頻信號的設計，運用先進的信道估計方法等。另一方面，對TDD系統來說，盡管空中的信道滿足上下行的交互性，但是上下行的整體信息是沒有互易性質的，所以，對于TDD大規模天線系統具有至關重要的一步是校準互易性。

5 天線系統的資源分配問題

為了進一步提高網絡中的無線資源的利用效率，還需要進一步優化時間空間資源和功率資源，這是無線資源管理中所要面臨的新的挑戰。所以設計出具有高性能和低復雜度的資源分配對于天線系統的實現具有至關重要的作用。

6 結語

本文就大規模天線的無線傳輸技術與理論展開了詳細論述，包括信道信息的獲取技術和對頻譜效率的分析。另外，本文提出了在研究移動通信中有關天線研究的問題的時候，還給出了這一問題的難點和研究的方向。盡管已經取得了不小的成績，但是我們還是應該清楚地認識到，對于5G技術的研究還有很多工程問題和科學問題等著我們去探索，去解決。

[1]高峰，和凱，宋智源，朱文濤，王麗芳，高鵬.5G大規模耦合陣列天線研究[J].電信科學，2015.

[2]尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，鄔賀銓.5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J].中國科學:信息科學，2014.

[3]王東明，張余，魏浩，尤肖虎，高西奇，王江舟.面向5G的大規模天線無線傳輸理論與技術[J].中國科學：信息科學，2016.

[4]董愛先，王學軍.第 5代移動通信技術及發展趨勢[J].通信技術，2014.