大規(guī)模天線在5G中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

◆王 輝

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司 廣東 510630）

隨著科技的發(fā)展，目前移動通信技術(shù)從語音業(yè)務(wù)，逐漸變?yōu)楝F(xiàn)在的4G高速寬帶業(yè)務(wù)，尤其隨著智能終端的推廣以及4G無線網(wǎng)絡(luò)的普及，加快了移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展。未來還會出現(xiàn)移動物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等。在這種背景下，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)得到了研發(fā)，促進(jìn)了移動互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步的發(fā)展。本文對5G移動通信技術(shù)應(yīng)用大規(guī)模天線面臨的困難，以及相關(guān)的問題進(jìn)行了分析。

1 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必要性分析

所謂的 5G，一般是指第五代移動通信系統(tǒng)，是在繼第一代移動通信技術(shù)和第二、第三代移動通信技術(shù)和目前第四代移動互聯(lián)網(wǎng)以后，發(fā)展起來的新的移動通信技術(shù)。和4G移動通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)本身具有許多的性質(zhì)和特點，它具有網(wǎng)速快、存儲能量大和移動性強等特點。大家關(guān)注比較多的地方是網(wǎng)絡(luò)的速率角度，因為，每次移動通信技術(shù)的更新?lián)Q代都伴隨著速率的進(jìn)步，對于5G而言，其所具備的峰值已經(jīng)提高到了10G，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了4G的速率水平。5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用性非常強，在大數(shù)據(jù)發(fā)展下，能耗是最小的，可以加快通訊產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)社會更好的進(jìn)步。

2 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)在大規(guī)模天線的應(yīng)用分析

Massive MIMO和傳統(tǒng)MIMO天線系統(tǒng)比較，最大的差異就是所具備的波束賦形技術(shù)。對于常規(guī)的通信方法而言，主要是通過某一個基站利用其中一個或者多個天線實現(xiàn)和手機天線之間的電磁波輸送；而波束成形技術(shù)的自身原理是：某一個基站具有許多根天線，可以實現(xiàn)對來自不同方位的信號進(jìn)行位置上的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)在手機中的疊形交叉的模式，達(dá)到增強信號強度的目的。5G大規(guī)模天線技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，與4G移動通信網(wǎng)絡(luò)相比，克服了信息頻率不足和能量消耗的弊端，還可以實現(xiàn)無線通信技術(shù)的效率性升華。大規(guī)模的天線技術(shù)對空間資源進(jìn)行了利用，提高了頻譜效率，而且顯著提升了用戶體驗速率。隨著5G技術(shù)的不斷普及，用戶速率需求明顯提高，因此不斷研究大規(guī)模天線技術(shù)，具有重要的應(yīng)用價值。MIMO技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 MIMO技術(shù)原理

3 關(guān)于大規(guī)模天線系統(tǒng)的技術(shù)分析

3.1 關(guān)于系統(tǒng)的信息獲取分析

由于天線數(shù)量在不斷增加，加之用戶數(shù)量的不斷提高，在大規(guī)模天線運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中，由于出現(xiàn)數(shù)量累積，從而使得費用不斷提高。在大規(guī)模天線系統(tǒng)獲取信息的時候，如何減少導(dǎo)頻成本，提升信息獲取精度需要進(jìn)行深入研究，主要是設(shè)計導(dǎo)頻信號，使用先進(jìn)的通道估計方法。

3.2 系統(tǒng)的信道信息傳輸

5G大規(guī)模天線無線傳輸主要方法是信道信息傳輸。在大規(guī)模天線無線傳輸過程中。隨著天線和用戶數(shù)量的不斷增加，在信息輸送方面就會出現(xiàn)一定的難度，使得信息傳送效率變低。而5G所具備的互異性是保證信息傳送通道順暢的保證，它可以實現(xiàn)多種信息的互換以及辨別，做到不同位置的接收等等，通過判斷和計算相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，從而做好信息數(shù)據(jù)的處理。

3.3 系統(tǒng)的資源配置

如果想要促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中無線資源的利用效率不斷獲得提升，還必須不斷對空間的資源以及相應(yīng)的功率資源做好進(jìn)一步的優(yōu)化，這是做好無線資源管理需要解決的問題。因此設(shè)計性能好、復(fù)雜程度低的資源分配方法，是天線系統(tǒng)最重要的作用。大規(guī)模天線無線傳輸?shù)膬?yōu)化策略，是目前主要研究的問題，也是大家比較關(guān)注的問題。通過調(diào)查和分析大規(guī)模天線系統(tǒng)后，得出的結(jié)果是：使用統(tǒng)計空分方法的應(yīng)用價值非常好。在具體的使用過程中，該方法也會受到一定的影響，主要是因為用戶的分散性。面對這種情況，它可以使用統(tǒng)計空分分簇方法，通過信號的傳送比率，而實現(xiàn)對用戶主體產(chǎn)生影響，促進(jìn)不同性能的提升。在這種發(fā)展形勢下，為了確保大規(guī)模天線無線傳輸更加合理，確保分簇方法合理，要對分簇數(shù)量做好控制，進(jìn)行合理計算，從而科學(xué)的劃分配置資源。

4 大規(guī)模天線技術(shù)使用過程中所面臨的困難

就目前而言，雖然大規(guī)模天線系統(tǒng)已經(jīng)推出了很多的應(yīng)用產(chǎn)品，在具備100MHz帶寬下能夠達(dá)到4Gb/s的峰值速率，但時在關(guān)于技術(shù)成熟以及大規(guī)模使用還有一定的距離，需要解決如下相關(guān)問題：

（1）天線數(shù)量以及陣元的不斷增加，使天線尺寸不斷放大。如果在現(xiàn)有階段的條件下大規(guī)模采用無線技術(shù)，就會造成無線技術(shù)面臨尺寸過大的難題，繼而超出了工程建設(shè)的范圍，無論是在系統(tǒng)的安裝方面還是其他的建設(shè)方面，對于基站而言，進(jìn)行建設(shè)都是不可行的。因此，大規(guī)模天線的使用，必須要采用高頻通信方法，不斷應(yīng)用毫米波技術(shù)；

（2）運用平面波傳播作為基礎(chǔ)信道的方法，根本不符合大規(guī)模天線所應(yīng)有的要求；

（3）大模塊天線系統(tǒng)怎樣迅速精確采集不同終端信號，怎樣把用戶信道信息準(zhǔn)確傳遞到每一根天線，怎樣降低采集終端信號而耗費的反饋成本呢？現(xiàn)在普遍使用的 FDD（頻分雙工）系統(tǒng)，上下行信道沒有互易性，因此怎樣研究適合 FDD 系統(tǒng)的導(dǎo)頻設(shè)計和信道估計，是目前大規(guī)模天線發(fā)展以及應(yīng)用非常重要的問題；

（4）采用大規(guī)模天線波束賦形相關(guān)算法的技術(shù)，一般而言就是運用矩陣的求逆運算。因為隨著天線數(shù)量的增加和用戶群體的不斷加大，使用這種算法會使硬件不能實時進(jìn)行波束賦形，不能隨時響應(yīng)比較高頻的業(yè)務(wù)。所以，選擇適合的調(diào)度算法，降低系統(tǒng)計算復(fù)雜程度，解決目前多用戶傳輸?shù)馁Y源分配問題，是解決大規(guī)模天線使用障礙的重要問題，需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

目前，5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前通信領(lǐng)域新的研究方向。5G通信運用大規(guī)模天線技術(shù)是社會發(fā)展的重要趨勢，是目前先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展要求。本文分析了5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的必要性，以及5G移動通信技術(shù)應(yīng)用大規(guī)模天線技術(shù)的意義，在使用過程中面臨的困難和挑戰(zhàn)。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以及研究過程的深入，大規(guī)模天線和5G技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣泛，并且取得更大的發(fā)展。