新技術(shù)變革中波束成型技術(shù)信息發(fā)展前景探討

趙閏添

一、5G技術(shù)簡介

（一）5G技術(shù)

第五代移動(dòng)通信(Fifth-Generation)的出現(xiàn)時(shí)必然的。目前有兩個(gè)原因，意味著這項(xiàng)技術(shù)必然出現(xiàn)在我們面前。一是：全球商用化的長期預(yù)言技術(shù)(Long Term Evolution)，以LTE為代表的第四代移動(dòng)設(shè)備(Fourth-Generation，4G)系統(tǒng)將加速新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)展現(xiàn)。二是：移動(dòng)數(shù)據(jù)需求的迅速增加使得當(dāng)今社會的移動(dòng)通信技術(shù)很難滿足未來社會的需求，隨著科技的迅速發(fā)展5G技術(shù)必將出現(xiàn)在我們面前。在全球范圍LTE技術(shù)得到了迅速普及。全球目前擁有138個(gè)國家393個(gè)運(yùn)營商體用了LTE商用業(yè)務(wù)。在國內(nèi)，中國移動(dòng)、中國電信和中國聯(lián)通三大運(yùn)營商都擁有這分時(shí)長期演進(jìn)技術(shù)(TDD)的運(yùn)營許可。分頻長期預(yù)言技術(shù)是一種更容易提升到TD-LTE系統(tǒng)的一種技術(shù)。此外，另外FDDLTE同時(shí)建立了TD-LTE增強(qiáng)移動(dòng)寬帶的網(wǎng)絡(luò)能力。LTE在全球成功展開商用化之后，業(yè)界和學(xué)術(shù)界開始考慮到5G技術(shù)的發(fā)展。

（二）5G總趨勢

5G是一種針對于新一代移動(dòng)通信設(shè)備的系統(tǒng)。根據(jù)移動(dòng)的發(fā)展趨勢來看，5G將具有更好的針對于頻率的利用和更高的能耗。相比較4G，在傳輸速率和資源利用上有一個(gè)量級上的提高。其覆蓋范圍更廣，輸送延遲更短，安全性也會有明顯的提升。同時(shí)5G系統(tǒng)會更好同各種設(shè)備相結(jié)合，以滿足將來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加千倍的需求。在應(yīng)用領(lǐng)域上5G對各種傳輸設(shè)備有更好的應(yīng)用。

（三）5G關(guān)鍵問題及技術(shù)

通信技術(shù)面臨一下問題：

1、傳輸數(shù)據(jù)量大，產(chǎn)業(yè)界人士預(yù)測，在未來10年，移動(dòng)數(shù)據(jù)量將達(dá)到現(xiàn)在數(shù)量的千倍。如此龐大的數(shù)據(jù)量，在傳輸中比存在著相互干擾等一系列的問題。

2、連接設(shè)備進(jìn)一步擴(kuò)大，隨著終端設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)將來聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的量會進(jìn)一步增加。5G網(wǎng)絡(luò)的涵蓋面積相對于4G會提升連個(gè)量級。

3、峰值速率高，面向5G網(wǎng)絡(luò)的峰值會相對于現(xiàn)在的技術(shù)提高一個(gè)量級。

4、更高的可靠性和更短的時(shí)間，業(yè)務(wù)的安全必須進(jìn)一步提升，用戶在線服務(wù)需要進(jìn)一步滿足，還應(yīng)該滿足工業(yè)系統(tǒng)等多種場景的需求。

當(dāng)前5G技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)如下：高能效無線傳輸技術(shù)，高密度無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(high density wireless network)，全雙工技術(shù)和超密度網(wǎng)絡(luò)。新型的天線在將來同樣具有巨大的發(fā)展空間。在引入有源天線陣列時(shí)，可是協(xié)作的天線數(shù)目高達(dá)上百根。此外對原來的維數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，將天線陣列有原來的2D拓展為3D。3DMINO 系統(tǒng)有大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)構(gòu)成。將3D MIMO技術(shù)統(tǒng)大規(guī)模天線陣列相結(jié)合，使多用戶波束得到自適應(yīng)賦型，使得用戶間的干擾得到減少。

（四）國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

5G技術(shù)是當(dāng)今社會移動(dòng)通信的一個(gè)熱點(diǎn)。早在2013年初歐洲開啟了第七框架計(jì)劃啟動(dòng)了面向5G的METIS項(xiàng)目。在亞洲中國和其他構(gòu)架成立了5G技術(shù)論壇和IMT-2020推進(jìn)組。在2013年與2014年一期的研發(fā)課題和二期的研發(fā)課題分別開展。按照目前國內(nèi)外的研發(fā)計(jì)劃和研發(fā)速度上來看，在2020年之后5G技術(shù)將投入商用。未來5G技術(shù)的核心發(fā)展目標(biāo)時(shí)候帶來更多用戶體驗(yàn)的過程中滿足未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求。目前5G技術(shù)正處于初級階段，今后的幾年正在處于技術(shù)、指標(biāo)和智能技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，一個(gè)由過去的發(fā)展派生出一些新的發(fā)展的新時(shí)期。誰能把握5G的核心步驟，無疑是抓住了信息發(fā)展的趨勢。

二、自適應(yīng)天線陣列模型以及5G下天線陣列的架構(gòu)

（一）天線陣列

常見的天線陣列的排列方式大致有以下幾種，

1、直線列陣如圖2.1：將各個(gè)天線的軸向按照同一直線安放。天線的主軸的位置處是的輻射能量是沒有的。同時(shí)也說明了在該方向上的信號輸入量為空。天線安放的過程中，通常是主軸之間垂直放置，在相同的方向上具有相同的方向性。

2、垂直陣列如圖2.2，陣列的主軸與單位主軸垂直，在安放時(shí)主軸垂直放置。下一級陣列不一定垂直，必須保持同一相位。相鄰天線元之間相距幫個(gè)波長。

3、端射陣列如圖2.3：將垂直陣列中的相鄰天線元饋線交叉連接改為平行連接，相鄰天線元之間的相位差180o。同一天線上的輻射在垂直方向上相互之間是相互抵消的。在原理天線的方向，來自天線元之間的輻射之間相互跌疊加，這種天線安裝一般使其主軸保持水平放置。并且使輻射處在同一個(gè)方向。

4、繞桿式陣列如圖2.4：繞桿式天線在水平面內(nèi)可以具有方向完全相同的性能，在極化方式上具有水平的特點(diǎn)。偶極天線陣列的饋電相位差是90o。

圖 2.1 直線列陣

圖 2.2 垂直陣列

圖 2.3 端射陣列

圖 2.4 繞桿式陣列

（二）自適應(yīng)天線陣列及模型

在當(dāng)今社會環(huán)境中，雷達(dá)通信等電子受到了很受到外界因素的干擾。惡劣的工作環(huán)境是當(dāng)代雷達(dá)所面臨的主要天戰(zhàn)。大多數(shù)天線的設(shè)計(jì)都是要求在干擾和噪聲的信號變化環(huán)境中提取有用的信號。為了保證接收下信號的系統(tǒng)在任何環(huán)境中都能很好的工作，自適應(yīng)天線便出現(xiàn)了。

自適應(yīng)天線是同構(gòu)對每個(gè)天線真元的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而使天線波束方向迅速只想來波的方向迅速只想來波的方向。

自適應(yīng)天線是一種可以按照任意方式進(jìn)行排列的遞增一陣元組成。通常情況下，陣元的排列是線性等間距，圓形等間距或者平面等間距。并且每一個(gè)陣元都有相同的去向。

在自適應(yīng)天線矩陣中，均勻直線陣列式最為普遍使用的。其所有的陣元結(jié)構(gòu)必須相同，并且有相同的間距，幅度，并且相位沿著陣軸線上呈現(xiàn)出底邊關(guān)系[7]。如下圖2.5給出了M元的直線陣，在x軸方向上相鄰陣元之間距離是d，陣列的每一條支路都有一個(gè)權(quán)重因子。每個(gè)權(quán)重因子都含有各自的振幅和相位。

圖5 含有M 陣元的直線陣

三、自適應(yīng)天線陣列權(quán)重計(jì)算算法

固定波束復(fù)型，是在到來的信號時(shí)不隨時(shí)間的變化而變化，其相應(yīng)的權(quán)重值保持固定不變成為固定波束復(fù)型。常見的固定波束復(fù)型算法比較多，有其中較為廣泛的有：最大信噪比（SIR）、最小均方誤差，MV方法。自適應(yīng)波束成型算法是當(dāng)?shù)絹淼男盘柕慕嵌仁枪潭ǖ那闆r下，如果到來的強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化而改變，能夠自動(dòng)的根據(jù)到來的信號的自動(dòng)重新計(jì)算優(yōu)化權(quán)重算法。接收機(jī)信號處理的算法計(jì)算權(quán)重，必須滿足當(dāng)?shù)絹淼男盘栯姶挪S時(shí)間的變化時(shí)，能自動(dòng)的更新出相應(yīng)的權(quán)重。自適應(yīng)過程必須滿足指定的優(yōu)化準(zhǔn)則，通過閱讀文獻(xiàn)，自適應(yīng)波束復(fù)型的算法有很多，常用的算法有最小均方誤差LMS、SMI、基于最小二乘的RLS算法、聯(lián)合梯度算法，波形不同算法等。

四、結(jié)論

在面向5G的運(yùn)算過程中需要更好更快的計(jì)算出天下陣列的權(quán)重項(xiàng)，能夠在接收大量信息的過程中，更少的屏蔽掉干擾信號和相應(yīng)的噪聲信號。這就需要天線陣列的排列方式存在著更好的結(jié)構(gòu)，以及天線的權(quán)重計(jì)算能夠更好更快的計(jì)算出相應(yīng)的權(quán)重項(xiàng)。

未來使用 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以將網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速度提升至十倍以上，目前研究的成果顯示，利用一些特殊材料支撐的天線矩陣可以形成網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)恼w，這樣就能夠吧當(dāng)前分散著的傳輸路線進(jìn)行集中從而構(gòu)建起具有高效傳輸效果的信息高速公路，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)信息傳輸效率，為移動(dòng)用戶提供更加高效的信息傳輸服務(wù)。

在今后的發(fā)展中，通過多方合作形成優(yōu)勢互補(bǔ)機(jī)制來實(shí)現(xiàn) 5G 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的和諧性與實(shí)用性，提升 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的效果，為我國運(yùn)營商搶占通信服務(wù)市場提供技術(shù)保障，進(jìn)而為我國用戶提供更加高效、安全的移動(dòng)信息服務(wù)。