5G通信大規模天線無線傳輸技術分析

文 / 李率信，上海東洲羅頓通信股份有限公司

1 大規模天線無線傳輸技術概述

天線無線傳輸是九十年代后新興的高速發展的技術。2010年，由貝爾實驗室的科學家 提出了一種新型的技術，在通信基站中配置十根或者數百根線，并集中進行排列，以高效利用系統的頻譜，好滿足不斷大量增加的網絡需要。如下圖所示

表1 小區平均頻譜效率

大型天線系統比4G網絡的天線數量至少增加了1個量級以上，小區的周圍散布著數量眾多的天線，天線數量的不斷增加，多用戶信道是相互交叉的，其他小區之間的Gauss噪聲逐漸被信號干擾，為了解決4G系統基站帶來的各種各樣的問題，可以明顯提高用戶的傳輸功率。同時，單個用戶的容量不會受到其他小區中的其他用戶的干擾和影響[1]。小區內天線的分布與陣列的分布大致相同，在這種情況下，需要增加基站側配置的天線數量，隨著移動通信使用的天線電波頻率持續增加，傳統的MIMO技術已經不能滿足于實際的情況，需要進行二次處理。隨著移動通信中使用的射頻頻率的增加，路徑損耗也持續增大。如果固定天線的具體尺寸，則無線電波長也隨之固定。在同一空間中，需要設置更多的天線來補償高頻路徑造成的損耗。當頻率超過10GHz時，衍射不再是主要的傳播方式，反射和散射成為主要的傳播方式。利用大規模MIMO技術，可以生成可調節的波束，這種波束很窄，可以改善信號的干擾問題。

一般地情況下，掌握核心的技術才能占領整個5G的市場，因為只有使用先進的技術才可以明顯提高天線的利用效率。在此基礎上，隨著經濟的快速發展，現有的4G網絡已經越來越難以滿足人們的日常的實際需求，在這種情況下，天線陣列（LSAS）技術應運而生。LSAS技術可以更好地抑制信號的干擾性，可以進行點到點，點到面，甚至是面到面的傳輸，而且可以明顯地提高傳輸速度。

2 天線系統的傳輸技術分析

隨著時代的快速發展，大家對網絡數據的要求也越來越高。在這種情況下，產生了不同的存儲方式，不同的用戶對數據的傳輸速度提出了更高標準的要求，這就必須進行數據的實時更新，不斷地優化網絡技術，才能持續應用于不斷發展的社會，創造更多的經濟價值，帶來可觀的收益。其中，密集網絡技術的綜合應用可以從整體上提高5G技術的性能，但是在實際的應用過程中，該技術將受到更大的干擾。因此，為了更好地應用密集網絡技術，有必要提高信號的抗干擾能力，尤其是提高邊緣用戶的網絡性能，在這一點上，將信號的干擾程度降到最低。

2.1 大規模 MINO 技術；眾所周知，MIMO是（Multiple-Input Multiple-Out-put）的縮寫，這項技術是隨著5G技術的推廣而新開發出來的，因此為了保證信號能夠及時、有效地傳輸，不管在什么情況下，都要使用這項技術進行發射和接收天線，從而更好地利用空間。與普通的 SISO 技術相比，MIMO技術能夠明顯地增加了信道的容量大小，信息比以前傳輸得更加快速，所需要的時間更短，數據的準確率比之前更高。當發射和接收天線的數量超過最大限額以后，需要擴充MIMO 信道的容量，使它能夠滿足實際工作和生活的各種需要。貝爾實驗室于2010年提出了提出大規模 MIMO這個抽象的概念，理論上的知識很枯燥，沒有具體的案例，很難讓人理解透徹，所以專家們經過了數十年的研究，在無數的基站上面做各種各樣的嘗試，為用戶提供方便、快捷的服務。這些技術填補了國內的空白，比傳統的 MIMO 系統更加方便，不需要改變基站的任何設置，不需要增添任何的設備，在此基礎上可以明顯提高頻譜效率，大幅度降低干擾的概率，保證數據能夠準確、及時地傳遞下去，不僅僅如此，使用這項技術還可以降低傳輸的失誤率。

2.2 信道建模與編碼；可以從字面上進行理解，為了建立發射機與接收機之間的聯系，可以使用一些方法把它們連接在一起，這個時候，我們可以把這種連接的方法稱之為信道建模，主要使用特殊的模型來建立信道，它的優點特別突出，比如可以把二維的模型擴展到三維的模型，隨著 MIMO 技術使用地范圍越來越廣，一般情況下，5G可以使用這項技術。D2D（Device to Device）技術改變了數據的傳輸方式，它具有發送和接受信號的雙重功能，不僅如此，它改變了建模的方式，用球面建模代替了傳統的平面建模，極大地提高了信息地傳輸效率，在此基礎上，信號受干擾的情況特別低，可以適應各種嘈雜的環境。5G 信道不同于一般的信道，延遲性特別低，可以滿足各種實際的需要。低密度奇偶校驗（LDPC）碼特別復雜，很難使用在數據的傳輸過程中，這個時候需要使用極化（polar）碼，它的編碼特別簡單，技術特別地先進，可以隨時處理各種情況。雖然這兩種編碼方式有著各自的優點和缺點，比如前者的傳輸速度特別快，可以在1s內傳輸數千億個數據，缺點就是處理起來非常地繁瑣，不是特別容易上手，極其容易出現各種錯誤，失誤率特別大；而后者的傳輸距離非常長，且不受任何條件的限制，可以無限制地進行傳輸。缺點就是干擾能力特別差，只能在信號好的地方使用，一旦在一些偏僻的地方使用，完全不能接收到任何的信號。不僅如此，一部分信道可以在低噪聲下使用，另外一部分信道不能在噪聲下使用。

2.3 同時同頻全雙工技術；全雙工技術不同于一般的技術，它可以和其它通信終端設備一起使用，無論在什么樣的情況下，不干涉彼此的使用狀態，可以明顯地提高頻譜效率，甚至可以提高到一倍以上，不僅僅如此，還可以節省很多時間，減少不必要的資源浪費。當然，無論發生什么情況，信號都有很可能受到明顯地干擾，比如信息很難傳播出去，信息也很難傳播進來，這個時候，就需要使用全雙工技術，由于它的干擾現象十分嚴重，并且在很短的時間內不能自動消除，因此需要采用一些特別的方法，這項技術可以應用在其它領域，比如多天線領域，需要繼續進行深入地研究。

3 結束語

為我們國家2020年早日實現5G網絡的高速發展和全面覆蓋，我們研究了傳輸信息、頻譜效率，本文為5G網絡的發展普及提供了必要的理論依據。