基于射頻收發(fā)信號的5G未來通信的關(guān)鍵技術(shù)分析

孫美芝

（單縣廣播電視臺，山東 單縣 274300）

0 引 言

截止到2020年，5G蜂窩網(wǎng)將采用兩種新型的天線設(shè)計技術(shù)，以此來提高無線通信的效率。然而，傳統(tǒng)基站的高功耗、低傳輸成為5G蜂窩網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。如何提高無線信通信的傳輸效率，成為關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)。傳統(tǒng)通信基站是功耗的瓶頸，用戶需求與基站信號發(fā)射量之間的有效匹配成為解決問題的關(guān)鍵[1]。本文基于上述背景，提出射頻鏈路算法，實現(xiàn)用戶需求與基站信號之間的動態(tài)匹配，以最大程度地提高基站信號的發(fā)射量，降低機件的整體功耗，滿足5G蜂窩網(wǎng)的通信需求。

1 算法概述

1.1 Massive MIMO的算法描述

MIMO技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，逐步走向成熟。其中，MIMO-OFDM在4G技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，并實現(xiàn)了大規(guī)模的部署。相對于傳統(tǒng)基站，MIMO技術(shù)的基站數(shù)量較多，可以實現(xiàn)高功率的數(shù)據(jù)傳輸。但是，MIMO基站的同時傳輸，會出現(xiàn)信號干擾，并造成信號衰減。所以要對MIMO基站進行調(diào)節(jié)，最優(yōu)地調(diào)配基站，降低相互的干擾程度。假設(shè)MIMO基站的總數(shù)為C，每個基站為Cij，i取值為{1,…,n}、j取值為{0,1}。其中，i代表基站的編號，j代表基站的工作狀態(tài)（1代表工作，0代表未工作）。那么，基站的運行狀態(tài)的數(shù)學(xué)描述為：

式中，λ代表衰竭程度，0≤λ≤1。λ=0，說明不同基站之間無衰減，該基站對于整個傳輸最優(yōu)；λ≠0，說明該基站出現(xiàn)衰減，要對查找干擾基站，然后進行定位和關(guān)閉。

1.2 毫米通信的數(shù)學(xué)描述

目前，所有通信系統(tǒng)采用的普頻主要集中在300 MHz～3 GHz，而業(yè)務(wù)量的持續(xù)增加，使得頻率波段占用存在重復(fù)現(xiàn)象，或者傳輸波段相似，增加了干擾的可能性，所以國內(nèi)有學(xué)者提出毫米波段的構(gòu)想。毫米波段具有傳輸頻率高、傳輸波長短的特征。毫米波段需要依賴直視路徑進行傳輸，在現(xiàn)實中的直視路徑較少，限制了毫米通信的應(yīng)用[2]。MIMO基站的設(shè)置，可以縮短毫米通信的傳輸路徑，在不同MIMO基站間建立直視路徑，降低了毫米通信的空間耗損，也增加了傳輸效率。本文對毫米通信進行數(shù)學(xué)描述，公式如下：

式中，V(X)為傳輸?shù)攸c；F(Lk,MI(Cij))為MIMO的傳輸效果；Lk為傳輸距離；MI(Cij)為MIMO的傳輸能力；ξ為毫米傳輸距離的限制閥值；ξmax為毫米傳輸?shù)睦碚撟畲缶嚯x；ξmin為毫米傳輸?shù)睦碚撟钚【嚯x。

1.3 約束條件

為了使MIMO的天線為通信建立良好的信道，盡量將射頻中的鏈路數(shù)與用戶的需求數(shù)保持一致。下面就針對射頻通信的構(gòu)成，進行條件約束。

1.3.1 信道與射頻的約束

由于毫米傳輸對通信的信號要求較高，需要其頻段設(shè)置要寬，以提高傳輸?shù)男ЧＫ裕獙鬏數(shù)男诺捞岢龈叩囊蟆＜僭O(shè)毫米傳輸射頻為x，其傳輸信道為o，在第i個波段的條件下，毫米傳輸?shù)纳漕lxoi，那么信號的約束條件為：

式中，G(·)為用戶需求的分布函數(shù)；F(·)為射頻供給的約束函數(shù)；V(·)為輸出地點；F(Lk)/V(X)為毫米傳輸?shù)纳漕l供給-需求量。

1.3.2 功耗約束

為了保障整個射頻基站輸出功耗符合實際要求，要對不同階段的功耗進行計算，使其平均功耗達到預(yù)期要求。Ti為整個運行時間的最大功耗，ti為運行時間的最小功耗。

1.4 數(shù)據(jù)通信過程中的功耗調(diào)節(jié)

假設(shè)C代表整個基站集合，每個基站為Cij，那么各個基站的功耗調(diào)節(jié)如下。

第1步，構(gòu)建整個基站的矩陣Mij，矩陣中的基站由實際MIMO基站組成，并剔除無工作狀態(tài)的基站。

第2步，計算基站矩陣的特征值，得到整個基站集合C的平均功耗值，并將其作為每一個基站的最大功耗值。

第3步，假設(shè)每個基站Cij到傳輸點的距離，并判斷每個信道間是否存在建筑物，或者其他干擾物，即直視路徑是否已經(jīng)建立，如果建立，將該點列為傳輸對象，否則踢出該點，采用傳統(tǒng)傳輸方式，即頻段300 MHz～ 3 GHz。

2 基于射頻鏈路的算法

依據(jù)上述對基站、功耗的數(shù)學(xué)描述，以及相應(yīng)閥值的設(shè)定，可以對射頻傳輸基站進行功耗控制、傳輸效率分析。

2.1 構(gòu)建傳輸信號的集合

先對MIMO中的各個基站進行編號，得到各個基站的傳輸范圍，計算各個基站到傳輸點的距離以及直視路徑的建立情況。收集的信息包括用戶的通信量、通信要求（4G、5G）、傳輸距離及傳輸方式等，構(gòu)建相應(yīng)的傳輸集合C。

2.2 計算傳輸信號與用戶需求之間的關(guān)系

依據(jù)實際傳輸結(jié)果，對工作基站大于2個的情況進行分析，可以發(fā)現(xiàn)傳輸基站與用戶需求之間的關(guān)系如下。

（1）如果基站相鄰，那么傳輸中的干擾較大，可以將雙基站采用統(tǒng)一頻率傳輸，以此來增加接線的傳輸強度，保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（2）如果基站不相鄰，且距離較遠，中間無任何線路干擾，可以采用不同頻段傳輸，但是頻段傳輸?shù)淖畲缶嚯x、基站的最大功耗要小于M矩陣的最大值。

（3）如果基站的距離適中，存在部分干擾的現(xiàn)象，需要進行最佳位置搜索，進行信號傳輸，降低傳輸?shù)母蓴_程度。

（4）由于射頻發(fā)射信號是有一定的范圍，可以對該位置的信號傳輸范圍進行確定，得到min(∑Δ(xoi))和max∑Δ(xo

i)，將其作為基站傳輸?shù)淖罴逊桨浮?/p>

3 實際案例分析

以5G仿真基站為基礎(chǔ)，采用毫米傳輸與傳統(tǒng)傳輸?shù)幕旌戏绞剑究倲?shù)為15個，符合MIMO要求，闡述過程中增加13個隨機故障點，阻礙直視路徑的建立。傳輸范圍為100 m～1 km，波段為300 MHz～5 GHz（300 MHz～3 GHz為傳統(tǒng)，3～5 GHz為毫米），總迭代次數(shù)為200次。

3.1 傳輸效果

以x11源點進行搜索，并構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣，得到最優(yōu)特征值，以及最大的傳輸方案，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，C1中的x6、C6中的x7、C10中的x7，均出現(xiàn)了頻率降低的現(xiàn)象，主要是由于障礙物數(shù)量超過1，說明毫米傳輸?shù)恼系K物不能高于1。但是MIMO條件下的通信傳輸頻率較高，傳輸距離均大于200 m，傳輸時間均小于30 s，說明基于射頻鏈路的方式，可以較好地提高傳輸距離，縮短傳輸時間，而且基站功耗均小于40%。

3.2 傳輸效果

用射頻鏈路方法進行200次的迭代計算，計算整體的傳輸效果，結(jié)果如圖1所示。

通過分析可知，基于射頻電路分析方法的基站通信效率為97%～98%，理論傳輸效率為98%～99%，實際傳輸效率為96%～97%，符合現(xiàn)在的實際要求。

通過分析可知，隨著迭代次數(shù)的增加，傳輸效率仍然保持在95%～98%，如圖2所示。由此說明，基于射頻鏈路算法的傳輸效率符合要求，可以為5G通信奠定基礎(chǔ)。

表1 基于射頻信號發(fā)射的5G通信仿真結(jié)果[Popsize（n=15）]

圖1 傳輸效果

圖2 實際傳輸效率

4 結(jié) 論

提出一種基于射頻鏈路的算法，該方法通過對基站、用戶需求的構(gòu)建，得到基站的計算矩陣，計算出各個基站的功耗以及傳輸效果。結(jié)果顯示，基站通信效率在97%～98%，理論傳輸效率在98%～99%，實際傳輸效率在96%～97%，符合現(xiàn)在的實際要求。隨著迭代次數(shù)的增加，傳輸效率仍然保持在95%～98%。由此說明基于射頻鏈路算法的傳輸效率符合要求，可以為5G通信奠定基礎(chǔ)。