5G大規模天線無線傳輸技術的分析

孫健

【摘要】? ? 依托5G商用情況以及5G相關標準規范，在本文當中則采取文獻法、綜合分析法等方法，對大規模天線技術進行探討分析，探索了大規模天線無線傳輸技術的基本原理、理論基礎、需要解決的一些關鍵技術問題，以求為5G無線傳輸網絡的部署提供一些參考。

【關鍵詞】? ? 5G? ? 大規模天線? ? 無線傳輸技術

引言：

移動數據業務增加，第四代移動通信系統即4G已經難以滿足移動通信業務增長的需求，5G作為下一代移動通信系統，實現它的根本目的是滿足日益增長的移動數據業務，由于與傳統移動業務不同，5G必須要在網絡系統結構、組網技術、無線傳輸技術等方面進行變革，從根本上解決移動通信頻譜和功率有效性問題，大規模天線技術是挖掘無線傳輸技術空間維度資源、提高頻譜效率和功率效率的基本技術路徑，近幾十年來大規模天線技術一直是移動通信領域的研究重點。

一、大規模天線無線傳輸技術概述

從當前5G相關技術的研究成果來看，5G網絡本質是一個多頻段、多網絡、多制式混合通信網絡，對性能提出了非常高的要求，既有兩個數量級以上的速率提升要求，也有能量效率、頻譜效率、功率效率、可靠性、性價比等提升要求，為了滿足5G通信網絡的要求，很多研究成果中提出了異構網、多網互聯、綠色基站等新的概念。

大規模天線無線傳輸技術，作為移動通信領域非常關鍵的技術，一直被研究，出現了很多的技術成果，在5G當中大規模天線無線傳輸技術是非常關鍵的技術之一，是利用額外的天線將能量集中于更小的空間區域，實現吞吐量、敷設能量效率的大幅提升，并獲得更低的延時和更好的魯棒性。在4G中大規模天線技術就有應用，但從技術水平上來說，4G所用大規模天線并不能滿足5G的要求，對于5G而言，大規模天線的實際應用還需要解決很多技術難題，如信道測量與建模、陣列設計與校準、碼本及反饋機制、天線規模尺寸等。

二、大規模天線無線傳輸技術探索

2.1大規模天線無線傳輸技術基本理論

按照相關研究成果來看，大規模天線技術的理論基礎在于兩點。其一，基站測天線數量大于用戶側天線數量時，基站到用戶的信道趨近正交。其二，用戶間干擾趨近消失，巨大天線陣列增益可提升用戶信噪比，在相同時頻資源下共同調度更多用戶。

大規模天線技術依賴基站所有天線的相位相干和計算簡化信息處理，由于目前5G的技術路線是從4G演進，因而對比4G的大規模天線技術具有代表性。在5G的大規模天線無線傳輸技術中，信道容量相比4G提升至少10倍，能量效率提升100倍。容量提升主要受高效空分復用影響。大量天線組成陣列，輻射能量基于波的相干疊加性，實現集中輻射小空間，實現信號增強。天線陣列對信號進行“賦性”操作，基站端保證所有波前端疊加并共同輻射至期望UE，而不是廣域輻射。

大規模天線直白講就是大量增加天線數目，一個天線陣列可能包含數千根天線，是當前大規模天線的數倍，而UE側天線數量顯著低于基站側天線。對此基站用同一個視頻資源服務若干UE，實現空間自由，從增強信號，提高頻譜利用率、傳輸穩定性與可靠性。

5G大規模天線基于波束成型技術，基站側可調節各天線發射信號相位，在UE側形成電磁波疊加，進而實現信號增強，同時對波束進行專門的調制，以空間信號隔離來實現同頻譜資源上同步傳輸幾十條信號。

2.2大規模天線傳輸技術之信道問題

大規模天線信道容量等同于多個正交并行子信道，可參考相應的計算模型進行空間信道分析處理。當然基于當前技術應用形式，主要利用控制單元發送或接收信號的幅度與相位來產生窄波束，若均勻間距的扁平天線陣列使用20GHz頻段，陣元間距設置波長的一半（即7.5mm），則需要在一個12cm2區域當中安裝256根天線。在10GHz頻段，100根天線可實現490m的傳輸距離，但要在20GHz頻段達到這一傳輸距離則需要400個天線單元。具體而言，目前大規模天線傳輸技術最主要的瓶頸在于成本，因為要達到波束形成增益效果，必須增加天線數量。在沿用LTE系統的MAC+PHY結構下，大規模天線傳輸技術中，由于天線陣列大幅增加，需要擴展二維/曲面或三維陣列，即形成球形天線，或是一個面板型天線陣列，或者是中移動提出的“和”這種異形天線。由于天線數量增加，天線外形尺寸必然增大，平面波方式的信道建模會出現近場偏差增大問題。從大部分廠家生產的樣機實測中發現，考慮公共信號覆蓋，在典型場景中，8天線、大規模天線對2天線覆蓋增益效果并不明顯，波束形成甚至帶來公共信道覆蓋穩定性差的問題。二以后業務信道吞吐可能以覆蓋為標準。

在上行正交導頻中，導頻開銷隨參與空間復用傳輸的UE天線個數線性增加，而下行導頻開銷則隨基站側天線數量線性增加。發送端已知下行鏈路信道信息是實現下行多用戶編碼，多天線空間復用的關鍵點，而在基站側天線數量遠大于UE側時，下行信道信息獲取成為大規模天線無線傳輸技術的瓶頸，如果TDD系統可利用空中信道上下行互易性來實現預編碼，減少下行導頻開銷。FDD系統則缺乏互易性，是5G大規模天線需要解決的主要障礙之一。

對于導頻，4G標準中已經使用了TDM、FDM、CDM等導頻，這些導頻的干擾小，但開銷大。由于5G需要多小區間超密集基站組網，則用戶及天線數增加，開銷更大，因此一些研究中提出非正交導頻設計來解決開銷大的問題。

信道估計方面，大規模天線稀疏特性便于使用先進信號處理算法來提升信道估計的性能、精度。參數化模型是較為理想的稀疏信道建模。在參數化模型中，子空間方式是比較常用的一種，相關研究以及實踐中利用到達角估計提升精度，此為典型子空間方式。而壓縮感知方式則是另外一種方法，可保證以較小導頻開銷，獲得好的信道估計性能，基于Bayes匹配追蹤法是典型的代表。

2.3大規模天線無線傳輸技術之傳輸問題

多用戶接入信道和多用戶廣播信道信息理論是大規模天線傳輸設計的理論基礎。理論上，最多用戶檢測可實現多用戶接入信道的可達容量。無紙編碼則可實現多用戶廣播信道可達容量。但是在大規模天線無線傳輸系統中卻很難達到最優傳輸效果。理論上，研究指出當天線數據趨于無限，下行使用MRT，上行接收使用最大比合并，可獲得逼近容量的性能。但是實際實現能力有限，天線規模暫時無法無窮大，采用RZF或MMSE，需要復雜的求逆運算，用戶數多復雜度將非常高。

目前理論上的解決方案包括利用本地復雜度的矩陣求逆或是利用信道稀疏特性或統計特性降低復雜度。實際上由于上下行鏈路具備對偶性，多數情況下上下行傳輸可相互借鑒，或聯合設計，如矩陣求逆，多項式展開預編碼和多項式展開迭代接收可實現簡化。

假設發送端已知信道信息，此情況下，信息傳輸的本質是發送端多用戶信號設計，最優多用戶接入信道或廣播信道信息理論方法拓展至大規模天線無線傳輸系統，進行不同準則下的最優傳輸設計，是目前需要解決的關鍵。信道信息獲取和空分復用復雜程度高等問題的限制下，目前可對服務用戶分組，每組具有相似發送舉證，第一級預編碼準靜態地服務每組用戶。針對空間維度等效信道，使用簡化信道反饋與二級預編碼。

由于傳統天線系統是UE檢測基站發出的導頻，并預估信道從而反饋給基站用以定位UE。在大規模天線無線傳輸技術當中不適合采用這種方式，根本原因是天線數量增多，UE需要向基站反饋信息就需要占據大量鏈路資源，顯然得不償失。如此就需要在不同小區進行空間復用，而復用必定產生干擾，理論上導頻干擾是大規模天線無線傳輸的障礙之一，由于波束形成算法問題，矩陣求逆并不是特別適合大規模天線，按照現有計算機硬件來說，不可能利用矩陣求逆算法來完成對波束形成的相關計算。因此可參考準靜態交疊分簇方法，該方法是將系統所有接入點分為互不相交的簇，分簇方法不同可得到多個分簇圖案，不同圖案存在交疊，如此每一簇中的用戶或接入點均使用相同時頻資源，而不同的分簇則在時頻資源上正交，配合功率分配，可提升小區吞吐量與邊界用戶的吞吐量。

2.4大規模天線無線傳輸技術之應用

目前大規模天線可集中部署也可分布部署兩種模式。集中部署中，5G無線網絡中大規模天線傳輸技術主要應用與城區覆蓋、郊區覆蓋、無線回傳、局部熱點等幾種場景，其中城區覆蓋主要分宏覆蓋和微覆蓋兩種，前者以廣域覆蓋形式，囊括城區，而后者則主要是小區覆蓋，如高層建筑。無線回傳主要解決基站間的數據傳輸，特別是宏基站和微基站之間的傳輸。

分布部署考慮天線尺寸實際暗轉等方面的問題，考慮天線之間的協作和信令傳輸，分布部署將大規模天線氛圍若干模塊，每個模塊以天線陣列為單元，分別部署，但集中進行處理，分布式部署具備集中部署的優勢，也能夠簡化部署、降低天線部署成本。當分布部署與超密集虛擬化組網結合，能夠進一步擴大性能增益。

目前相關廠家的實際測試已經證明了大規模天線傳輸技術在5G組網當中所具備的優勢，但是要實際應用還需要解決很多技術難題，并且要降低成本，以獲得最優性價比，如此才是實現大規模商用的關鍵。

三、結束語

綜上所述，5G大規模天線無線傳輸技術目前已經具備一定的實用價值，但是成本比較高，而且尚存在一些技術難點需要解決，因此還需要對大規模天線相關技術進行進一步研究分析，現有測試以及實際應用僅揭示大規模天線無線傳輸技術的可行性與優勢，真正要實現商用，依然任重道遠。

參? 考? 文? 獻

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