大規(guī)模陣列天線在5G通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

梁訓波 王國義 趙蕓 張超

關(guān)鍵詞：陣列天線;5G通信;波束成形

0.引言

隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，5G通信網(wǎng)絡(luò)已逐步進入大規(guī)模商用時代，基于5G通信的智慧城市、無人駕駛、無人工廠等對網(wǎng)絡(luò)帶寬、空口時延、傳輸速率有著較高要求的應(yīng)用也逐漸落地實現(xiàn)，而大規(guī)模陣列天線作為5G通信天線系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，通過增加信道數(shù)量來實現(xiàn)系統(tǒng)容量的增加，是5G通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高網(wǎng)絡(luò)貸款、低空口時延、低傳輸速率等技術(shù)指標的關(guān)鍵技術(shù)，也是我國移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)。因此，有必要根據(jù)現(xiàn)有的一些系統(tǒng)應(yīng)用場景總結(jié)分析大規(guī)模陣列天線在5G通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，進一步促進和推動大規(guī)模陣列天線以及5G通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展。

1.大規(guī)模陣列天線與5G通信天線系統(tǒng)

1.1 大規(guī)模陣列天線簡介

傳統(tǒng)通信方式是基站與手機間單天線到單天線的電磁波傳播，而在波束成形技術(shù)中，基站端擁有多根天線，可以自動調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位，使其在手機接收點形成電磁波的疊加，從而達到提高接收信號強度的目的，這種技術(shù)稱為”波束成形”技術(shù)，在波束成形技術(shù)的基礎(chǔ)上將單用戶增加至多用戶，針對不同用戶構(gòu)造不同的波束，就可以形成大規(guī)模陣列天線系統(tǒng)。大規(guī)模陣列天線可以有效隔離不同用戶間的電磁波，在同一頻帶上可以針對不同用戶傳輸不同信號，實現(xiàn)了空間頻譜資源的充分挖掘，從而實現(xiàn)通信系統(tǒng)容量的大幅度提升。

大規(guī)模陣列天線是基于傳統(tǒng)天線系統(tǒng)演進而來，相較于傳統(tǒng)天線系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在通道數(shù)目更多、波束成形更加靈活、更多更靈活的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，從而使得通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋更加精準和立體、系統(tǒng)調(diào)整更加智能化。

1.2 5G通信天線系統(tǒng)的演進過程

5G通信天線系統(tǒng)的演進經(jīng)歷了從一代傳統(tǒng)全向天線、二代全向+定向天線到三代陣列天線的發(fā)展過程。其中，一代5G天線采用傳統(tǒng)全向天線，可全向覆蓋，但覆蓋范圍有限;二代5G天線采用全向+定向方案，不僅能滿足全向范圍覆蓋，而且在特定方向的覆蓋范圍和穿墻效果可以增加50%;三代5G陣列天線不僅比上一代產(chǎn)品覆蓋范圍增加50%，而且穿墻效果同時增加了30%，具備根據(jù)客戶的應(yīng)用場景，智能改變網(wǎng)絡(luò)性能的功能，做到產(chǎn)品真智能化。

2.大規(guī)模陣列天線在5G通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

2.1 預(yù)測用戶分布變化規(guī)律動態(tài)調(diào)整天線波束方向

利用大規(guī)模陣列天線可實現(xiàn)對用戶的水平方位（HDOA）、垂直方位（VDOA）數(shù)據(jù)的采集，獲取用戶相對基站的位置信息。再通過大數(shù)據(jù)學習，預(yù)測未來每個時段用戶的分布情況。再將用戶分布預(yù)測結(jié)果進行畫像，利用機器視覺算法，快速尋優(yōu)每個小區(qū)每個時段最佳的波束方案，并動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)覆蓋能力和業(yè)務(wù)吸收能力的提升。。

2.2 識別網(wǎng)絡(luò)故障，自動調(diào)整鄰區(qū)波束進行覆蓋補償

利用大規(guī)模陣列天線的數(shù)字權(quán)值特征，可以智能的識別系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障。例如，當識別到網(wǎng)絡(luò)中有站點退服時，可以根據(jù)柵格級的覆蓋需求，自動調(diào)整周邊多個鄰區(qū)的參數(shù)，從而調(diào)整鄰區(qū)的波束進行覆蓋補償，減小感知和流量上的損失，將故障影響程度降到最低。

2.3 結(jié)合“多小區(qū)聯(lián)合調(diào)度”技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋和結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的多小區(qū)間聯(lián)合調(diào)度，只是在頻率資源調(diào)度上的相互配合，例如：ICIC技術(shù)，是通過相鄰小區(qū)在重疊覆蓋區(qū)域分配不同的頻率資源來降低相互的干擾影響，這種方式會犧牲一定的頻譜資源。在5G大規(guī)模陣列天線應(yīng)用后，可以將波束方位、波束功率等方面資源納入多小區(qū)聯(lián)合調(diào)度，增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋和結(jié)構(gòu)。筆者提出兩種具體的方案。

2.4 將大規(guī)模陣列天線的波束資源納入QoS服務(wù)管理，增強用戶感知體驗

目前QoS差異化服務(wù)在無線專業(yè)僅體現(xiàn)在時頻資源調(diào)度的優(yōu)先級上，這種差異化服務(wù)方案并不能保證VIP用戶在遠點時擁有比普通用戶在近點時更佳的感知體驗。在大規(guī)模陣列天線蜂窩通信系統(tǒng)中，基站配備了大量天線。不僅可以在時頻調(diào)度方面實現(xiàn)不同5QI用戶的差異化服務(wù)，還可以在天線波束資源、功率資源等方面進一步實現(xiàn)資源分配的差異化。確保高優(yōu)先級用戶獲得更加良好的用戶感知。

2.5 利用大規(guī)模陣列天線的角度空間檢測技術(shù)，精準識別干擾位置定向消除

大規(guī)模陣列天線天線最重要屬性之一就是高角度分辨率，可通過接收的導頻信號到達角度準確識別干擾器的方向。然后通過相應(yīng)的干擾定向消除、抑制算法，減輕干擾的影響。在干擾定向消除和抑制方面，筆者提出如下幾種方案

（1）識別干擾機方向后，相應(yīng)進行廣播波束的調(diào)整，避開干擾。

（2）對受干擾方向內(nèi)的用戶分配更多的天線、功率、更高上行信噪比解調(diào)要求，加強發(fā)向/來自UE的能量以對抗干擾。

（3）設(shè)計信號通道的估計方案，使普通用戶的導頻信號與干擾器導頻信號正交，抑制來自干擾器的影響。

3.結(jié)論

本文介紹了大規(guī)模陣列天線基于傳統(tǒng)天線系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，總結(jié)了大規(guī)模陣列天線相較于傳統(tǒng)天線系統(tǒng)具有通道數(shù)目更多、波束成形更加靈活、更多更靈活的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整等優(yōu)勢，然后結(jié)合現(xiàn)有應(yīng)用方案闡述了大規(guī)模陣列天線在預(yù)測用戶分布、自動覆蓋補償、網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化、增強用戶感知，消除干擾等方面的應(yīng)用過程，具有一定的研究意義。。

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