5G NR 技術(shù)中的多用戶多天線干擾管理與智能波束成形

翟炳銀

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 5G NR 技術(shù)概述

1.1 5G NR 標(biāo)準(zhǔn)與特性

5G 新空口（New Radio，NR）技術(shù)是基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的全新空口設(shè)計的全球性5G 標(biāo)準(zhǔn)，也是下一代非常重要的蜂窩移動技術(shù)基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)超低時延和高可靠性。5G NR 標(biāo)準(zhǔn)不僅提供了更高的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率，還大幅降低了通信延遲，低至毫秒級別。此外，5G NR 具備大規(guī)模設(shè)備連接能力，可以支持?jǐn)?shù)百萬個設(shè)備同時連接至網(wǎng)絡(luò)，滿足物聯(lián)網(wǎng)和未來車聯(lián)網(wǎng)等場景的需求。5G NR 不僅支持人與人之間的通信，還支持物與物之間的通信，為智能城市、工業(yè)自動化和智能交通等領(lǐng)域帶來了無限潛力。

1.2 多用戶多天線技術(shù)在5G NR 中的應(yīng)用

多用戶多天線技術(shù)通過使用多輸入多輸出系統(tǒng)，允許同時與多個用戶建立并行通信連接。這意味著通信設(shè)備可以通過不同的天線傳輸和接收數(shù)據(jù)，從而大幅提高通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍。多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）技術(shù)的應(yīng)用使通信系統(tǒng)具備更高的信道利用率，支持高速數(shù)據(jù)傳輸、更廣泛的覆蓋和更可靠的通信。此外，多用戶多天線系統(tǒng)還具備波束成形的潛力，可以定向傳輸信號，從而降低干擾水平，提高通信質(zhì)量，為大規(guī)模連接和高速通信提供有力支持。

1.3 干擾管理與波束成形的重要性

在5G NR 的高密度用戶和多天線環(huán)境中，干擾問題變得尤為突出。干擾不僅降低了通信質(zhì)量，還限制了網(wǎng)絡(luò)容量和性能的提升。為了解決干擾問題，干擾管理技術(shù)成為必不可少的一部分，主要包括頻域干擾抑制方法、時域干擾抑制方法和智能波束成形技術(shù)。頻域干擾抑制技術(shù)通過頻譜分隔和子載波分配等方法，幫助不同用戶共享頻譜資源，減小彼此之間的干擾。時域干擾抑制技術(shù)則包括信號處理和時隙分配策略，以降低干擾水平[1]。同時，智能波束成形技術(shù)允許發(fā)送天線將信號定向傳輸?shù)教囟ń邮掌鳎瑥亩鴾p小非目標(biāo)接收器的干擾。

2 多用戶多天線干擾管理技術(shù)

2.1 多用戶多天線通信系統(tǒng)模型

多用戶多天線通信系統(tǒng)是5G NR 網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，其模型描述了在復(fù)雜的通信環(huán)境中如何有效地管理多個用戶和多個天線之間的通信。在多用戶多天線通信系統(tǒng)中，通信設(shè)備配備多個發(fā)射天線和接收天線，因此多個用戶設(shè)備可以同時訪問同一頻譜資源[2]。這種復(fù)雜性導(dǎo)致了干擾問題，因為信號從多個發(fā)射天線傳播可能干擾其他用戶的信號。多用戶多天線通信系統(tǒng)的模型考慮了這些因素，涵蓋信道模型、天線布局、用戶位置、干擾源以及資源分配策略等要素。

2.2 干擾抑制方法

2.2.1 頻域干擾抑制技術(shù)

在多用戶多天線通信系統(tǒng)中，頻域干擾抑制技術(shù)起著關(guān)鍵作用。這些技術(shù)基于頻率選擇性信道的特性，通過分配不同的子載波或頻帶來減小干擾。其中，子載波分配技術(shù)可以將不同用戶分配到不同的子載波上，從而減少彼此之間的干擾。另一方面，頻譜分隔方法將不同用戶的信號分配到不同的頻帶，從而降低頻域干擾。

2.2.2 時域干擾抑制技術(shù)

時域干擾抑制技術(shù)主要在時域內(nèi)減小或消除干擾。該技術(shù)依賴精確的時隙分配和信號處理方法，確保不同用戶的信號不會在時間上重疊，從而減小時域干擾。利用時域干擾抑制技術(shù)進(jìn)行資源分配時，不同用戶在不同時間片上進(jìn)行通信，避免碰撞和干擾。此外，信號處理算法，如多用戶檢測和干擾消除，也可以在時域內(nèi)降低干擾水平，提高通信質(zhì)量。時域干擾抑制技術(shù)廣泛應(yīng)用于多用戶多天線系統(tǒng)，對于實現(xiàn)高效的通信資源分配和降低干擾非常關(guān)鍵。

2.3 多用戶干擾協(xié)調(diào)策略

2.3.1 接入控制與資源分配

在多用戶多天線通信系統(tǒng)中，接入控制涉及如何決定哪些用戶可以連接到系統(tǒng)和如何控制用戶的接入過程。有效的接入控制可以防止不必要的用戶接入，從而減少競爭和干擾。此外，資源分配策略涉及如何分配通信資源，如子載波、時間片和功率，以滿足不同用戶的通信需求。通過動態(tài)資源分配，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求和通信環(huán)境的變化來優(yōu)化資源的使用，從而降低干擾水平，提高通信質(zhì)量。

2.3.2 頻譜分配與動態(tài)頻譜共享

頻譜管理在多用戶多天線通信系統(tǒng)中至關(guān)重要，特別是在頻域。頻譜分配策略決定了如何分配不同頻段或子載波給不同用戶，以減小頻域干擾。其中一種關(guān)鍵技術(shù)是動態(tài)頻譜共享，允許不同用戶在不同時間和地點共享相同的頻譜資源。通過智能的頻譜分配和動態(tài)共享，系統(tǒng)可以在不同用戶之間實現(xiàn)頻譜的高效利用，從而降低干擾。

3 智能波束成形技術(shù)

3.1 波束成形原理與基礎(chǔ)知識

智能波束成形技術(shù)基本原理是通過調(diào)節(jié)天線陣列中各個天線的相位和幅度，將信號能量聚焦在特定的方向，從而實現(xiàn)定向傳輸和接收。該技術(shù)依賴波束形成器對信號進(jìn)行相位和幅度調(diào)整，使發(fā)射信號在空間中形成一個狹窄的波束，將信號聚焦在特定的接收器上。與傳統(tǒng)的全向傳輸相比，波束成形技術(shù)可以顯著減小非目標(biāo)接收器的干擾，從而提高通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量。

波束成形的基礎(chǔ)知識包括天線陣列的設(shè)計和信號處理算法的選擇。天線陣列的布局和天線之間的間距決定了波束形成的能力，不同的陣列結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)不同的波束形成效果。此外，信號處理算法的選擇也至關(guān)重要，不同的算法可以實現(xiàn)不同的波束形成方式，如最大比合并、零階波束成形和最小均方誤差波束成形等。

3.2 5G NR 中的波束成形算法

3.2.1 最大比合并

最大比合并（Maximum Ratio Combining，MRC）是一種常用的波束成形算法，用于最大化接收信號的信噪比。在MRC 中，接收端將各個天線的接收信號功率和信號的相位按一定比例相加。這種相加的方式使接收信號在特定方向上干擾最小，信噪比最大化。MRC 算法適用于多路徑傳播環(huán)境，能夠有效抑制多徑干擾，提高通信的可靠性和性能。

3.2.2 零階波束成形

零階波束成形（Zero Forcing Beam Forming，ZFBF）是一種波束成形算法，其目標(biāo)是將信號在所選接收器上完全抑制干擾。ZFBF 通過線性變換來選擇每個天線上的權(quán)重系數(shù)，使接收信號在非目標(biāo)方向上的干擾信號功率為零。這種方式可以有效減小非目標(biāo)用戶的干擾，提高系統(tǒng)的容量和通信質(zhì)量。然而ZFBF 算法需要精確的信道狀態(tài)信息，在多用戶場景中可能引入噪聲放大問題。

3.2.3 最小均方誤差波束成形

最小均方誤差波束成形（Minimum Mean Square Error Beam Forming，MMSE-BF）是一種基于信噪比最小化的波束成形算法。MMSE-BF 考慮了信號傳輸中的干擾和噪聲，通過權(quán)重矩陣的調(diào)整來最小化均方誤差，從而提高接收信號的質(zhì)量。與ZFBF 相比，MMSE-BF 能夠更好地處理信號傳輸中的噪聲，且在多用戶多天線系統(tǒng)中表現(xiàn)更加穩(wěn)定。與此同時，MMSE-BF 算法的計算復(fù)雜度通常較高，需要更多的計算資源。

3.3 智能波束成形硬件實現(xiàn)

智能波束成形技術(shù)的硬件實現(xiàn)需要一個具備多輸入多輸出功能的天線陣列，以便同時處理多個信號源和目標(biāo)。該天線陣列通常由多種天線元素組成，可以獨立調(diào)整接收和發(fā)射的信號，從而實現(xiàn)波束成形的目的。此外，還需要配備相應(yīng)的射頻前端和數(shù)字信號處理器，以精確調(diào)節(jié)信號相位和幅度。

智能波束成形的硬件實現(xiàn)還需要考慮射頻鏈路的設(shè)計和優(yōu)化。在接收端，射頻鏈路負(fù)責(zé)將來自各個天線元素的信號進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字信號處理。在發(fā)射端，射頻鏈路則將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成射頻信號，并通過各個天線元素進(jìn)行發(fā)射。優(yōu)化射頻鏈路的設(shè)計可以確保信號的高質(zhì)量傳輸和接收。

此外，智能波束成形的硬件實現(xiàn)還需要強大的數(shù)字信號處理能力。利用高性能的數(shù)字信號處理器或?qū)Ｓ玫牟ㄊ尚翁幚砥鳎軌蚩焖佟⒕_地計算各個天線元素的相位和幅度調(diào)節(jié)值[3]。這些處理器通常需要具備高度的并行計算能力，以滿足復(fù)雜的波束成形算法和實時的信號處理需求。

4 5G NR 中的多用戶多天線干擾管理與智能波束成形

4.1 干擾管理與波束成形的協(xié)同設(shè)計

在5G NR 系統(tǒng)中，干擾管理與智能波束成形的協(xié)同設(shè)計相互配合，共同解決高密度用戶和多天線環(huán)境中的干擾問題。干擾管理通過頻域和時域的干擾抑制技術(shù)，有效降低干擾水平。與此同時，智能波束成形技術(shù)利用天線陣列的定向性傳輸特性，將信號聚焦到特定的接收器上，降低非目標(biāo)接收器的干擾[4]。

4.2 5G NR 系統(tǒng)中的多用戶多天線干擾管理案例研究

以某城市的繁忙商業(yè)區(qū)為例，眾多用戶同時使用5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，可能會導(dǎo)致頻域干擾的顯著增加。為了應(yīng)對這種情況，干擾管理系統(tǒng)采用動態(tài)頻譜共享策略。通過實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中各個用戶設(shè)備的通信需求和信號質(zhì)量，系統(tǒng)能夠動態(tài)調(diào)整分配給每個用戶的頻段，從而最大限度地減小用戶之間的頻域干擾。

此外，以高速列車為例，在高速移動環(huán)境下，由于多徑效應(yīng)和多普勒頻移，時域干擾會影響通信質(zhì)量。在這種情況下，系統(tǒng)要采用時域干擾抑制技術(shù)，結(jié)合高速列車的運動狀態(tài)信息，通過精確的時隙分配和信號處理策略，使系統(tǒng)能夠在高速運動中保持與用戶設(shè)備的穩(wěn)定連接，從而有效降低時域干擾的影響，保障列車上的通信質(zhì)量。

4.3 智能波束成形在5G NR 系統(tǒng)中的性能提升

智能波束成形技術(shù)作為5G NR 系統(tǒng)中的重要組成部分，對通信性能的提升具有顯著影響。通過合理設(shè)計天線陣列、優(yōu)化射頻鏈路、高效利用數(shù)字信號處理，智能波束成形技術(shù)可以實現(xiàn)定向傳輸和接收，從而提高通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量[5]。在實際網(wǎng)絡(luò)中，智能波束成形技術(shù)還可以針對特定場景進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié) 論

在5G NR 技術(shù)的快速發(fā)展中，多用戶多天線干擾管理與智能波束成形作為關(guān)鍵支持技術(shù)，為構(gòu)建高容量、低延遲、可靠性強的通信環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。通過協(xié)同設(shè)計干擾管理和波束成形技術(shù)，能夠應(yīng)對日益復(fù)雜的通信場景，實現(xiàn)更高效的頻譜利用并降低干擾，從而推動5G NR 系統(tǒng)性能的提升，為未來通信技術(shù)的發(fā)展提供引導(dǎo)。