5G 室內分布系統中的自適應波束成形技術研究

潘林杰

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著移動通信技術的快速演變，5G 技術作為新一代通信技術成為全球各國的關鍵發展戰略。在實際應用中，尤其是在室內區域，建筑材料和人流量等因素會對信號的傳播造成影響，導致傳統的分布系統難以實現高效的信號覆蓋和傳輸。因此，在5G 室內分布系統中應用自適應波束成形技術具有重大意義。自適應波束成形技術能夠實時調整波束的方向和形狀，根據信號特征解決多徑效應和信號衰減等問題，從而提高信號傳輸的質量，擴大信號覆蓋范圍。這一進展為5G 技術在室內環境的實際運用提供了堅實的基礎和保障，同時促進室內移動通信的發展和普及。

1 自適應波束成形技術的基礎原理

1.1 波束成形概述

波束成形技術涉及多個天線單元的協作，通過調整這些單元的相位和強度，可以在特定方向增強信號的傳輸或接收。其核心機制在于精確控制多個天線單元的相位和幅度，使其在特定方向形成主瓣，而在其他方向形成副瓣。這種技術已廣泛應用于無線通信和雷達技術等領域，特別是在5G 通信中，能有效支持高速數據傳輸和大面積覆蓋的需求。

1.2 自適應波束成形的基本原理

自適應波束成形技術基于波束成形技術改進，通過分析信號特性和環境，即時調整波束的形態和方向，以提高性能指標。其主要原理是實時監測信號傳輸效果，并通過反饋循環調整波束特征，常規方法包括優化波束形狀，通過最小化誤差函數將主瓣對準信號傳輸方向，同時降低干擾信號和多徑效應影響，提升信號接收品質和系統性能。

1.3 自適應波束成形算法的分類與比較

自適應波束成形算法主要分為空域和時域2 種處理策略。空域處理主要包括傳統波束形成策略和基于信號空間處理的方法，如利用空間濾波器和陣列信號處理技術進行波束成形。時域處理利用時間序列數據調整波束結構，如利用自相關函數和最小均方誤差（Least Mean Square，LMS）等方法提升波束性能。LMS、遞歸最小二乘（Recursive Least Squares，RLS）、最小方差無偏估計（Minimum Variance Distortionless Response，MVDR）等算法在實時性、收斂速度及抗干擾能力等方面具有各自特點，需要根據具體應用場景和需求選擇合適的算法。

2 5G 室內分布系統設計與需求分析

2.1 室內環境特點及挑戰

5G 通信系統的推廣和應用面臨著室內環境帶來的多重挑戰。首先，室內環境中存在多路徑效應和信號衰減問題，導致信號傳輸過程中容易出現波動，影響信號的覆蓋范圍。例如，在封閉空間內，信號衰減可達到30 dB，對5G 通信高頻信號的影響尤為顯著。此外，復雜的室內設計多樣性給系統設計和優化帶來挑戰。建筑材料的不同會顯著影響信號的傳播特性（見表1），因此必須針對具體環境的特殊需求進行系統定制。另外，在人口密集的區域，如體育館和商場等場所，對無線信號的覆蓋范圍和承載能力有更高的要求。在這些地方，對信號的需求遠遠超出普通室內空間的需求[1]。

表1 不同建筑材料對信號傳輸的影響

2.2 5G 室內分布系統的設計要求

為應對室內環境的挑戰并滿足用戶需求，5G 室內覆蓋網絡需遵循多項設計規范。首先，5G 通信技術需具備高容量與快速傳輸能力，以支持更快的數據傳輸速度和更大的存儲空間，以滿足高清視頻和虛擬現實等應用需求。特別是對于實時性要求較高的應用場景，如工業自動化和智能交通等，需確保通信具備低延遲和高穩定性。其次，無線信號的普及度和質量是關鍵的設計指標，需保證室內任何位置都能接收到穩定高效的無線信號。最后，在使用能源和費用方面，設計時需高度關注，在保證系統性能的同時盡可能降低系統的能源消耗和費用，以提升系統的可持續運行能力和經濟效益。

2.3 自適應波束成形在解決室內分布系統中的優勢分析

自適應波束成形技術能夠有效解決室內分布系統的問題，如室內多徑效應和信號衰減問題，提高信號傳輸質量并擴展覆蓋范圍。例如，在一般室內環境中，由于墻壁和其他障礙物的存在，信號經過多次反射和折射后，可能會出現明顯的多徑干擾，影響信號接收質量。通過自適應波束成形技術，可以改變波束的形態和方向，將信號能量集中到需要覆蓋的區域，降低多徑效應對信號傳輸的干擾，進一步提升信號傳輸質量，擴大覆蓋范圍。

波束成形技術的靈活性使系統更高效的利用頻譜，并提升系統容量。通過減少干擾和噪聲的影響，提升信號質量，提高傳輸效率，擴大系統容量。例如，在人口密集的室內環境中，多用戶設備同時工作可能會導致信號干擾和噪聲問題，影響系統的傳輸效率和容量，自適應波束成形技術能夠實時調整波束參數，以適應環境和信號特征，減少干擾和噪聲，提高信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR），從而提高系統的傳輸效率，擴大系統的容量。

此外，自適應波束成形技術具有靈活調整和適應性強的特點，能夠根據具體環境和需求實時調整，以滿足各種場景和應用需求，從而提升系統的適應性和靈活性。例如，在室內環境中，通過應用不同的波束形成算法和調整參數設置，可以提升系統性能，擴大覆蓋范圍，增強系統的適應性和靈活性[2]。

3 自適應波束成形技術在室內分布系統中的應用

3.1 系統架構設計

構建5G 室內分布系統框架時，必須全面考慮眾多關鍵因素，如室內環境、客戶需求、經費預算以及能源效率等問題。當應用自適應波束成形技術時，典型的系統架構涉及基站和用戶設備2 大部分。基站設備由多個天線部件和波束成形單元構成，主要職責是發送和接收無線電信號，并執行波束成形操作。終端設備配備一些天線組件，作用是接收和發送信號。雙方通過信道進行互動，基站端根據接收的信號信息實時修改波束參數，從而優化信號傳輸質量和覆蓋范圍。此外，為增強系統功能，可以添加一些輔助設備，如中繼器和信號放大器等，以擴大系統的覆蓋范圍，增強系統的承載能力。不同系統組件的參數比較如表2所示。

表2 不同系統組件的參數比較

3.2 自適應波束成形算法在室內分布系統中的具體應用

在室內無線網絡的應用中，自適應波束成形技術主要涉及波束形成和波束追蹤2 個步驟。在波束形成階段，算法調整天線單元的相位和強度，形成主要波束，使目標信號在主要波束方向上吸收最大能量，同時減少干擾信號和多徑效應。例如，根據實際接收信號與預期信號的差異，系統使用LMS 算法實時調整天線相位和強度，以最小化誤差，形成最佳波束；RLS 算法在波束形成階段的優化效果顯著，但計算復雜度較高[3]。

在波束追蹤階段，算法實時跟蹤信號傳播狀態和環境變化，靈活調整波束參數，以應對信道變化和動態場景。例如，在人口密集區域，多徑效應和信號衰減更為突出，因此需要更精細的波束追蹤技術。這些算法可以根據信號波動特征和環境變化連續調整波束參數，確保信號穩定傳輸和高質量接收。

在封閉空間內，基站與用戶設備通信時受到多徑效應的影響，導致信號質量下降。通過應用自適應波束成形算法，系統能夠實時調整波束形狀和方向，使接收到的目標信號能量最大化。例如，根據實際接收信號與預期信號之間的差異，系統使用LMS 算法實時調整天線部件的相位和強度，以最小化誤差，從而提高信號接收質量；利用RLS 算法，系統可以更靈活地適應信道變化，使波束形成更加有效。

3.3 成形波束性能評估及優化方法

對波束成形技術進行精確評估對于構建5G 室內分布網絡至關重要，評估過程主要包括對信號覆蓋范圍、信噪比、誤碼率等多個關鍵指標的考量。評估室內系統有效覆蓋區域通常采用覆蓋率或覆蓋面積作為指標，也稱為確定信號覆蓋域。例如，可以通過模擬實驗或現場測試來評估不同波束形成策略下的信號覆蓋范圍，以確定最優的波束形狀和指向[4]。

通常使用SNR 度量信號品質，它是衡量信號傳輸質量的核心指標，反映有用信號與周圍噪聲的強度比。SNR 值越高，傳輸過程中的信號質量越好。例如，在同樣的工業場景下，一種波束形成策略可能通過最小化多徑效應和抑制干擾來提高信號的SNR，從而增強傳感器節點之間的通信連接和數據傳輸的可靠性。而另一種波束形成策略可能無法有效地應對環境中的干擾和噪聲，導致信號質量較差，傳感器節點之間的通信可能會出現中斷或數據丟失等問題。

誤碼率（Bit Error Ratio，BER）是評估數字通信系統性能的關鍵指標，表示數據傳輸過程中錯誤的可能性。通常情況下，如果傳輸錯誤率降低，系統的傳輸質量可能會提高。例如，通過模擬測試或實地測試來衡量各種波束形成算法和參數設置下的誤碼率，以找到最佳的波束形成策略[5]。

為優化成形波束，可以采用多種策略。一種方法是增加天線單元的數量或調整天線結構布局，以優化波束的形態和指向。這種改變有助于擴大信號覆蓋范圍，并增強接收端的性能。例如，在模擬評估過程中，通過比較不同天線陣列設計來觀察信號覆蓋范圍和接收性能，以確定最佳的天線配置方案。另一種方法是采用改進的波束形成算法和參數調整，通過調整自適應波束成形算法的參數，如學習步長和迭代次數，提高波束形成的效果和準確性。

4 結 論

文章深入探討了自適應波束成形技術在5G 室內分布系統中的重要性及應用，并提出該技術在實際應用中的系統架構設計、算法實施及性能評估和優化方法。在構建和應用5G 室內網絡覆蓋時，自適應波束成形技術作為一項關鍵技術成功地應對室內復雜環境帶來的挑戰。它不僅可以提升信號質量，擴大服務范圍，還可以提高頻譜利用率。其靈活性和可調性使其能夠適應各種環境和需求，確保提供可靠高效的通信服務。正是這些特點為5G 技術在室內的推廣和提升奠定了堅實基礎。