5G大规模天线无线传输技术的分析

孙健

【摘要】    依托5G商用情况以及5G相关标准规范，在本文当中则采取文献法、综合分析法等方法，对大规模天线技术进行探讨分析，探索了大规模天线无线传输技术的基本原理、理论基础、需要解决的一些关键技术问题，以求为5G无线传输网络的部署提供一些参考。

【关键词】    5G    大规模天线    无线传输技术

引言：

移动数据业务增加，第四代移动通信系统即4G已经难以满足移动通信业务增长的需求，5G作为下一代移动通信系统，实现它的根本目的是满足日益增长的移动数据业务，由于与传统移动业务不同，5G必须要在网络系统结构、组网技术、无线传输技术等方面进行变革，从根本上解决移动通信频谱和功率有效性问题，大规模天线技术是挖掘无线传输技术空间维度资源、提高频谱效率和功率效率的基本技术路径，近几十年来大规模天线技术一直是移动通信领域的研究重点。

一、大规模天线无线传输技术概述

从当前5G相关技术的研究成果来看，5G网络本质是一个多频段、多网络、多制式混合通信网络，对性能提出了非常高的要求，既有两个数量级以上的速率提升要求，也有能量效率、频谱效率、功率效率、可靠性、性价比等提升要求，为了满足5G通信网络的要求，很多研究成果中提出了异构网、多网互联、绿色基站等新的概念。

大规模天线无线传输技术，作为移动通信领域非常关键的技术，一直被研究，出现了很多的技术成果，在5G当中大规模天线无线传输技术是非常关键的技术之一，是利用额外的天线将能量集中于更小的空间区域，实现吞吐量、敷设能量效率的大幅提升，并获得更低的延时和更好的鲁棒性。在4G中大规模天线技术就有应用，但从技术水平上来说，4G所用大规模天线并不能满足5G的要求，对于5G而言，大规模天线的实际应用还需要解决很多技术难题，如信道测量与建模、阵列设计与校准、码本及反馈机制、天线规模尺寸等。

二、大规模天线无线传输技术探索

2.1大规模天线无线传输技术基本理论

按照相关研究成果来看，大规模天线技术的理论基础在于两点。其一，基站测天线数量大于用户侧天线数量时，基站到用户的信道趋近正交。其二，用户间干扰趋近消失，巨大天线阵列增益可提升用户信噪比，在相同时频资源下共同调度更多用户。

大规模天线技术依赖基站所有天线的相位相干和计算简化信息处理，由于目前5G的技术路线是从4G演进，因而对比4G的大规模天线技术具有代表性。在5G的大规模天线无线传输技术中，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复用影响。大量天线组成阵列，辐射能量基于波的相干叠加性，实现集中辐射小空间，实现信号增强。天线阵列对信号进行“赋性”操作，基站端保证所有波前端叠加并共同辐射至期望UE，而不是广域辐射。

大规模天线直白讲就是大量增加天线数目，一个天线阵列可能包含数千根天线，是当前大规模天线的数倍，而UE侧天线数量显著低于基站侧天线。对此基站用同一个视频资源服务若干UE，实现空间自由，从增强信号，提高频谱利用率、传输稳定性与可靠性。

5G大规模天线基于波束成型技术，基站侧可调节各天线发射信号相位，在UE侧形成电磁波叠加，进而实现信号增强，同时对波束进行专门的调制，以空间信号隔离来实现同频谱资源上同步传输几十条信号。

2.2大规模天线传输技术之信道问题

大规模天线信道容量等同于多个正交并行子信道，可参考相应的计算模型进行空间信道分析处理。当然基于当前技术应用形式，主要利用控制单元发送或接收信号的幅度与相位来产生窄波束，若均匀间距的扁平天线阵列使用20GHz频段，阵元间距设置波长的一半（即7.5mm），则需要在一个12cm2区域当中安装256根天线。在10GHz频段，100根天线可实现490m的传输距离，但要在20GHz频段达到这一传输距离则需要400个天线单元。具体而言，目前大规模天线传输技术最主要的瓶颈在于成本，因為要达到波束形成增益效果，必须增加天线数量。在沿用LTE系统的MAC+PHY结构下，大规模天线传输技术中，由于天线阵列大幅增加，需要扩展二维/曲面或三维阵列，即形成球形天线，或是一个面板型天线阵列，或者是中移动提出的“和”这种异形天线。由于天线数量增加，天线外形尺寸必然增大，平面波方式的信道建模会出现近场偏差增大问题。从大部分厂家生产的样机实测中发现，考虑公共信号覆盖，在典型场景中，8天线、大规模天线对2天线覆盖增益效果并不明显，波束形成甚至带来公共信道覆盖稳定性差的问题。二以后业务信道吞吐可能以覆盖为标准。

在上行正交导频中，导频开销随参与空间复用传输的UE天线个数线性增加，而下行导频开销则随基站侧天线数量线性增加。发送端已知下行链路信道信息是实现下行多用户编码，多天线空间复用的关键点，而在基站侧天线数量远大于UE侧时，下行信道信息获取成为大规模天线无线传输技术的瓶颈，如果TDD系统可利用空中信道上下行互易性来实现预编码，减少下行导频开销。FDD系统则缺乏互易性，是5G大规模天线需要解决的主要障碍之一。

对于导频，4G标准中已经使用了TDM、FDM、CDM等导频，这些导频的干扰小，但开销大。由于5G需要多小区间超密集基站组网，则用户及天线数增加，开销更大，因此一些研究中提出非正交导频设计来解决开销大的问题。

信道估计方面，大规模天线稀疏特性便于使用先进信号处理算法来提升信道估计的性能、精度。参数化模型是较为理想的稀疏信道建模。在参数化模型中，子空间方式是比较常用的一种，相关研究以及实践中利用到达角估计提升精度，此为典型子空间方式。而压缩感知方式则是另外一种方法，可保证以较小导频开销，获得好的信道估计性能，基于Bayes匹配追踪法是典型的代表。

2.3大规模天线无线传输技术之传输问题

多用户接入信道和多用户广播信道信息理论是大规模天线传输设计的理论基础。理论上，最多用户检测可实现多用户接入信道的可达容量。无纸编码则可实现多用户广播信道可达容量。但是在大规模天线无线传输系统中却很难达到最优传输效果。理论上，研究指出当天线数据趋于无限，下行使用MRT，上行接收使用最大比合并，可获得逼近容量的性能。但是实际实现能力有限，天线规模暂时无法无穷大，采用RZF或MMSE，需要复杂的求逆运算，用户数多复杂度将非常高。

目前理论上的解决方案包括利用本地复杂度的矩阵求逆或是利用信道稀疏特性或统计特性降低复杂度。实际上由于上下行链路具备对偶性，多数情况下上下行传输可相互借鉴，或联合设计，如矩阵求逆，多项式展开预编码和多项式展开迭代接收可实现简化。

假设发送端已知信道信息，此情况下，信息传输的本质是发送端多用户信号设计，最优多用户接入信道或广播信道信息理论方法拓展至大规模天线无线传输系统，进行不同准则下的最优传输设计，是目前需要解决的关键。信道信息获取和空分復用复杂程度高等问题的限制下，目前可对服务用户分组，每组具有相似发送举证，第一级预编码准静态地服务每组用户。针对空间维度等效信道，使用简化信道反馈与二级预编码。

由于传统天线系统是UE检测基站发出的导频，并预估信道从而反馈给基站用以定位UE。在大规模天线无线传输技术当中不适合采用这种方式，根本原因是天线数量增多，UE需要向基站反馈信息就需要占据大量链路资源，显然得不偿失。如此就需要在不同小区进行空间复用，而复用必定产生干扰，理论上导频干扰是大规模天线无线传输的障碍之一，由于波束形成算法问题，矩阵求逆并不是特别适合大规模天线，按照现有计算机硬件来说，不可能利用矩阵求逆算法来完成对波束形成的相关计算。因此可参考准静态交叠分簇方法，该方法是将系统所有接入点分为互不相交的簇，分簇方法不同可得到多个分簇图案，不同图案存在交叠，如此每一簇中的用户或接入点均使用相同时频资源，而不同的分簇则在时频资源上正交，配合功率分配，可提升小区吞吐量与边界用户的吞吐量。

2.4大规模天线无线传输技术之应用

目前大规模天线可集中部署也可分布部署两种模式。集中部署中，5G无线网络中大规模天线传输技术主要应用与城区覆盖、郊区覆盖、无线回传、局部热点等几种场景，其中城区覆盖主要分宏覆盖和微覆盖两种，前者以广域覆盖形式，囊括城区，而后者则主要是小区覆盖，如高层建筑。无线回传主要解决基站间的数据传输，特别是宏基站和微基站之间的传输。

分布部署考虑天线尺寸实际暗转等方面的问题，考虑天线之间的协作和信令传输，分布部署将大规模天线氛围若干模块，每个模块以天线阵列为单元，分别部署，但集中进行处理，分布式部署具备集中部署的优势，也能够简化部署、降低天线部署成本。当分布部署与超密集虚拟化组网结合，能够进一步扩大性能增益。

目前相关厂家的实际测试已经证明了大规模天线传输技术在5G组网当中所具备的优势，但是要实际应用还需要解决很多技术难题，并且要降低成本，以获得最优性价比，如此才是实现大规模商用的关键。

三、结束语

综上所述，5G大规模天线无线传输技术目前已经具备一定的实用价值，但是成本比较高，而且尚存在一些技术难点需要解决，因此还需要对大规模天线相关技术进行进一步研究分析，现有测试以及实际应用仅揭示大规模天线无线传输技术的可行性与优势，真正要实现商用，依然任重道远。

参  考  文  献

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