◆曾偉鋒

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 510630）

無線通信與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)安全

5G移動(dòng)通信天線的研究與設(shè)計(jì)

◆曾偉鋒

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 510630）

在科學(xué)技術(shù)日新月異的二十一世紀(jì)，技術(shù)更新?lián)Q代速度之快已經(jīng)超乎我們的想象。本文結(jié)合了國(guó)內(nèi)和國(guó)外移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在已經(jīng)取得的成果的基礎(chǔ)之上，來具體介紹一下5G移動(dòng)通信天線的研究與設(shè)計(jì)。

5G；移動(dòng)通信技術(shù)；天線；研究設(shè)計(jì)

0 前言

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）是面向2020年以后的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，根據(jù)移動(dòng)通信的發(fā)展規(guī)律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效[1]。第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)將在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（fourth-generation，4G）的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步提升無線移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線傳輸技術(shù)等。挖掘無限空間維度資源，提高功率效率的有效性和頻譜效率的基本途徑是運(yùn)用多天線發(fā)送和多天線接收（multiple-input multiple-output，MIMO）技術(shù)[2]。

1 5G的概念和應(yīng)用簡(jiǎn)介

從IG模擬技術(shù)到4G技術(shù)的長(zhǎng)期演變，現(xiàn)在移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)被世界上超過三分之二的人口使用，并且已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)重要組成部分。目前大規(guī)模推廣的技術(shù)是 4G，所以相對(duì)來說，5G技術(shù)對(duì)大眾來說還很陌生。正因如此，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界目前還沒有給5G一個(gè)確切的定義。現(xiàn)在對(duì)5G的初步定義是傳輸速率達(dá)到 10Cb/s的下一代移動(dòng)通信技術(shù)[2]。著名的《時(shí)代》周刊也采用了這一說法。

歐盟有關(guān)5G技術(shù)研發(fā)的METIS項(xiàng)目指出，5G通過無線技術(shù)來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的以技術(shù)為中心的智能化自主網(wǎng)絡(luò)不同，它是以用戶的體驗(yàn)為中心。

韓國(guó)的信息技術(shù)融合研究認(rèn)為，無線傳輸容量大、低功率化、萬物互聯(lián)是未來的5G技術(shù)必須要達(dá)到的幾個(gè)條件，韓國(guó)也把這作為韓國(guó)5G技術(shù)發(fā)展的主攻方向。我國(guó)的863計(jì)劃中5G技術(shù)的組長(zhǎng)尤肖虎的觀點(diǎn)是，5G技術(shù)會(huì)和3G、4G移動(dòng)通信技術(shù)相互結(jié)合，形成新一代的移動(dòng)信息網(wǎng)，以此來滿足大眾未來的流量需求。

總而言之，5G技術(shù)就是面向大眾業(yè)務(wù)娛樂需求的新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，能夠極大地提升通信系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要技術(shù)。

2 大規(guī)模天線系統(tǒng)研究簡(jiǎn)介

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能評(píng)估的基礎(chǔ)是對(duì)信道容量的分析。許多學(xué)者和研究者根據(jù) MIMO多天線技術(shù)發(fā)展了一種新的理論，就是隨機(jī)矩形理論。包含Wishart記性以及特征值的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)，自由概率理論等方法。在理想情況之下，這些研究方法同樣對(duì)大規(guī)模天線系統(tǒng)的容量分具有重要作用，但是并不完全適用，還有一些更具有挑戰(zhàn)性的問題。

（1）隨著天線數(shù)量和用戶數(shù)量的增加，如何獲取信道信息是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的難點(diǎn)問題。所以，對(duì)導(dǎo)頻資源限制下的信息理論的進(jìn)一步研究是必不可少的一步。

（2）大規(guī)模MIMO為蜂窩移動(dòng)通信提出了一些更具挑戰(zhàn)性的難題，也就是多用戶多小區(qū)的蜂窩移動(dòng)通信的最大化的問題。在多小區(qū)多用戶容量的分析基礎(chǔ)上，對(duì)用戶分布和基站節(jié)點(diǎn)的分布作進(jìn)一步的考慮，然后再對(duì)整個(gè)的蜂窩系統(tǒng)做詳細(xì)的容量評(píng)估，這對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行蜂窩系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

3 對(duì)天線陣列的設(shè)計(jì)與研究

天線的基本特征是在同一時(shí)刻資源的配置上，采用了大規(guī)模的列陣天線配置所形成的空間方式。大大提升了資源的復(fù)用能力和用戶的使用效率。提高了傳輸效率。

3.1 分布式天線系統(tǒng)

挖掘空間維度資源的一種途徑是分布式天線系統(tǒng)。在不同的地理位置中配備多天線的節(jié)點(diǎn)，在分布式天線中，通過高速回程處理單元，協(xié)作完成與多個(gè)單個(gè)移動(dòng)通信終端的通信。通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)助，獲得MIMO的3種效益。但是，受限于目前的標(biāo)準(zhǔn)，MIMO的性能將會(huì)受到極大的限制。

為了應(yīng)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量日益增大的趨勢(shì)，突破現(xiàn)在的蜂窩式系統(tǒng)的限制，學(xué)者和研究者提出了在有熱點(diǎn)覆蓋的范圍大量增加小區(qū)個(gè)數(shù)或者協(xié)助節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)的方法。也可以以大規(guī)模陣列天線替代現(xiàn)在已有的多天線，通過這種方式來形成大規(guī)模的無線通信環(huán)境。大規(guī)模天線的基本特征是在信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，配置數(shù)百根以上的天線，這比4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的天線數(shù)量增加了一倍以上。這些天線不僅分布在小區(qū)里，而且還可以以大規(guī)模天線陣列的方式來集中放置。隨著分布式節(jié)點(diǎn)總天線數(shù)目的日益增加，信道間的信號(hào)也將趨于正相交，Gauss的噪聲和一些不相關(guān)的小區(qū)干擾將會(huì)逐漸消失。用戶的使用容量?jī)H僅受限制于其它小區(qū)相同導(dǎo)頻序列的用戶的干擾。

3.2 對(duì)移動(dòng)通信天線的進(jìn)一步探究方向

目前，大量的學(xué)者和研究者已經(jīng)對(duì)移動(dòng)天線進(jìn)行了研究，未來的研發(fā)方向是非理想信道信息。當(dāng)存在導(dǎo)頻污染情況的時(shí)候，對(duì)迫零（zero forcing,ZF ）以及正則迫零（regular ZF，RZF）預(yù)編碼進(jìn)行深入的研究是正確的解決途徑。除此之外，對(duì)時(shí)分雙工，上下行不互相交換對(duì)系統(tǒng)的影響還需要做進(jìn)一步的深入研究?？紤]非理想信息信道，當(dāng)存在節(jié)點(diǎn)協(xié)作的時(shí)候，對(duì)系統(tǒng)頻譜效率的漸進(jìn)線分析也是另外一個(gè)很有難度的探究方向。

4 大規(guī)模天線系統(tǒng)的信息獲取途徑

隨著天線個(gè)數(shù)的增加和用戶數(shù)的增加，在大規(guī)模的天線系統(tǒng)中。對(duì)于上行的鏈路，應(yīng)用正交導(dǎo)頻，導(dǎo)頻的費(fèi)用也隨著總天線數(shù)量的增加而增加。對(duì)時(shí)分雙工系統(tǒng)來說，少了上下行的信道交互性，是對(duì)大規(guī)模天線的主要障礙。

從大的方面說，在獲取大規(guī)模天線系統(tǒng)的信息的時(shí)候，降低導(dǎo)頻的開銷，提升信息獲取的精確度需要進(jìn)一步的深入研究。包括對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用先進(jìn)的信道估計(jì)方法等。另一方面，對(duì)TDD系統(tǒng)來說，盡管空中的信道滿足上下行的交互性，但是上下行的整體信息是沒有互易性質(zhì)的，所以，對(duì)于TDD大規(guī)模天線系統(tǒng)具有至關(guān)重要的一步是校準(zhǔn)互易性。

5 天線系統(tǒng)的資源分配問題

為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)中的無線資源的利用效率，還需要進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)間空間資源和功率資源，這是無線資源管理中所要面臨的新的挑戰(zhàn)。所以設(shè)計(jì)出具有高性能和低復(fù)雜度的資源分配對(duì)于天線系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用。

6 結(jié)語

本文就大規(guī)模天線的無線傳輸技術(shù)與理論展開了詳細(xì)論述，包括信道信息的獲取技術(shù)和對(duì)頻譜效率的分析。另外，本文提出了在研究移動(dòng)通信中有關(guān)天線研究的問題的時(shí)候，還給出了這一問題的難點(diǎn)和研究的方向。盡管已經(jīng)取得了不小的成績(jī)，但是我們還是應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到，對(duì)于5G技術(shù)的研究還有很多工程問題和科學(xué)問題等著我們?nèi)ヌ剿?，去解決。

[1]高峰，和凱，宋智源，朱文濤，王麗芳，高鵬.5G大規(guī)模耦合陣列天線研究[J].電信科學(xué)，2015.

[2]尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，鄔賀銓.5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué):信息科學(xué)，2014.

[3]王東明，張余，魏浩，尤肖虎，高西奇，王江舟.面向5G的大規(guī)模天線無線傳輸理論與技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2016.

[4]董愛先，王學(xué)軍.第 5代移動(dòng)通信技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].通信技術(shù)，2014.