5G通信大規(guī)模天線無線傳輸技術分析

摘要：在5G移動通信網(wǎng)絡中，大規(guī)模天線無線傳輸技術具有高吞吐量、抗干擾性強、可靠性高等優(yōu)點，對于5G標準的制定和構(gòu)建起到了重要的推動作用。本文針對大規(guī)模天線無線傳輸技術在5G通信中的具體運用展開探討，介紹了大規(guī)模天線無線傳輸概念及原理，并深入研究了5G通信場景下的大規(guī)模天線無線傳輸關鍵技術，包括導頻技術、信道估計、預編碼和功率控制。同時，針對導頻污染問題，提出了針對性的解決方法，旨在為大規(guī)模天線無線傳輸技術的發(fā)展提供參考。

關鍵詞：5G通信；大規(guī)模天線；無線傳輸；傳輸技術

一、引言

隨著科技的進步，移動通信技術迅速發(fā)展，5G技術已經(jīng)開始商用，推動了通信行業(yè)的技術革命。雖然國內(nèi)5G通信的網(wǎng)絡部署已經(jīng)取得了很大進展，但總體而言，5G通信技術還沒有實現(xiàn)真正的普及，其發(fā)展還處于起步階段^[1]。大規(guī)模天線無線傳輸技術是5G通信技術的關鍵組成部分，加強其研究可以為5G網(wǎng)絡中的通信技術發(fā)展提供更多的可能性，有效提升5G通信效率，對于推動我國移動通信領域的發(fā)展來具有重要意義。

二、大規(guī)模天線無線傳輸

頻譜效率是5G網(wǎng)絡通信中關鍵環(huán)節(jié)，同時也是評估5G網(wǎng)絡中信息傳輸穩(wěn)定性的關鍵指標^[2]。5G通信系統(tǒng)中的頻譜效率較低會導致頻率波動，從而對信號接收造成干擾，影響5G網(wǎng)絡通信的穩(wěn)定性。因此，提高5G的頻譜效率至關重要。大規(guī)模天線無線傳輸技術是目前國際上公認的、解決該問題的最為有效的手段^[3]。

Massive MIMO即大規(guī)模多入多出天線無線傳輸技術（MIMO），是指在基站中安裝數(shù)百個天線，通過多輸入多輸出系統(tǒng)來增加信號傳輸速度，從而獲得顯著增益^[4]。大規(guī)模MIMO的關鍵在于增加MIMO基站數(shù)量，其基本原理見圖1。大規(guī)模MIMO具有良好的擴展性，可以顯著擴大通信網(wǎng)絡容量，其擴大的網(wǎng)絡容量與經(jīng)典香農(nóng)理論存在一定差異^[5]：

①大規(guī)模MIMO模式下，節(jié)點只需明確下行鏈路的信道狀態(tài)。

②基站天線數(shù)量通常是終端用戶數(shù)量的幾倍甚至幾十倍。

③上行鏈路中通過線性接收及預編碼技術。隨著基站天線數(shù)目的增加，線性接收及預編碼技術的效能可趨近于香農(nóng)極限。

與常規(guī)天線無線傳輸技術相比，大規(guī)模MIMO在物理性質(zhì)、系統(tǒng)性能上都有著無可替代的優(yōu)越性。首先，在大規(guī)模設置天線的情況下，多個用戶間的傳輸將會出現(xiàn)遞增的正交化特征，使得多個用戶間的相互影響得到最小化或完全抑制，進而極大地提升了多個用戶間的通信能力^[6]。其次，通過增加天線數(shù)目，降低了數(shù)百個不同的信道之間的相互影響，使得信道之間相互獨立，同時衰減的可能性較小。信道獨立可以平均信道塊衰落及熱噪聲，加之信道具有較佳的傳輸條件，使得其抗深度衰減的效率更高，從而減少信號傳輸延遲。然而，在現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡中，為了抵消信道的深度衰減^[7]，需要利用多路信號進行編碼和交織，使得多路信號混疊在多個時間周期中。信號接收者需獲取全部數(shù)據(jù)才能接收信息，導致較大的通信延遲。再次，大規(guī)模天線陣列可以通過將波束能量集中在更小的范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)的空間分辨率，并抑制多個不同類型的系統(tǒng)之間的相互影響。此外，增加天線陣列數(shù)目，通過波束賦形獲得的信號疊置增益，可以降低單條陣列發(fā)射的功耗和射頻前端功耗，減少通信系統(tǒng)的硬件開銷。最后，在大規(guī)模MMO天線無線傳輸系統(tǒng)中，可以通過最大比率發(fā)射和接收等簡單的線性化方法獲得接近最佳的系統(tǒng)效能，從而進一步減少系統(tǒng)架構(gòu)和實施的復雜性。

三、5G通信大規(guī)模天線無線傳輸關鍵技術

（一）導頻技術

在多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，隨著天線數(shù)目的增加，鄰近小區(qū)導頻相同的終端帶來的信號干擾影響最大，被稱為導頻污染^[8]，而導頻污染的根源是使用相同導頻。在大規(guī)模MIMO模式下，理論上所有終端都需要配置正交導頻序列。然而，在實際應用中，由于信道經(jīng)常發(fā)生變化且相干時間較短，無法提供足夠正交導頻序列用于分配。因此，在5G通信的大規(guī)模天線無線傳輸模式下，在不影響現(xiàn)有導頻順序的前提下，需要根據(jù)適當?shù)呐渲梅桨竷?yōu)化導頻配置，以降低使用相同導頻的概率^[9]。目前，導頻偏移、導頻功率控制、部分導頻多路復用和導頻協(xié)調(diào)配置是當前導頻技術研究的熱點。

①導頻偏移：通過重新配置框架中引導信號的放置位置，使得鄰近單元之間的引導信號可以在不同的時間間隔內(nèi)傳輸，以降低引導信號的混雜。

②導頻功率管理：導頻發(fā)射時間間隔分為兩部分，同時錯開交叉增益較大的小區(qū)間的導頻發(fā)射時間間隔，或者減少非目標小區(qū)中的用戶導頻發(fā)射功率^[10]。

③局部導頻復用：第一種方法是通過正交多路傳輸，把一個小區(qū)分成兩個大型一維天線陣列，同一個天線陣列采用相同導頻，不同天線陣列之間采用正交導頻。第二種方法是將小區(qū)網(wǎng)絡分為中心區(qū)和外圍區(qū)，中心區(qū)的無線網(wǎng)絡采用相同導頻，而外圍的無線網(wǎng)絡則采用正交導頻。

④導頻協(xié)調(diào)分配：記錄導頻序列，在需要重新使用該導頻序列時，選擇導頻污染影響（MSE）最小的用戶。上述導頻分配方案優(yōu)缺點分析如表1所示。

（二）信道估計

針對大型多天線MIMO通信系統(tǒng)，常規(guī)的MIMO信道估計方法的準確率往往依賴于發(fā)射端的導頻信息，但由于導頻污染的存在，導致MIMO通信中的目標信道和干擾信道難以區(qū)分^[11]。基于子空間的信道估計方法可以有效減少導頻信號的使用，從而降低導頻污染和信道估計誤差。目前常用的信道估計方法包括盲估計和半盲估計兩種。盲估計的基本原理是對接收信號空間進行合理劃分，實現(xiàn)前提是假設基站天線數(shù)和接收信號數(shù)趨于無窮，且小區(qū)信號接收天線矩陣與其他小區(qū)用戶到基站的信道矩陣無關，但與本小區(qū)內(nèi)終端用戶到基站的信道矩陣線性相關。如果小區(qū)內(nèi)實現(xiàn)正交導頻，就可以避免導頻信號的干擾。然而，現(xiàn)實中基站數(shù)量和接收機數(shù)量是有限的，導致盲估計算法僅適用于理想狀態(tài)下的信道估計。

半盲估計方法的原理是基站通過多個信號估計信道的特征向量，并根據(jù)少量導頻信號進行信號估計。該方法假設基站和不同終端用戶間的信道是正交的，因此終端用戶只需發(fā)出導頻符號就可以避免導頻污染。

（三）預編碼

預編碼方法是根據(jù)基站端估計得到的信道狀態(tài)信息確定下行鏈路預編碼矩陣，同時在下行信號傳輸中使用該預編碼矩陣，從而消除導頻污染。該方法可以進一步分為線性預編碼和非線性預編碼兩種。盡管非線性預編碼效果更好，但算法難度較大，因此，在大規(guī)模MIMO實踐中，常使用線性預編碼方法。常用線性預編碼方法包括迫零預編碼（ZF）和最小均方誤差預編碼（MMSE）。其中，ZF方法需要進行迭代求最優(yōu)解，計算資源開銷較大，而MMSE方法考慮了系統(tǒng)噪聲的影響，具有較好的魯棒性^[12]。

（四）功率控制

在實踐應用中，蜂窩網(wǎng)絡的功率通常是有限的，因此需要進行適當?shù)墓β史峙湟垣@得最理想的系統(tǒng)效能。傳統(tǒng)的大規(guī)模MIMO研究通常假設功率平均分配，但在實踐應用中，合理分配功率是必要和可行的。上行鏈路可以理解為用戶分配發(fā)送功率，此時小區(qū)i基站收到的信號向量表示為：

四、結(jié)束語

綜上所述，5G大規(guī)模天線無線傳輸技術的應用價值日益凸顯。然而，該項技術的實際應用成本較高，還需要進一步完善相關技術以解決瓶頸問題。因此，本文針對MIMO系統(tǒng)中關鍵技術，包括導頻技術、信道估計、信號檢測、預編碼技術和功率控制技術等進行了探討，旨在提高5G大規(guī)模天線無線傳輸技術的可行性，并逐漸實現(xiàn)更大范圍的商用。

作者單位：易斌 廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司福州分公司

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