5G天線新技術的應用與研究

王科 楊宗林 袁滿

摘 要：針對5G技術發展的趨勢，總結了未來天線的技術特點，介紹了大規模天線、超密集組網、全頻譜接入等核心技術，總結了這些主要技術今后的應用和發展方向。

關鍵詞：5G 大規模天線；超密集組網；全頻譜接入

1 引言

天線作為通信設備電路信號與空間輻射電磁波的轉換器，是空間無線通信的橋梁，其特性直接影響無線網絡的性能。隨著5G時代的到來，移動通信網絡對基站天線的性能提出了更高的要求。

針對站址資源的稀缺、多系統共站、共天線的問題，需要對基站天線進行寬帶化演進?；咎炀€的關鍵技術也在不斷創新和發展，從單極化到雙極化、從機械下傾到電調下傾、從單頻段到多頻段，從窄帶到寬帶甚至超寬帶，從體積笨重高大到小型化。同時，集成化、超密集組網、多載波等新型技術也被不斷提出[1]。綜合分析多頻化、小型化、隱形化、集成化和高品質等趨勢是下一代基站天線研究的重點。

2 5G天線技術發展方向

移動互聯網和物聯網作為未來通信發展的兩大主要驅動力，為5G提供了廣闊的應用前景。面向未來數據流量的大幅增長，5G系統將會構建在以大規模天線、超密集組網、全頻譜接入為核心的技術體系之上，全面滿足未來技術需求。

2.1 大規模天線技術及應用

（1）大規模天線應用場景

大規模天線技術的潛在應用場景主要包括：宏覆蓋、高層建筑、異構網絡、室內外熱點以及無線回傳鏈路等。此外，以分布式天線構建大規模天線系統也可能成為該技術的應用場景之一。圖1為大規模天線應用場景圖。

伴隨著基站天線個數以及空分用戶量的大幅增長，信道信息獲取成為系統實現的瓶頸。Massive MIMO，又稱為large-scale MIMO，就是在基站端安裝幾百根天線（128根、256根或者更多），從而實現幾百個天線同時發數據。Massive MIMO的信道在角度域和時延域存在稀疏性，將采取參數化模型來對這種稀疏信道建模，采用參數化信道估計和壓縮感知方法大幅提高信道估計的精度[2]。

（2）大規模天線技術應用

1）傳輸與檢測。大規模天線的性能主要是通過大量天線陣元形成的多用戶信道間的準正交特性保證的。為了獲得穩定的多用戶傳輸增益，需要依賴下行發送與上行接收算法的設計來有效地抑制用戶間和小區間的同道干擾。Kronecker水平垂直分離算法、數?；旌喜ㄊx形、分級波束賦形等技術可以較為有效地降低大規模天線系統計算復雜度[3]。

2）一體化設計。大規模天線前端系統從結構上可分為數字陣和數?；旌详噧纱箢?。出于復雜度、功耗和成本的考慮，數?；旌系年嚵屑軜嬙诟哳l段將具有很大的應用潛力。大規模有源陣列天線的構架、高效、高可靠、小型化、低成本、模塊化收發組件、高精度檢測與校準方案等關鍵技術將直接影響到實際應用環境中的性能與效率。

Massive MIMO系統中想要實現高度集成，必須綜合考慮有源模塊收、發端口與天線端口的特性，結合動態波束權值優化天線設計；還要綜合考慮電氣指標、結構參數、環境影響等實際因素，實現最佳設計。

2.2 超密集組網及應用

超密集組網將是未來移動數據流量需求的主要技術手段，其通過更加密集化的無線網絡部署，獲得更高的頻率復用效率，從而在局部熱點區域實現百倍量級的容量提升[4，5]。

為了滿足應用場景的需求和技術挑戰，接入和回傳聯合設計、干擾管理和抑制、小區虛擬化技術是超密集組網的重要研究方向。

1）接入和回傳聯合設計。接入和回傳聯合設計包括混合分層回傳、多跳多路徑回傳、自回傳技術和靈活回傳技術等。

混合分層回傳是在架構中將不同基站分層，宏基站以及其它有線回傳資源的小基站屬于一級回傳層，二級回傳層的小基站以一跳形式與一級回傳層基站相連接，將有線回傳與無線回傳相結合，提供一種輕快、即插即用的超密集小區組網形式。

多跳多路徑回傳可給系統容量帶來明顯的增益。

自回傳技術包括接入鏈路和回傳鏈路的聯合優化以及回傳鏈路的聯合優化方面，通過兩者之間自適應的調整資源分配可提高資源的使用效率。

靈活回傳技術能夠以較低的部署和運營成本滿足網絡的端到端業務質量要求。

2）干擾管理和抑制策略。超密集組網可以有效的提升系統的容量，但也帶來了嚴重的干擾問題。干擾管理和抑制策略是以分簇的多小區進行頻率協調，按照整體干擾性能最優的原則，對密集小基站進行頻率資源的劃分，相同頻率的小站為一簇，簇間用異頻，可較好地提升邊緣用戶體驗。

3）小區虛擬化技術。小區虛擬化技術包括虛擬層技術和軟扇區技術。虛擬層技術由密集部署的小基站構建虛擬層和實體層網絡，其中虛擬層承載廣播、尋呼等控制信令，負責移動性管理；實體層承載數據傳輸，用戶在同一虛擬層內移動時，不會發生小區重選或切換，從而實現用戶的輕快體驗，如圖3所示。

軟扇區技術由集中式設備通過波束賦形形成多個軟扇區，可以降低大量站址、設備、傳輸帶來的成本；同時提供虛擬軟扇區和物理小區間統一的管理優化平臺，降低運營商維護的復雜度，是一種易部署、易維護的輕型解決方案，如圖4所示。

2.3 全頻譜接入技術

全頻譜接入指的是6GHz以下的低頻段和6GHz以上的高頻段，其中低頻段是5G的核心頻段，用于無縫覆蓋；高頻段作為輔助頻段，用于熱點區域的速率提升。全頻譜接入采用低頻和高頻混合組網，充分挖掘低頻和高頻的優勢，滿足信號無縫覆蓋、高速率、大容量等需求[6]。

考慮到高頻段傳播特性與6G以下低頻段有明顯不同，高頻在移動條件下，易受到障礙物、反射物、散射體以及大氣吸收等環境因素的影響，高頻信道與傳統蜂窩頻段相比有傳播損耗大、信道變化快、繞射能力差等因素，因此需要對高頻信道測量與建模、高頻新空口、組網技術以及器件等內容做深入研究，圖5為高頻通信關鍵技術示意圖。

3 結束語

5G天線核心技術主要包括大規模天線、超密集組網、全頻譜接入等，隨著天線需求的不斷提高和未來形勢的需求，基站天線的有源化、小型化和集成化成為發展及創新的必然趨勢，這對提升移動網絡的系統容量、網絡性能、頻譜效率、空間復用度、降低運維成本、降低能耗損具有重要作用。

參考文獻

[1] 趙魯豫 陳奧博 劉樂.5G新體制天線技術研究[J].電信技術， 2017，（11）117-120

[2] 王波 梅曉莉.淺析5G移動通信關鍵技術[J].卷宗，2015，（4）292

[3] 黎迪鴻.5G移動通信的關鍵技術及其發展展望[J].信息通信，2017， （2）242-243

[4] 劉平.5G移動通信關鍵技術及發展趨勢分析[J].中國新技術新產品，2016，（18） 27-28

[5] 方汝儀.5G移動通信網絡關鍵技術及分析[J].信息技術，2017，（1） 142-145

[6] 張林旺 劉思宇 包峻名.5G移動通信網絡關鍵技術要點分析[J].中國新通信， 2017 （10），19

作者簡介

王科，碩士 現工作于中國聯通山東省分公司網絡優化中心，高級工程師。

楊宗林，碩士 現工作于中國聯通濟南市分公司網絡優化中心，工程師。

袁滿，學士 現工作于中國聯通山東省分公司網絡優化中心，工程師。