大規模天線在5G中的應用與挑戰

◆王 輝

（廣東省電信規劃設計院有限公司 廣東 510630）

隨著科技的發展，目前移動通信技術從語音業務，逐漸變為現在的4G高速寬帶業務，尤其隨著智能終端的推廣以及4G無線網絡的普及，加快了移動互聯網業務的發展。未來還會出現移動物聯網、車聯網、虛擬現實等。在這種背景下，5G移動通信網絡得到了研發，促進了移動互聯網進一步的發展。本文對5G移動通信技術應用大規模天線面臨的困難，以及相關的問題進行了分析。

1 5G移動通信網絡發展的必要性分析

所謂的 5G，一般是指第五代移動通信系統，是在繼第一代移動通信技術和第二、第三代移動通信技術和目前第四代移動互聯網以后，發展起來的新的移動通信技術。和4G移動通信技術相比，5G通信技術本身具有許多的性質和特點，它具有網速快、存儲能量大和移動性強等特點。大家關注比較多的地方是網絡的速率角度，因為，每次移動通信技術的更新換代都伴隨著速率的進步，對于5G而言，其所具備的峰值已經提高到了10G，遠遠超過了4G的速率水平。5G移動通信網絡技術的應用性非常強，在大數據發展下，能耗是最小的，可以加快通訊產業發展，促進社會更好的進步。

2 5G移動通信網絡在大規模天線的應用分析

Massive MIMO和傳統MIMO天線系統比較，最大的差異就是所具備的波束賦形技術。對于常規的通信方法而言，主要是通過某一個基站利用其中一個或者多個天線實現和手機天線之間的電磁波輸送；而波束成形技術的自身原理是：某一個基站具有許多根天線，可以實現對來自不同方位的信號進行位置上的調節，從而實現在手機中的疊形交叉的模式，達到增強信號強度的目的。5G大規模天線技術具有明顯的優勢，與4G移動通信網絡相比，克服了信息頻率不足和能量消耗的弊端，還可以實現無線通信技術的效率性升華。大規模的天線技術對空間資源進行了利用，提高了頻譜效率，而且顯著提升了用戶體驗速率。隨著5G技術的不斷普及，用戶速率需求明顯提高，因此不斷研究大規模天線技術，具有重要的應用價值。MIMO技術原理如圖1所示。

圖1 MIMO技術原理

3 關于大規模天線系統的技術分析

3.1 關于系統的信息獲取分析

由于天線數量在不斷增加，加之用戶數量的不斷提高，在大規模天線運轉的系統中，由于出現數量累積，從而使得費用不斷提高。在大規模天線系統獲取信息的時候，如何減少導頻成本，提升信息獲取精度需要進行深入研究，主要是設計導頻信號，使用先進的通道估計方法。

3.2 系統的信道信息傳輸

5G大規模天線無線傳輸主要方法是信道信息傳輸。在大規模天線無線傳輸過程中。隨著天線和用戶數量的不斷增加，在信息輸送方面就會出現一定的難度，使得信息傳送效率變低。而5G所具備的互異性是保證信息傳送通道順暢的保證，它可以實現多種信息的互換以及辨別，做到不同位置的接收等等，通過判斷和計算相關數據和信息，從而做好信息數據的處理。

3.3 系統的資源配置

如果想要促進網絡中無線資源的利用效率不斷獲得提升，還必須不斷對空間的資源以及相應的功率資源做好進一步的優化，這是做好無線資源管理需要解決的問題。因此設計性能好、復雜程度低的資源分配方法，是天線系統最重要的作用。大規模天線無線傳輸的優化策略，是目前主要研究的問題，也是大家比較關注的問題。通過調查和分析大規模天線系統后，得出的結果是：使用統計空分方法的應用價值非常好。在具體的使用過程中，該方法也會受到一定的影響，主要是因為用戶的分散性。面對這種情況，它可以使用統計空分分簇方法，通過信號的傳送比率，而實現對用戶主體產生影響，促進不同性能的提升。在這種發展形勢下，為了確保大規模天線無線傳輸更加合理，確保分簇方法合理，要對分簇數量做好控制，進行合理計算，從而科學的劃分配置資源。

4 大規模天線技術使用過程中所面臨的困難

就目前而言，雖然大規模天線系統已經推出了很多的應用產品，在具備100MHz帶寬下能夠達到4Gb/s的峰值速率，但時在關于技術成熟以及大規模使用還有一定的距離，需要解決如下相關問題：

（1）天線數量以及陣元的不斷增加，使天線尺寸不斷放大。如果在現有階段的條件下大規模采用無線技術，就會造成無線技術面臨尺寸過大的難題，繼而超出了工程建設的范圍，無論是在系統的安裝方面還是其他的建設方面，對于基站而言，進行建設都是不可行的。因此，大規模天線的使用，必須要采用高頻通信方法，不斷應用毫米波技術；

（2）運用平面波傳播作為基礎信道的方法，根本不符合大規模天線所應有的要求；

（3）大模塊天線系統怎樣迅速精確采集不同終端信號，怎樣把用戶信道信息準確傳遞到每一根天線，怎樣降低采集終端信號而耗費的反饋成本呢？現在普遍使用的 FDD（頻分雙工）系統，上下行信道沒有互易性，因此怎樣研究適合 FDD 系統的導頻設計和信道估計，是目前大規模天線發展以及應用非常重要的問題；

（4）采用大規模天線波束賦形相關算法的技術，一般而言就是運用矩陣的求逆運算。因為隨著天線數量的增加和用戶群體的不斷加大，使用這種算法會使硬件不能實時進行波束賦形，不能隨時響應比較高頻的業務。所以，選擇適合的調度算法，降低系統計算復雜程度，解決目前多用戶傳輸的資源分配問題，是解決大規模天線使用障礙的重要問題，需要進一步研究。

5 結束語

目前，5G通信網絡技術是當前通信領域新的研究方向。5G通信運用大規模天線技術是社會發展的重要趨勢，是目前先進技術的發展要求。本文分析了5G移動通信網絡技術的必要性，以及5G移動通信技術應用大規模天線技術的意義，在使用過程中面臨的困難和挑戰。相信隨著技術的不斷發展，以及研究過程的深入，大規模天線和5G技術的應用會越來越廣泛，并且取得更大的發展。