大規模天線在5G通信中的應用

楊釗 湖北工業職業技術學院 智能工程學院

MIMO（多輸入多輸出）技術是4G網絡技術的核心之一，也是大規模天線技術的基礎。隨著多年研究和發展，隨著5G時代的到來，數據用戶數越來越多，用戶對速率的需求也越來越高，因此對空間領域擴展的需求也越來越大。因為這些原因，人們也越來越關注MIMO技術，對其研究也越發深入，研究熱點也漸漸轉化為如何擴展MIMO系統性能。

1. MIMO技術簡介

為了改善通話質量，提高無線系統的頻譜利用率與傳輸的可靠度，無線信號必須要獲取在空時處理技術時的分集增益或復用增益。為了達到此目的，MIMO技術利用了空間通道的多徑衰弱的性質，并且在發射端和接收端設置了很多天線，這樣就可以實現改善通話質量等想法。如果想要在頻譜資源和天線發射功率的前提下，還能大幅度提高系統信道容量，這種目標只能通過MIMO技術充分利用空間資源才能做到，因此也被看做為5G通信的核心技術。

為了提高無線衰弱信道這種復雜情況下能夠可靠地被接受的效率，能夠取得系統頻譜利用率的提高。人們研發了分集增益和復用增益，分集增益能夠通過發射和接收端天線分集合，從而使等效信道更加平穩；復用增益則是能夠通過多個空間道傳輸不同數據流，并且使用了無線通道空間的弱相關性，從而能夠達成目地。這兩種增益也是MIMO技術能夠被人認可并且廣泛應用的兩個重要原因。

隨著人們對MIMO技術的重視，隨著對MIMO技術的深入研究與發展，MIMO技術正在漸漸完善與提高，就像是到了5G時代，基站可以使用超大規模陣列了。

2.大規模天線的特性

想要在不改變現有的天線的大前提下，急劇增加天線數目，目前也只能通過MIMO技術分割天線中的垂直半波陣子為很多陣子。

大規模天線有很多優勢比如說大幅度提高，適度降低上下行發射功率，清除系統干擾與噪音，穩定統計特性等。

（1）復用增益：能夠將很多的數據流復用到相同的時頻上，可以

大幅度增加同一時間的某地區的吞吐量以及提高其到達峰值的容量，能帶來很多優勢，給人們帶來便利。

（2）賦形增益：可以出現立體波束，通過3D波束賦形，這樣能夠提高信號強度，帶來人們的信任感。

（3）陣列增益：能夠通過空間信道的衰弱獨立性，進行多天線收發，從而減少性能損失，增加經濟效益。

（4）功率增益：因為發射通道多，發射功率也遠大于單天線發射的功率，獲得非常多的功率增益，提高效率。

3.大規模天線系統的技術

（1）系統的信息獲取

（2）系統的信道信息傳輸

（3）系統的資源配置

4.大規模天線的關鍵技術

（1）多用戶虛擬MIMO

（2）MU—MIMOmimo（多用戶多入多出）技術的用戶配對與調控

（3）3D波束賦值

（4）多用戶虛擬波束賦值

（5）多用戶虛擬MIMO

5.大規模天線的應用

因為在覆蓋宏觀場景下，面積很大，用戶很多，這時較小的以往的天線已經無力負擔，最好是應用大規模天線，這種大規模天線可以有效的提高系統容量，解決以往解決不了的問題。

因為在覆蓋微場景下，面積小，但用戶很多，這種的需要精確覆蓋，這種大規模覆蓋就可以彌補以前天線方式的不足。

因為高建筑覆蓋場景，有很大的難度，從地位置基地提供覆蓋到高位置，這樣一般的天線系統是沒有良好垂直方向覆蓋能力，而大規模天線具有這種能力。

因此，這些恰恰說明了，大規模天線技術適合主要實施于宏觀場景，如城區宏覆蓋，微覆蓋，如業務量密集的熱點區，商場，旅游景點，演唱會，和高層建筑。

(1）室外宏覆蓋

可以在大規模高密度的地區，就像是城區覆蓋的密集地區，讓大規模天線技術應用室外宏覆蓋，通過波束賦形提供更多流數據，從而提高系統容量，這樣就可以很大程度上提高系統總容量。

為了確保地區內所有的用戶體會到5G技術，但是因為有較困難的覆蓋要求，比如覆蓋區域較大，用戶數量多，用戶需求量大，頻譜需求也很大。所以在這種情況下，我們需要應用大規模天線，這種技術能夠大幅度提高頻譜利用率，減少能量損毀，提高傳遞效率，減少傳輸干擾，能夠增強區域覆蓋性，提高通信質量。

(2）微覆蓋

微覆蓋有室外覆蓋和室內覆蓋

室外覆蓋是為了進行補盲的，在業務量很高的地區。比如說在大型比賽，步行街，旅游景區等，這些地區可以應用大規模天線技術。并且，隨著時代的發展，經濟的發展，基站的覆蓋區也越來越復雜，出現了各種難以傳遞的地區，有弱覆蓋區和盲區。雖然這些地區難以傳遞，但是需求量也很大，用戶也很多，為了讓用戶有良好的服務體驗，這些地區也應該應用大規模天線技術。大規模天線技術可以通過有效傳輸和接收方式來提高信號傳輸效率，配對多用戶，可以多用戶復用資源，定向有效傳遞信號，提高覆蓋面積與質量，從而解決信號傳輸地區復雜，損耗大，效率低，服務差，受干擾嚴重等問題。

(3）高層覆蓋

目前，城市的建筑一般都是高層建筑，大約都在六十至一百米。這些建筑想要讓全部的用戶都有良好的服務體驗是很困難的，因為一些建筑因為復雜的環境而產生盲區，比如陽臺，飄窗等，在這種情況下，就需要應用大規模天線技術了，這種技術能夠形成豎直的波束，這樣就可以彌補高層建筑覆蓋有盲區的問題了。

(4）無線回傳

我們現在在城市建設中使用光纖作為回傳的，但是因為城市建設的局限性，有些地區無法用光纖作為回傳，這種情況就需要考慮用大規模天線技術了。可以用宏基站作為新建的站進行回傳，然后采用天線陣列，從而提高回傳鏈路的容量。

6.大規模天線技術的意義

MIMO技術其最大的優勢在于波束賦形技術。與傳統的基站單天線或不超過八個的多天線與手機的單天線的電磁波傳播相比，提高了非常多，也進步了很多。5G大規模天線技術能夠打破傳統4G移動通信網絡的弊端，增加各種優勢，能夠提高通信效率，提高網絡頻譜級別，實現綠色網絡發展目標。因為5G時代即將到來，用戶大幅度增多，用戶對于質量與速度的要求也大幅度提高，所以對大規模無線技術的需求也更加迫切，收到人們的關注。

7 總結

大規模天線技術是5G通信系統中性能潛力最有希望的，是非常關鍵的技術，也是在最早研究5G關鍵技術中，是目前研究和討論的最為幾中的方向之一。但是，在大規模天線技術的發展道路上有著很多的困難，比如關于污染環境的問題，各方面的設計問題，實際使用的問題，工程實際應用問題，信道測量與合理建模的問題等，這是仍然是我們需要繼續努力研究從而解決這些問題的。