大規(guī)模陣列天線在5G通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

梁訓(xùn)波 王國(guó)義 趙蕓 張超

關(guān)鍵詞：陣列天線;5G通信;波束成形

0.引言

隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，5G通信網(wǎng)絡(luò)已逐步進(jìn)入大規(guī)模商用時(shí)代，基于5G通信的智慧城市、無(wú)人駕駛、無(wú)人工廠等對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、空口時(shí)延、傳輸速率有著較高要求的應(yīng)用也逐漸落地實(shí)現(xiàn)，而大規(guī)模陣列天線作為5G通信天線系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，通過(guò)增加信道數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的增加，是5G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高網(wǎng)絡(luò)貸款、低空口時(shí)延、低傳輸速率等技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，也是我國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)。因此，有必要根據(jù)現(xiàn)有的一些系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)分析大規(guī)模陣列天線在5G通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)和推動(dòng)大規(guī)模陣列天線以及5G通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展。

1.大規(guī)模陣列天線與5G通信天線系統(tǒng)

1.1 大規(guī)模陣列天線簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)通信方式是基站與手機(jī)間單天線到單天線的電磁波傳播，而在波束成形技術(shù)中，基站端擁有多根天線，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位，使其在手機(jī)接收點(diǎn)形成電磁波的疊加，從而達(dá)到提高接收信號(hào)強(qiáng)度的目的，這種技術(shù)稱為”波束成形”技術(shù)，在波束成形技術(shù)的基礎(chǔ)上將單用戶增加至多用戶，針對(duì)不同用戶構(gòu)造不同的波束，就可以形成大規(guī)模陣列天線系統(tǒng)。大規(guī)模陣列天線可以有效隔離不同用戶間的電磁波，在同一頻帶上可以針對(duì)不同用戶傳輸不同信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了空間頻譜資源的充分挖掘，從而實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)容量的大幅度提升。

大規(guī)模陣列天線是基于傳統(tǒng)天線系統(tǒng)演進(jìn)而來(lái)，相較于傳統(tǒng)天線系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在通道數(shù)目更多、波束成形更加靈活、更多更靈活的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，從而使得通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋更加精準(zhǔn)和立體、系統(tǒng)調(diào)整更加智能化。

1.2 5G通信天線系統(tǒng)的演進(jìn)過(guò)程

5G通信天線系統(tǒng)的演進(jìn)經(jīng)歷了從一代傳統(tǒng)全向天線、二代全向+定向天線到三代陣列天線的發(fā)展過(guò)程。其中，一代5G天線采用傳統(tǒng)全向天線，可全向覆蓋，但覆蓋范圍有限;二代5G天線采用全向+定向方案，不僅能滿足全向范圍覆蓋，而且在特定方向的覆蓋范圍和穿墻效果可以增加50%;三代5G陣列天線不僅比上一代產(chǎn)品覆蓋范圍增加50%，而且穿墻效果同時(shí)增加了30%，具備根據(jù)客戶的應(yīng)用場(chǎng)景，智能改變網(wǎng)絡(luò)性能的功能，做到產(chǎn)品真智能化。

2.大規(guī)模陣列天線在5G通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

2.1 預(yù)測(cè)用戶分布變化規(guī)律動(dòng)態(tài)調(diào)整天線波束方向

利用大規(guī)模陣列天線可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的水平方位（HDOA）、垂直方位（VDOA）數(shù)據(jù)的采集，獲取用戶相對(duì)基站的位置信息。再通過(guò)大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，預(yù)測(cè)未來(lái)每個(gè)時(shí)段用戶的分布情況。再將用戶分布預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行畫(huà)像，利用機(jī)器視覺(jué)算法，快速尋優(yōu)每個(gè)小區(qū)每個(gè)時(shí)段最佳的波束方案，并動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)覆蓋能力和業(yè)務(wù)吸收能力的提升。。

2.2 識(shí)別網(wǎng)絡(luò)故障，自動(dòng)調(diào)整鄰區(qū)波束進(jìn)行覆蓋補(bǔ)償

利用大規(guī)模陣列天線的數(shù)字權(quán)值特征，可以智能的識(shí)別系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障。例如，當(dāng)識(shí)別到網(wǎng)絡(luò)中有站點(diǎn)退服時(shí)，可以根據(jù)柵格級(jí)的覆蓋需求，自動(dòng)調(diào)整周邊多個(gè)鄰區(qū)的參數(shù)，從而調(diào)整鄰區(qū)的波束進(jìn)行覆蓋補(bǔ)償，減小感知和流量上的損失，將故障影響程度降到最低。

2.3 結(jié)合“多小區(qū)聯(lián)合調(diào)度”技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋和結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的多小區(qū)間聯(lián)合調(diào)度，只是在頻率資源調(diào)度上的相互配合，例如：ICIC技術(shù)，是通過(guò)相鄰小區(qū)在重疊覆蓋區(qū)域分配不同的頻率資源來(lái)降低相互的干擾影響，這種方式會(huì)犧牲一定的頻譜資源。在5G大規(guī)模陣列天線應(yīng)用后，可以將波束方位、波束功率等方面資源納入多小區(qū)聯(lián)合調(diào)度，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和結(jié)構(gòu)。筆者提出兩種具體的方案。

2.4 將大規(guī)模陣列天線的波束資源納入QoS服務(wù)管理，增強(qiáng)用戶感知體驗(yàn)

目前QoS差異化服務(wù)在無(wú)線專業(yè)僅體現(xiàn)在時(shí)頻資源調(diào)度的優(yōu)先級(jí)上，這種差異化服務(wù)方案并不能保證VIP用戶在遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)擁有比普通用戶在近點(diǎn)時(shí)更佳的感知體驗(yàn)。在大規(guī)模陣列天線蜂窩通信系統(tǒng)中，基站配備了大量天線。不僅可以在時(shí)頻調(diào)度方面實(shí)現(xiàn)不同5QI用戶的差異化服務(wù)，還可以在天線波束資源、功率資源等方面進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)資源分配的差異化。確保高優(yōu)先級(jí)用戶獲得更加良好的用戶感知。

2.5 利用大規(guī)模陣列天線的角度空間檢測(cè)技術(shù)，精準(zhǔn)識(shí)別干擾位置定向消除

大規(guī)模陣列天線天線最重要屬性之一就是高角度分辨率，可通過(guò)接收的導(dǎo)頻信號(hào)到達(dá)角度準(zhǔn)確識(shí)別干擾器的方向。然后通過(guò)相應(yīng)的干擾定向消除、抑制算法，減輕干擾的影響。在干擾定向消除和抑制方面，筆者提出如下幾種方案

（1）識(shí)別干擾機(jī)方向后，相應(yīng)進(jìn)行廣播波束的調(diào)整，避開(kāi)干擾。

（2）對(duì)受干擾方向內(nèi)的用戶分配更多的天線、功率、更高上行信噪比解調(diào)要求，加強(qiáng)發(fā)向/來(lái)自UE的能量以對(duì)抗干擾。

（3）設(shè)計(jì)信號(hào)通道的估計(jì)方案，使普通用戶的導(dǎo)頻信號(hào)與干擾器導(dǎo)頻信號(hào)正交，抑制來(lái)自干擾器的影響。

3.結(jié)論

本文介紹了大規(guī)模陣列天線基于傳統(tǒng)天線系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，總結(jié)了大規(guī)模陣列天線相較于傳統(tǒng)天線系統(tǒng)具有通道數(shù)目更多、波束成形更加靈活、更多更靈活的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整等優(yōu)勢(shì)，然后結(jié)合現(xiàn)有應(yīng)用方案闡述了大規(guī)模陣列天線在預(yù)測(cè)用戶分布、自動(dòng)覆蓋補(bǔ)償、網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化、增強(qiáng)用戶感知，消除干擾等方面的應(yīng)用過(guò)程，具有一定的研究意義。。

參考文獻(xiàn)：

[1]王晟劼. 基于5G大規(guī)模陣列天線波束指向精度的研究[J]. 通訊世界， 2017（12）：2.

[2]孫思揚(yáng)， 呂雪瑋， 王娜，等. 面向5G大規(guī)模陣列天線測(cè)試的OTA測(cè)試系統(tǒng)及方法：， CN112564828A[P]. 2021.

[3]何明， 王歡軍， 葉文堅(jiān). 5G大規(guī)模天線陣列應(yīng)用探討[J]. 廣東通信技術(shù)， 2019， 39（6）：3.

[4]張長(zhǎng)青. 面向5G的大規(guī)模MIMO天線陣列研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2016（3）：6.

[5]劉旭， 石萌， 楊耀庭，等. 5G大規(guī)模陣列天線發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 電信技術(shù)， 2019（1）：4.

[6]鄧彧俊. 5G通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通， 2018（3）：1.