5G通信大規模天線無線傳輸技術分析

摘要：在5G移動通信網絡中，大規模天線無線傳輸技術具有高吞吐量、抗干擾性強、可靠性高等優點，對于5G標準的制定和構建起到了重要的推動作用。本文針對大規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，旨在為大規模天線無線傳輸技術的發展提供參考。

關鍵詞：5G通信；大規模天線；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展，5G技術已經開始商用，推動了通信行業的技術革命。雖然國內5G通信的網絡部署已經取得了很大進展，但總體而言，5G通信技術還沒有實現真正的普及，其發展還處于起步階段^[1]。大規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網絡中的通信技術發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展來具有重要意義。

二、大規模天線無線傳輸

頻譜效率是5G網絡通信中關鍵環節，同時也是評估5G網絡中信息傳輸穩定性的關鍵指標^[2]。5G通信系統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網絡通信的穩定性。因此，提高5G的頻譜效率至關重要。大規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即大規模多入多出天線無線傳輸技術（MIMO），是指在基站中安裝數百個天線，通過多輸入多輸出系統來增加信號傳輸速度，從而獲得顯著增益^[4]。大規模MIMO的關鍵在于增加MIMO基站數量，其基本原理見圖1。大規模MIMO具有良好的擴展性，可以顯著擴大通信網絡容量，其擴大的網絡容量與經典香農理論存在一定差異^[5]：

①大規模MIMO模式下，節點只需明確下行鏈路的信道狀態。

②基站天線數量通常是終端用戶數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。隨著基站天線數目的增加，線性接收及預編碼技術的效能可趨近于香農極限。

與常規天線無線傳輸技術相比，大規模MIMO在物理性質、系統性能上都有著無可替代的優越性。首先，在大規模設置天線的情況下，多個用戶間的傳輸將會出現遞增的正交化特征，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，通過增加天線數目，降低了數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，在現有的無線網絡中，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據才能接收信息，導致較大的通信延遲。再次，大規模天線陣列可以通過將波束能量集中在更小的范圍內，提高系統的空間分辨率，并抑制多個不同類型的系統之間的相互影響。此外，增加天線陣列數目，通過波束賦形獲得的信號疊置增益，可以降低單條陣列發射的功耗和射頻前端功耗，減少通信系統的硬件開銷。最后，在大規模MMO天線無線傳輸系統中，可以通過最大比率發射和接收等簡單的線性化方法獲得接近最佳的系統效能，從而進一步減少系統架構和實施的復雜性。

三、5G通信大規模天線無線傳輸關鍵技術

（一）導頻技術

在多小區大規模MIMO系統中，隨著天線數目的增加，鄰近小區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，由于信道經常發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通信的大規模天線無線傳輸模式下，在不影響現有導頻順序的前提下，需要根據適當的配置方案優化導頻配置，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調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傳輸，以降低引導信號的混雜。

②導頻功率管理：導頻發射時間間隔分為兩部分，同時錯開交叉增益較大的小區間的導頻發射時間間隔，或者減少非目標小區中的用戶導頻發射功率^[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網絡分為中心區和外圍區，中心區的無線網絡采用相同導頻，而外圍的無線網絡則采用正交導頻。

④導頻協調分配：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，常規的MIMO信道估計方法的準確率往往依賴于發射端的導頻信息，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，實現前提是假設基站天線數和接收信號數趨于無窮，且小區信號接收天線矩陣與其他小區用戶到基站的信道矩陣無關，但與本小區內終端用戶到基站的信道矩陣線性相關。如果小區內實現正交導頻，就可以避免導頻信號的干擾。然而，現實中基站數量和接收機數量是有限的，導致盲估計算法僅適用于理想狀態下的信道估計。

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

預編碼方法是根據基站端估計得到的信道狀態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解，計算資源開銷較大，而MMSE方法考慮了系統噪聲的影響，具有較好的魯棒性^[12]。

（四）功率控制

在實踐應用中，蜂窩網絡的功率通常是有限的，因此需要進行適當的功率分配以獲得最理想的系統效能。傳統的大規模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送功率，此時小區i基站收到的信號向量表示為：

四、結束語

綜上所述，5G大規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大規模天線無線傳輸技術的可行性，并逐漸實現更大范圍的商用。

作者單位：易斌 廣東省電信規劃設計院有限公司福州分公司

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