5G無線通訊技術天線廣泛應用系統

發布時間：

2020-06-10 16:20

MIMO技術已經在4G系統中得以廣泛應用。面對5G在傳輸速率和系統容量等方面的性能挑戰，天線數目的進一步增加仍將是MIMO技術繼續演進的主要方向。根據概率統計學原理，當基站側天線數遠大于用戶天線數時，基站到各個用戶的信道將趨于正交。這種情況下，用戶間干擾將趨于消失，而巨大的陣列增益將能夠有效地提升每個用戶的信噪比，從而能夠在相同的時頻資源上支持更多用戶傳輸。

在實際應用中，通過大規模天線，基站可以在三維空間形成具有高空間分辨復用能力，改善接收信號強度并更好地抑制用戶間干擾，從而實現更高的系統容量和頻譜效率。大規模天線技術的研究內容主要包括：

（1）應用場景與信道建模

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，以分布式天線的形式構建大規模天線系統也可能成為該技術的應用場景之一。在需要廣域覆蓋的場景，大規模天線技術可以利用現有頻段；在熱點覆蓋或回傳鏈路等場景，則可以考慮使用更高頻段。針對上述典型應用場景，需要根據大規模天線信道的實測結果，對一系列信道參數的分布特征及其相關性進行建模，從而反映出信號在三維空間中的傳播特性。

（2）傳輸與檢測技術

大規模天線的性能增益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。然而，在實際的信道條件中，由于設備與傳播環境中存在諸多非理想因素，為了獲得穩定的多用戶傳輸增益，仍然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乃至小區間的同道干擾，而傳輸與檢測算法的計算復雜度則直接與天線陣列規模和用戶數相關。此外，基于大規模天線的預編碼/波束賦形算法與陣列結構設計、設備成本、功率效率和系統性能都有直接的聯系。基于Kronecker運算的水平垂直分離算法、數模混合波束賦形技術，或者分級波束賦形技術等可以較為有效地降低大。規模天線系統計算復雜度。

（3）信道狀態信息測量與反饋技術

信道狀態信息測量、反饋及參考信號設計等對于MIMO技術的應用具有重要意義。為了更好地平衡信道狀態信息測量開銷與精度，除了傳統的基于碼本的隱式反饋和基于信道互易性的反饋機制之外，諸如分級CSI測量與反饋、基于Kronecker運算的CSI測量與反饋、壓縮感知以及預體驗式等新型反饋機制也值得考慮。

（4）蓋增強技術以及高速移動解決方案

天線規模的擴展對于業務信道的覆蓋將帶來巨大的增益，但是對于需要有效覆蓋全小區內所有終端的廣播信道而言，則會帶來諸多不利影響，在這種情況下，類似內外雙環波束掃描的接入技術能夠解決窄波束的廣覆蓋問題。除此之外，大規模天線還需要考慮在高速移動場景下，如何實現信號的可靠和高速率傳輸問題。對信道狀態信息獲取依賴度較低的波束跟蹤和波束拓寬技術，可以有效利用大規模天線的陣列增益提升數據傳輸可靠性和傳輸速率。

（5）多用戶調度與資源管理技術

大規模天線為無線接入網絡提供了更精細的空間粒度以及更多的空間自由度，因此基于大規模天線的多用戶調度技術、業務負載均衡技術以及資源管理技術將獲得可觀的性能增益。

（6）大規模有源陣列天線技術

大規模天線前端系統從結構上可分為數字陣和數模混合陣兩大類。出于復雜度、功耗和成本的考慮，數模混合的陣列架構在高頻段將具有很大的應用潛力。大規模有源陣列天線的架構、高效/高可靠/小型化/低成本/模塊化收發組件、高精度監測與校準方案等關鍵技術將直接影響到大規模天線技術在實際應用環境中的性能與效率，并將成為直接關系到大規模天線技術能否最終進入實用化階段的關鍵環節。大規模天線技術為系統頻譜效率、用戶體驗、傳輸可靠性的提升提供了重要保證，同時也為異構化、密集化的網絡部署環境提供了靈活的干擾控制與協調手段。隨著一系列關鍵技術的突破以及器件、天線等技術的進一步發展，大規模天線技術必將在5G系統中發揮重大作用。