本文主要講了什么內(nèi)容？

在科學(xué)技術(shù)日新月異的二十一世紀(jì)，技術(shù)更新?lián)Q代速度之快已經(jīng)超乎我們的想象。本文結(jié)合了國內(nèi)和國外移動通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在已經(jīng)取得的成果的基礎(chǔ)之上，來具體介紹一下5G 移動通信天線的研究與設(shè)計。

一、前言

第五代移動通信技術(shù)（5G）是面向2020年以后的新一代移動通信系統(tǒng)，根據(jù)移動通信的發(fā)展規(guī)律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效。第五代移動通信系統(tǒng)將在第四代移動通信系統(tǒng)（fourth-generation，4G）的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步提升無線移動通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線傳輸技術(shù)等。挖掘無限空間維度資源，提高功率效率的有效性和頻譜效率的基本途徑是運用多天線發(fā)送和多天線接收（multiple-input multiple-output，MIMO）技術(shù)。

二、5G的概念和應(yīng)用簡介

從1G模擬技術(shù)到4G技術(shù)的長期演變，現(xiàn)在移動通信系統(tǒng)已經(jīng)被世界上超過三分之二的人口使用，并且已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€重要組成部分。目前大規(guī)模推廣的技術(shù)是4G，所以相對來說，5G技術(shù)對大眾來說還很陌生。正因如此，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界目前還沒有給5G一個確切的定義。現(xiàn)在對5G的初步定義是傳輸速率達(dá)到10Gb/s的下一代移動通信技術(shù)。著名的《時代》周刊也采用了這一說法。

歐盟有關(guān)5G技術(shù)研發(fā)的METIS項目指出，5G通過無線技術(shù)來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的以技術(shù)為中心的智能化自主網(wǎng)絡(luò)不同，它是以用戶的體驗為中心。

韓國的信息技術(shù)融合研究認(rèn)為，無線傳輸容量大、低功率化、萬物互聯(lián)是未來的5G技術(shù)必須要達(dá)到的幾個條件，韓國也把這作為韓國5G技術(shù)發(fā)展的主攻方向。我國的863計劃中5G技術(shù)的組長尤肖虎的觀點是，5G技術(shù)會和3G、4G移動通信技術(shù)相互結(jié)合，形成新一代的移動信息網(wǎng)，以此來滿足大眾未來的流量需求。

總而言之，5G 技術(shù)就是面向大眾業(yè)務(wù)娛樂需求的新一代的移動通信技術(shù)，能夠極大地提升通信系統(tǒng)性能的一項重要技術(shù)。

三、大規(guī)模天線系統(tǒng)研究簡介

系統(tǒng)設(shè)計和性能評估的基礎(chǔ)是對信道容量的分析。許多學(xué)者和研究者根據(jù)MIMO多天線技術(shù)發(fā)展了一種新的理論，就是隨機(jī)矩形理論。包含Wishart記性以及特征值的統(tǒng)計特點，自由概率理論等方法。在理想情況之下，這些研究方法同樣對大規(guī)模天線系統(tǒng)的容量分具有重要作用，但是并不完全適用，還有一些更具有挑戰(zhàn)性的問題。

（1）隨著天線數(shù)量和用戶數(shù)量的增加，如何獲取信道信息是實現(xiàn)系統(tǒng)的難點問題。所以，對導(dǎo)頻資源限制下的信息理論的進(jìn)一步研究是必不可少的一步。

（2）大規(guī)模MIMO為蜂窩移動通信提出了一些更具挑戰(zhàn)性的難題，也就是多用戶多小區(qū)的蜂窩移動通信的最大化的問題。在多小區(qū)多用戶容量的分析基礎(chǔ)上，對用戶分布和基站節(jié)點的分布作進(jìn)一步的考慮，然后再對整個的蜂窩系統(tǒng)做詳細(xì)的容量評估，這對設(shè)計和運行蜂窩系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

四、對天線陣列的設(shè)計與研究

天線的基本特征是在同一時刻資源的配置上，采用了大規(guī)模的列陣天線配置所形成的空間方式。大大提升了資源的復(fù)用能力和用戶的使用效率。提高了傳輸效率。

1、分布式天線系統(tǒng)

挖掘空間維度資源的一種途徑是分布式天線系統(tǒng)。在不同的地理位置中配備多天線的節(jié)點，在分布式天線中，通過高速回程處理單元，協(xié)作完成與多個單個移動通信終端的通信。通過節(jié)點間的協(xié)助，獲得MIMO的3種效益。但是，受限于目前的標(biāo)準(zhǔn)，MIMO的性能將會受到極大的限制。

為了應(yīng)對移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量日益增大的趨勢，突破現(xiàn)在的蜂窩式系統(tǒng)的限制，學(xué)者和研究者提出了在有熱點覆蓋的范圍大量增加小區(qū)個數(shù)或者協(xié)助節(jié)點的個數(shù)的方法。也可以以大規(guī)模陣列天線替代現(xiàn)在已有的多天線，通過這種方式來形成大規(guī)模的無線通信環(huán)境。大規(guī)模天線的基本特征是在信號覆蓋范圍內(nèi)，配置數(shù)百根以上的天線，這比4G移動通信系統(tǒng)的天線數(shù)量增加了一倍以上。這些天線不僅分布在小區(qū)里，而且還可以以大規(guī)模天線陣列的方式來集中放置。隨著分布式節(jié)點總天線數(shù)目的日益增加，信道間的信號也將趨于正相交，Gauss的噪聲和一些不相關(guān)的小區(qū)干擾將會逐漸消失。用戶的使用容量僅僅受限制于其它小區(qū)相同導(dǎo)頻序列的用戶的干擾。

2、對移動通信天線的進(jìn)一步探究方向

目前，大量的學(xué)者和研究者已經(jīng)對移動天線進(jìn)行了研究，未來的研發(fā)方向是非理想信道信息。當(dāng)存在導(dǎo)頻污染情況的時候，對迫零（zero forcing,ZF）以及正則迫零（regular ZF，RZF）預(yù)編碼進(jìn)行深入的研究是正確的解決途徑。除此之外，對時分雙工，上下行不互相交換對系統(tǒng)的影響還需要做進(jìn)一步的深入研究。考慮非理想信息信道，當(dāng)存在節(jié)點協(xié)作的時候，對系統(tǒng)頻譜效率的漸進(jìn)線分析也是另外一個很有難度的探究方向。

五、大規(guī)模天線系統(tǒng)的信息獲取途徑

隨著天線個數(shù)的增加和用戶數(shù)的增加，在大規(guī)模的天線系統(tǒng)中。對于上行的鏈路，應(yīng)用正交導(dǎo)頻，導(dǎo)頻的費用也隨著總天線數(shù)量的增加而增加。對時分雙工系統(tǒng)來說，少了上下行的信道交互性，是對大規(guī)模天線的主要障礙。

從大的方面說，在獲取大規(guī)模天線系統(tǒng)的信息的時候，降低導(dǎo)頻的開銷，提升信息獲取的精確度需要進(jìn)一步的深入研究。包括對導(dǎo)頻信號的設(shè)計，運用先進(jìn)的信道估計方法等。5G微信公眾平臺（ID：angmobile）了解到，作者進(jìn)一步指出，另一方面，對TDD系統(tǒng)來說，盡管空中的信道滿足上下行的交互性，但是上下行的整體信息是沒有互易性質(zhì)的，所以，對于TDD大規(guī)模天線系統(tǒng)具有至關(guān)重要的一步是校準(zhǔn)互易性。

六、天線系統(tǒng)的資源分配問題

為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)中的無線資源的利用效率，還需要進(jìn)一步優(yōu)化時間空間資源和功率資源，這是無線資源管理中所要面臨的新的挑戰(zhàn)。所以設(shè)計出具有高性能和低復(fù)雜度的資源分配對于天線系統(tǒng)的實現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用。

七、結(jié)語

本文就大規(guī)模天線的無線傳輸技術(shù)與理論展開了詳細(xì)論述，包括信道信息的獲取技術(shù)和對頻譜效率的分析。另外，本文提出了在研究移動通信中有關(guān)天線研究的問題的時候，還給出了這一問題的難點和研究的方向。盡管已經(jīng)取得了不小的成績，但是我們還是應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，對于5G技術(shù)的研究還有很多工程問題和科學(xué)問題等著我們?nèi)ヌ剿鳎ソ鉀Q。

本文作者：曾偉鋒，廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司