大规模天线在5G通信中的应用

杨钊 湖北工业职业技术学院 智能工程学院

MIMO（多输入多输出）技术是4G网络技术的核心之一，也是大规模天线技术的基础。随着多年研究和发展，随着5G时代的到来，数据用户数越来越多，用户对速率的需求也越来越高，因此对空间领域扩展的需求也越来越大。因为这些原因，人们也越来越关注MIMO技术，对其研究也越发深入，研究热点也渐渐转化为如何扩展MIMO系统性能。

1. MIMO技术简介

为了改善通话质量，提高无线系统的频谱利用率与传输的可靠度，无线信号必须要获取在空时处理技术时的分集增益或复用增益。为了达到此目的，MIMO技术利用了空间通道的多径衰弱的性质，并且在发射端和接收端设置了很多天线，这样就可以实现改善通话质量等想法。如果想要在频谱资源和天线发射功率的前提下，还能大幅度提高系统信道容量，这种目标只能通过MIMO技术充分利用空间资源才能做到，因此也被看做为5G通信的核心技术。

为了提高无线衰弱信道这种复杂情况下能够可靠地被接受的效率，能够取得系统频谱利用率的提高。人们研发了分集增益和复用增益，分集增益能够通过发射和接收端天线分集合，从而使等效信道更加平稳；复用增益则是能够通过多个空间道传输不同数据流，并且使用了无线通道空间的弱相关性，从而能够达成目地。这两种增益也是MIMO技术能够被人认可并且广泛应用的两个重要原因。

随着人们对MIMO技术的重视，随着对MIMO技术的深入研究与发展，MIMO技术正在渐渐完善与提高，就像是到了5G时代，基站可以使用超大规模阵列了。

2.大规模天线的特性

想要在不改变现有的天线的大前提下，急剧增加天线数目，目前也只能通过MIMO技术分割天线中的垂直半波阵子为很多阵子。

大规模天线有很多优势比如说大幅度提高，适度降低上下行发射功率，清除系统干扰与噪音，稳定统计特性等。

（1）复用增益：能够将很多的数据流复用到相同的时频上，可以

大幅度增加同一时间的某地区的吞吐量以及提高其到达峰值的容量，能带来很多优势，给人们带来便利。

（2）赋形增益：可以出现立体波束，通过3D波束赋形，这样能够提高信号强度，带来人们的信任感。

（3）阵列增益：能够通过空间信道的衰弱独立性，进行多天线收发，从而减少性能损失，增加经济效益。

（4）功率增益：因为发射通道多，发射功率也远大于单天线发射的功率，获得非常多的功率增益，提高效率。

3.大规模天线系统的技术

（1）系统的信息获取

（2）系统的信道信息传输

（3）系统的资源配置

4.大规模天线的关键技术

（1）多用户虚拟MIMO

（2）MU—MIMOmimo（多用户多入多出）技术的用户配对与调控

（3）3D波束赋值

（4）多用户虚拟波束赋值

（5）多用户虚拟MIMO

5.大规模天线的应用

因为在覆盖宏观场景下，面积很大，用户很多，这时较小的以往的天线已经无力负担，最好是应用大规模天线，这种大规模天线可以有效的提高系统容量，解决以往解决不了的问题。

因为在覆盖微场景下，面积小，但用户很多，这种的需要精确覆盖，这种大规模覆盖就可以弥补以前天线方式的不足。

因为高建筑覆盖场景，有很大的难度，从地位置基地提供覆盖到高位置，这样一般的天线系统是没有良好垂直方向覆盖能力，而大规模天线具有这种能力。

因此，这些恰恰说明了，大规模天线技术适合主要实施于宏观场景，如城区宏覆盖，微覆盖，如业务量密集的热点区，商场，旅游景点，演唱会，和高层建筑。

(1）室外宏覆盖

可以在大规模高密度的地区，就像是城区覆盖的密集地区，让大规模天线技术应用室外宏覆盖，通过波束赋形提供更多流数据，从而提高系统容量，这样就可以很大程度上提高系统总容量。

为了确保地区内所有的用户体会到5G技术，但是因为有较困难的覆盖要求，比如覆盖区域较大，用户数量多，用户需求量大，频谱需求也很大。所以在这种情况下，我们需要应用大规模天线，这种技术能够大幅度提高频谱利用率，减少能量损毁，提高传递效率，减少传输干扰，能够增强区域覆盖性，提高通信质量。

(2）微覆盖

微覆盖有室外覆盖和室内覆盖

室外覆盖是为了进行补盲的，在业务量很高的地区。比如说在大型比赛，步行街，旅游景区等，这些地区可以应用大规模天线技术。并且，随着时代的发展，经济的发展，基站的覆盖区也越来越复杂，出现了各种难以传递的地区，有弱覆盖区和盲区。虽然这些地区难以传递，但是需求量也很大，用户也很多，为了让用户有良好的服务体验，这些地区也应该应用大规模天线技术。大规模天线技术可以通过有效传输和接收方式来提高信号传输效率，配对多用户，可以多用户复用资源，定向有效传递信号，提高覆盖面积与质量，从而解决信号传输地区复杂，损耗大，效率低，服务差，受干扰严重等问题。

(3）高层覆盖

目前，城市的建筑一般都是高层建筑，大约都在六十至一百米。这些建筑想要让全部的用户都有良好的服务体验是很困难的，因为一些建筑因为复杂的环境而产生盲区，比如阳台，飘窗等，在这种情况下，就需要应用大规模天线技术了，这种技术能够形成竖直的波束，这样就可以弥补高层建筑覆盖有盲区的问题了。

(4）无线回传

我们现在在城市建设中使用光纤作为回传的，但是因为城市建设的局限性，有些地区无法用光纤作为回传，这种情况就需要考虑用大规模天线技术了。可以用宏基站作为新建的站进行回传，然后采用天线阵列，从而提高回传链路的容量。

6.大规模天线技术的意义

MIMO技术其最大的优势在于波束赋形技术。与传统的基站单天线或不超过八个的多天线与手机的单天线的电磁波传播相比，提高了非常多，也进步了很多。5G大规模天线技术能够打破传统4G移动通信网络的弊端，增加各种优势，能够提高通信效率，提高网络频谱级别，实现绿色网络发展目标。因为5G时代即将到来，用户大幅度增多，用户对于质量与速度的要求也大幅度提高，所以对大规模无线技术的需求也更加迫切，收到人们的关注。

7 总结

大规模天线技术是5G通信系统中性能潜力最有希望的，是非常关键的技术，也是在最早研究5G关键技术中，是目前研究和讨论的最为几中的方向之一。但是，在大规模天线技术的发展道路上有着很多的困难，比如关于污染环境的问题，各方面的设计问题，实际使用的问题，工程实际应用问题，信道测量与合理建模的问题等，这是仍然是我们需要继续努力研究从而解决这些问题的。