大规模阵列天线在5G通信网络中的应用研究

梁训波 王国义 赵芸 张超

关键词：阵列天线;5G通信;波束成形

0.引言

随着5G通信网络技术的不断发展和成熟，5G通信网络已逐步进入大规模商用时代，基于5G通信的智慧城市、无人驾驶、无人工厂等对网络带宽、空口时延、传输速率有着较高要求的应用也逐渐落地实现，而大规模阵列天线作为5G通信天线系统的核心技术之一，通过增加信道数量来实现系统容量的增加，是5G通信网络实现高网络贷款、低空口时延、低传输速率等技术指标的关键技术，也是我国移动通信网络实现智能化转型、高质量发展的重要技术。因此，有必要根据现有的一些系统应用场景总结分析大规模阵列天线在5G通信网络中的应用，进一步促进和推动大规模阵列天线以及5G通信网络的应用和发展。

1.大规模阵列天线与5G通信天线系统

1.1 大规模阵列天线简介

传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端拥有多根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的，这种技术称为”波束成形”技术，在波束成形技术的基础上将单用户增加至多用户，针对不同用户构造不同的波束，就可以形成大规模阵列天线系统。大规模阵列天线可以有效隔离不同用户间的电磁波，在同一频带上可以针对不同用户传输不同信号，实现了空间频谱资源的充分挖掘，从而实现通信系统容量的大幅度提升。

大规模阵列天线是基于传统天线系统演进而来，相较于传统天线系统有着明显的优势，主要体现在通道数目更多、波束成形更加灵活、更多更灵活的系统参数调整，从而使得通信网络覆盖更加精准和立体、系统调整更加智能化。

1.2 5G通信天线系统的演进过程

5G通信天线系统的演进经历了从一代传统全向天线、二代全向+定向天线到三代阵列天线的发展过程。其中，一代5G天线采用传统全向天线，可全向覆盖，但覆盖范围有限;二代5G天线采用全向+定向方案，不仅能满足全向范围覆盖，而且在特定方向的覆盖范围和穿墙效果可以增加50%;三代5G阵列天线不仅比上一代产品覆盖范围增加50%，而且穿墙效果同时增加了30%，具备根据客户的应用场景，智能改变网络性能的功能，做到产品真智能化。

2.大规模阵列天线在5G通信网络中的应用

2.1 预测用户分布变化规律动态调整天线波束方向

利用大规模阵列天线可实现对用户的水平方位（HDOA）、垂直方位（VDOA）数据的采集，获取用户相对基站的位置信息。再通过大数据学习，预测未来每个时段用户的分布情况。再将用户分布预测结果进行画像，利用机器视觉算法，快速寻优每个小区每个时段最佳的波束方案，并动态调整，实现覆盖能力和业务吸收能力的提升。。

2.2 识别网络故障，自动调整邻区波束进行覆盖补偿

利用大规模阵列天线的数字权值特征，可以智能的识别系统网络故障。例如，当识别到网络中有站点退服时，可以根据栅格级的覆盖需求，自动调整周边多个邻区的参数，从而调整邻区的波束进行覆盖补偿，减小感知和流量上的损失，将故障影响程度降到最低。

2.3 结合“多小区联合调度”技术，优化网络覆盖和结构

传统的多小区间联合调度，只是在频率资源调度上的相互配合，例如：ICIC技术，是通过相邻小区在重叠覆盖区域分配不同的频率资源来降低相互的干扰影响，这种方式会牺牲一定的频谱资源。在5G大规模阵列天线应用后，可以将波束方位、波束功率等方面资源纳入多小区联合调度，增强网络覆盖和结构。笔者提出两种具体的方案。

2.4 将大规模阵列天线的波束资源纳入QoS服务管理，增强用户感知体验

目前QoS差异化服务在无线专业仅体现在时频资源调度的优先级上，这种差异化服务方案并不能保证VIP用户在远点时拥有比普通用户在近点时更佳的感知体验。在大规模阵列天线蜂窝通信系统中，基站配备了大量天线。不仅可以在时频调度方面实现不同5QI用户的差异化服务，还可以在天线波束资源、功率资源等方面进一步实现资源分配的差异化。确保高优先级用户获得更加良好的用户感知。

2.5 利用大规模阵列天线的角度空间检测技术，精准识别干扰位置定向消除

大规模阵列天线天线最重要属性之一就是高角度分辨率，可通过接收的导频信号到达角度准确识别干扰器的方向。然后通过相应的干扰定向消除、抑制算法，减轻干扰的影响。在干扰定向消除和抑制方面，笔者提出如下几种方案

（1）识别干扰机方向后，相应进行广播波束的调整，避开干扰。

（2）对受干扰方向内的用户分配更多的天线、功率、更高上行信噪比解调要求，加强发向/来自UE的能量以对抗干扰。

（3）设计信号通道的估计方案，使普通用户的导频信号与干扰器导频信号正交，抑制来自干扰器的影响。

3.结论

本文介绍了大规模阵列天线基于传统天线系统的实现原理，总结了大规模阵列天线相较于传统天线系统具有通道数目更多、波束成形更加灵活、更多更灵活的系统参数调整等优势，然后结合现有应用方案阐述了大规模阵列天线在预测用戶分布、自动覆盖补偿、网络覆盖优化、增强用户感知，消除干扰等方面的应用过程，具有一定的研究意义。。

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