5G 室内分布系统中的自适应波束成形技术研究

潘林杰

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着移动通信技术的快速演变，5G 技术作为新一代通信技术成为全球各国的关键发展战略。在实际应用中，尤其是在室内区域，建筑材料和人流量等因素会对信号的传播造成影响，导致传统的分布系统难以实现高效的信号覆盖和传输。因此，在5G 室内分布系统中应用自适应波束成形技术具有重大意义。自适应波束成形技术能够实时调整波束的方向和形状，根据信号特征解决多径效应和信号衰减等问题，从而提高信号传输的质量，扩大信号覆盖范围。这一进展为5G 技术在室内环境的实际运用提供了坚实的基础和保障，同时促进室内移动通信的发展和普及。

1 自适应波束成形技术的基础原理

1.1 波束成形概述

波束成形技术涉及多个天线单元的协作，通过调整这些单元的相位和强度，可以在特定方向增强信号的传输或接收。其核心机制在于精确控制多个天线单元的相位和幅度，使其在特定方向形成主瓣，而在其他方向形成副瓣。这种技术已广泛应用于无线通信和雷达技术等领域，特别是在5G 通信中，能有效支持高速数据传输和大面积覆盖的需求。

1.2 自适应波束成形的基本原理

自适应波束成形技术基于波束成形技术改进，通过分析信号特性和环境，即时调整波束的形态和方向，以提高性能指标。其主要原理是实时监测信号传输效果，并通过反馈循环调整波束特征，常规方法包括优化波束形状，通过最小化误差函数将主瓣对准信号传输方向，同时降低干扰信号和多径效应影响，提升信号接收品质和系统性能。

1.3 自适应波束成形算法的分类与比较

自适应波束成形算法主要分为空域和时域2 种处理策略。空域处理主要包括传统波束形成策略和基于信号空间处理的方法，如利用空间滤波器和阵列信号处理技术进行波束成形。时域处理利用时间序列数据调整波束结构，如利用自相关函数和最小均方误差（Least Mean Square，LMS）等方法提升波束性能。LMS、递归最小二乘（Recursive Least Squares，RLS）、最小方差无偏估计（Minimum Variance Distortionless Response，MVDR）等算法在实时性、收敛速度及抗干扰能力等方面具有各自特点，需要根据具体应用场景和需求选择合适的算法。

2 5G 室内分布系统设计与需求分析

2.1 室内环境特点及挑战

5G 通信系统的推广和应用面临着室内环境带来的多重挑战。首先，室内环境中存在多路径效应和信号衰减问题，导致信号传输过程中容易出现波动，影响信号的覆盖范围。例如，在封闭空间内，信号衰减可达到30 dB，对5G 通信高频信号的影响尤为显著。此外，复杂的室内设计多样性给系统设计和优化带来挑战。建筑材料的不同会显著影响信号的传播特性（见表1），因此必须针对具体环境的特殊需求进行系统定制。另外，在人口密集的区域，如体育馆和商场等场所，对无线信号的覆盖范围和承载能力有更高的要求。在这些地方，对信号的需求远远超出普通室内空间的需求[1]。

表1 不同建筑材料对信号传输的影响

2.2 5G 室内分布系统的设计要求

为应对室内环境的挑战并满足用户需求，5G 室内覆盖网络需遵循多项设计规范。首先，5G 通信技术需具备高容量与快速传输能力，以支持更快的数据传输速度和更大的存储空间，以满足高清视频和虚拟现实等应用需求。特别是对于实时性要求较高的应用场景，如工业自动化和智能交通等，需确保通信具备低延迟和高稳定性。其次，无线信号的普及度和质量是关键的设计指标，需保证室内任何位置都能接收到稳定高效的无线信号。最后，在使用能源和费用方面，设计时需高度关注，在保证系统性能的同时尽可能降低系统的能源消耗和费用，以提升系统的可持续运行能力和经济效益。

2.3 自适应波束成形在解决室内分布系统中的优势分析

自适应波束成形技术能够有效解决室内分布系统的问题，如室内多径效应和信号衰减问题，提高信号传输质量并扩展覆盖范围。例如，在一般室内环境中，由于墙壁和其他障碍物的存在，信号经过多次反射和折射后，可能会出现明显的多径干扰，影响信号接收质量。通过自适应波束成形技术，可以改变波束的形态和方向，将信号能量集中到需要覆盖的区域，降低多径效应对信号传输的干扰，进一步提升信号传输质量，扩大覆盖范围。

波束成形技术的灵活性使系统更高效的利用频谱，并提升系统容量。通过减少干扰和噪声的影响，提升信号质量，提高传输效率，扩大系统容量。例如，在人口密集的室内环境中，多用户设备同时工作可能会导致信号干扰和噪声问题，影响系统的传输效率和容量，自适应波束成形技术能够实时调整波束参数，以适应环境和信号特征，减少干扰和噪声，提高信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR），从而提高系统的传输效率，扩大系统的容量。

此外，自适应波束成形技术具有灵活调整和适应性强的特点，能够根据具体环境和需求实时调整，以满足各种场景和应用需求，从而提升系统的适应性和灵活性。例如，在室内环境中，通过应用不同的波束形成算法和调整参数设置，可以提升系统性能，扩大覆盖范围，增强系统的适应性和灵活性[2]。

3 自适应波束成形技术在室内分布系统中的应用

3.1 系统架构设计

构建5G 室内分布系统框架时，必须全面考虑众多关键因素，如室内环境、客户需求、经费预算以及能源效率等问题。当应用自适应波束成形技术时，典型的系统架构涉及基站和用户设备2 大部分。基站设备由多个天线部件和波束成形单元构成，主要职责是发送和接收无线电信号，并执行波束成形操作。终端设备配备一些天线组件，作用是接收和发送信号。双方通过信道进行互动，基站端根据接收的信号信息实时修改波束参数，从而优化信号传输质量和覆盖范围。此外，为增强系统功能，可以添加一些辅助设备，如中继器和信号放大器等，以扩大系统的覆盖范围，增强系统的承载能力。不同系统组件的参数比较如表2所示。

表2 不同系统组件的参数比较

3.2 自适应波束成形算法在室内分布系统中的具体应用

在室内无线网络的应用中，自适应波束成形技术主要涉及波束形成和波束追踪2 个步骤。在波束形成阶段，算法调整天线单元的相位和强度，形成主要波束，使目标信号在主要波束方向上吸收最大能量，同时减少干扰信号和多径效应。例如，根据实际接收信号与预期信号的差异，系统使用LMS 算法实时调整天线相位和强度，以最小化误差，形成最佳波束；RLS 算法在波束形成阶段的优化效果显著，但计算复杂度较高[3]。

在波束追踪阶段，算法实时跟踪信号传播状态和环境变化，灵活调整波束参数，以应对信道变化和动态场景。例如，在人口密集区域，多径效应和信号衰减更为突出，因此需要更精细的波束追踪技术。这些算法可以根据信号波动特征和环境变化连续调整波束参数，确保信号稳定传输和高质量接收。

在封闭空间内，基站与用户设备通信时受到多径效应的影响，导致信号质量下降。通过应用自适应波束成形算法，系统能够实时调整波束形状和方向，使接收到的目标信号能量最大化。例如，根据实际接收信号与预期信号之间的差异，系统使用LMS 算法实时调整天线部件的相位和强度，以最小化误差，从而提高信号接收质量；利用RLS 算法，系统可以更灵活地适应信道变化，使波束形成更加有效。

3.3 成形波束性能评估及优化方法

对波束成形技术进行精确评估对于构建5G 室内分布网络至关重要，评估过程主要包括对信号覆盖范围、信噪比、误码率等多个关键指标的考量。评估室内系统有效覆盖区域通常采用覆盖率或覆盖面积作为指标，也称为确定信号覆盖域。例如，可以通过模拟实验或现场测试来评估不同波束形成策略下的信号覆盖范围，以确定最优的波束形状和指向[4]。

通常使用SNR 度量信号品质，它是衡量信号传输质量的核心指标，反映有用信号与周围噪声的强度比。SNR 值越高，传输过程中的信号质量越好。例如，在同样的工业场景下，一种波束形成策略可能通过最小化多径效应和抑制干扰来提高信号的SNR，从而增强传感器节点之间的通信连接和数据传输的可靠性。而另一种波束形成策略可能无法有效地应对环境中的干扰和噪声，导致信号质量较差，传感器节点之间的通信可能会出现中断或数据丢失等问题。

误码率（Bit Error Ratio，BER）是评估数字通信系统性能的关键指标，表示数据传输过程中错误的可能性。通常情况下，如果传输错误率降低，系统的传输质量可能会提高。例如，通过模拟测试或实地测试来衡量各种波束形成算法和参数设置下的误码率，以找到最佳的波束形成策略[5]。

为优化成形波束，可以采用多种策略。一种方法是增加天线单元的数量或调整天线结构布局，以优化波束的形态和指向。这种改变有助于扩大信号覆盖范围，并增强接收端的性能。例如，在模拟评估过程中，通过比较不同天线阵列设计来观察信号覆盖范围和接收性能，以确定最佳的天线配置方案。另一种方法是采用改进的波束形成算法和参数调整，通过调整自适应波束成形算法的参数，如学习步长和迭代次数，提高波束形成的效果和准确性。

4 结 论

文章深入探讨了自适应波束成形技术在5G 室内分布系统中的重要性及应用，并提出该技术在实际应用中的系统架构设计、算法实施及性能评估和优化方法。在构建和应用5G 室内网络覆盖时，自适应波束成形技术作为一项关键技术成功地应对室内复杂环境带来的挑战。它不仅可以提升信号质量，扩大服务范围，还可以提高频谱利用率。其灵活性和可调性使其能够适应各种环境和需求，确保提供可靠高效的通信服务。正是这些特点为5G 技术在室内的推广和提升奠定了坚实基础。