5G天线新技术的应用与研究

王科 杨宗林 袁满

摘 要：针对5G技术发展的趋势，总结了未来天线的技术特点，介绍了大规模天线、超密集组网、全频谱接入等核心技术，总结了这些主要技术今后的应用和发展方向。

关键词：5G 大规模天线；超密集组网；全频谱接入

1 引言

天线作为通信设备电路信号与空间辐射电磁波的转换器，是空间无线通信的桥梁，其特性直接影响无线网络的性能。随着5G时代的到来，移动通信网络对基站天线的性能提出了更高的要求。

针对站址资源的稀缺、多系统共站、共天线的问题，需要对基站天线进行宽带化演进。基站天线的关键技术也在不断创新和发展，从单极化到双极化、从机械下倾到电调下倾、从单频段到多频段，从窄带到宽带甚至超宽带，从体积笨重高大到小型化。同时，集成化、超密集组网、多载波等新型技术也被不断提出[1]。综合分析多频化、小型化、隐形化、集成化和高品质等趋势是下一代基站天线研究的重点。

2 5G天线技术发展方向

移动互联网和物联网作为未来通信发展的两大主要驱动力，为5G提供了广阔的应用前景。面向未来数据流量的大幅增长，5G系统将会构建在以大规模天线、超密集组网、全频谱接入为核心的技术体系之上，全面满足未来技术需求。

2.1 大规模天线技术及应用

（1）大规模天线应用场景

大规模天线技术的潜在应用场景主要包括：宏覆盖、高层建筑、异构网络、室内外热点以及无线回传链路等。此外，以分布式天线构建大规模天线系统也可能成为该技术的应用场景之一。图1为大规模天线应用场景图。

伴随着基站天线个数以及空分用户量的大幅增长，信道信息获取成为系统实现的瓶颈。Massive MIMO，又称为large-scale MIMO，就是在基站端安装几百根天线（128根、256根或者更多），从而实现几百个天线同时发数据。Massive MIMO的信道在角度域和时延域存在稀疏性，将采取参数化模型来对这种稀疏信道建模，采用参数化信道估计和压缩感知方法大幅提高信道估计的精度[2]。

（2）大规模天线技术应用

1）传输与检测。大规模天线的性能主要是通过大量天线阵元形成的多用户信道间的准正交特性保证的。为了获得稳定的多用户传输增益，需要依赖下行发送与上行接收算法的设计来有效地抑制用户间和小区间的同道干扰。Kronecker水平垂直分离算法、数模混合波束赋形、分级波束赋形等技术可以较为有效地降低大规模天线系统计算复杂度[3]。

2）一体化设计。大规模天线前端系统从结构上可分为数字阵和数模混合阵两大类。出于复杂度、功耗和成本的考虑，数模混合的阵列架构在高频段将具有很大的应用潜力。大规模有源阵列天线的构架、高效、高可靠、小型化、低成本、模块化收发组件、高精度检测与校准方案等关键技术将直接影响到实际应用环境中的性能与效率。

Massive MIMO系统中想要实现高度集成，必须综合考虑有源模块收、发端口与天线端口的特性，结合动态波束权值优化天线设计；还要综合考虑电气指标、结构参数、环境影响等实际因素，实现最佳设计。

2.2 超密集组网及应用

超密集组网将是未来移动数据流量需求的主要技术手段，其通过更加密集化的无线网络部署，获得更高的频率复用效率，从而在局部热点区域实现百倍量级的容量提升[4，5]。

为了满足应用场景的需求和技术挑战，接入和回传联合设计、干扰管理和抑制、小区虚拟化技术是超密集组网的重要研究方向。

1）接入和回传联合设计。接入和回传联合设计包括混合分层回传、多跳多路径回传、自回传技术和灵活回传技术等。

混合分层回传是在架构中将不同基站分层，宏基站以及其它有线回传资源的小基站属于一级回传层，二级回传层的小基站以一跳形式与一级回传层基站相连接，将有线回传与无线回传相结合，提供一种轻快、即插即用的超密集小区组网形式。

多跳多路径回传可给系统容量带来明显的增益。

自回传技术包括接入链路和回传链路的联合优化以及回传链路的联合优化方面，通过两者之间自适应的调整资源分配可提高资源的使用效率。

灵活回传技术能够以较低的部署和运营成本满足网络的端到端业务质量要求。

2）干扰管理和抑制策略。超密集组网可以有效的提升系统的容量，但也带来了严重的干扰问题。干扰管理和抑制策略是以分簇的多小区进行频率协调，按照整体干扰性能最优的原则，对密集小基站进行频率资源的划分，相同频率的小站为一簇，簇间用异频，可较好地提升边缘用户体验。

3）小区虚拟化技术。小区虚拟化技术包括虚拟层技术和软扇区技术。虚拟层技术由密集部署的小基站构建虚拟层和实体层网络，其中虚拟层承载广播、寻呼等控制信令，负责移动性管理；实体层承载数据传输，用户在同一虚拟层内移动时，不会发生小区重选或切换，从而实现用户的轻快体验，如图3所示。

软扇区技术由集中式设备通过波束赋形形成多个软扇区，可以降低大量站址、设备、传输带来的成本；同时提供虚拟软扇区和物理小区间统一的管理优化平台，降低运营商维护的复杂度，是一种易部署、易维护的轻型解决方案，如图4所示。

2.3 全频谱接入技术

全频谱接入指的是6GHz以下的低频段和6GHz以上的高频段，其中低频段是5G的核心频段，用于无缝覆盖；高频段作为辅助频段，用于热点区域的速率提升。全频谱接入采用低频和高频混合组网，充分挖掘低频和高频的优势，满足信号无缝覆盖、高速率、大容量等需求[6]。

考虑到高频段传播特性与6G以下低频段有明显不同，高频在移动条件下，易受到障碍物、反射物、散射体以及大气吸收等环境因素的影响，高频信道与传统蜂窝频段相比有传播损耗大、信道变化快、绕射能力差等因素，因此需要对高频信道测量与建模、高频新空口、组网技术以及器件等内容做深入研究，图5为高频通信关键技术示意图。

3 结束语

5G天线核心技术主要包括大规模天线、超密集组网、全频谱接入等，随着天线需求的不断提高和未来形势的需求，基站天线的有源化、小型化和集成化成为发展及创新的必然趋势，这对提升移动网络的系统容量、网络性能、頻谱效率、空间复用度、降低运维成本、降低能耗损具有重要作用。

参考文献

[1] 赵鲁豫 陈奥博 刘乐.5G新体制天线技术研究[J].电信技术， 2017，（11）117-120

[2] 王波 梅晓莉.浅析5G移动通信关键技术[J].卷宗，2015，（4）292

[3] 黎迪鸿.5G移动通信的关键技术及其发展展望[J].信息通信，2017， （2）242-243

[4] 刘平.5G移动通信关键技术及发展趋势分析[J].中国新技术新产品，2016，（18） 27-28

[5] 方汝仪.5G移动通信网络关键技术及分析[J].信息技术，2017，（1） 142-145

[6] 张林旺 刘思宇 包峻名.5G移动通信网络关键技术要点分析[J].中国新通信， 2017 （10），19

作者简介

王科，硕士 现工作于中国联通山东省分公司网络优化中心，高级工程师。

杨宗林，硕士 现工作于中国联通济南市分公司网络优化中心，工程师。

袁满，学士 现工作于中国联通山东省分公司网络优化中心，工程师。