5G通信大规模天线无线传输技术分析

摘要：在5G移动通信网络中，大规模天线无线传输技术具有高吞吐量、抗干扰性强、可靠性高等优点，对于5G标准的制定和构建起到了重要的推动作用。本文针对大规模天线无线传输技术在5G通信中的具体运用展开探讨，介绍了大规模天线无线传输概念及原理，并深入研究了5G通信场景下的大规模天线无线传输关键技术，包括导频技术、信道估计、预编码和功率控制。同时，针对导频污染问题，提出了针对性的解决方法，旨在为大规模天线无线传输技术的发展提供参考。

关键词：5G通信；大规模天线；无线传输；传输技术

一、引言

随着科技的进步，移动通信技术迅速发展，5G技术已经开始商用，推动了通信行业的技术革命。虽然国内5G通信的网络部署已经取得了很大进展，但总体而言，5G通信技术还没有实现真正的普及，其发展还处于起步阶段^[1]。大规模天线无线传输技术是5G通信技术的关键组成部分，加强其研究可以为5G网络中的通信技术发展提供更多的可能性，有效提升5G通信效率，对于推动我国移动通信领域的发展来具有重要意义。

二、大规模天线无线传输

频谱效率是5G网络通信中关键环节，同时也是评估5G网络中信息传输稳定性的关键指标^[2]。5G通信系统中的频谱效率较低会导致频率波动，从而对信号接收造成干扰，影响5G网络通信的稳定性。因此，提高5G的频谱效率至关重要。大规模天线无线传输技术是目前国际上公认的、解决该问题的最为有效的手段^[3]。

Massive MIMO即大规模多入多出天线无线传输技术（MIMO），是指在基站中安装数百个天线，通过多输入多输出系统来增加信号传输速度，从而获得显著增益^[4]。大规模MIMO的关键在于增加MIMO基站数量，其基本原理见图1。大规模MIMO具有良好的扩展性，可以显著扩大通信网络容量，其扩大的网络容量与经典香农理论存在一定差异^[5]：

①大规模MIMO模式下，节点只需明确下行链路的信道状态。

②基站天线数量通常是终端用户数量的几倍甚至几十倍。

③上行链路中通过线性接收及预编码技术。随着基站天线数目的增加，线性接收及预编码技术的效能可趋近于香农极限。

与常规天线无线传输技术相比，大规模MIMO在物理性质、系统性能上都有着无可替代的优越性。首先，在大规模设置天线的情况下，多个用户间的传输将会出现递增的正交化特征，使得多个用户间的相互影响得到最小化或完全抑制，进而极大地提升了多个用户间的通信能力^[6]。其次，通过增加天线数目，降低了数百个不同的信道之间的相互影响，使得信道之间相互独立，同时衰减的可能性较小。信道独立可以平均信道塊衰落及热噪声，加之信道具有较佳的传输条件，使得其抗深度衰减的效率更高，从而减少信号传输延迟。然而，在现有的无线网络中，为了抵消信道的深度衰减^[7]，需要利用多路信号进行编码和交织，使得多路信号混叠在多个时间周期中。信号接收者需获取全部数据才能接收信息，导致较大的通信延迟。再次，大规模天线阵列可以通过将波束能量集中在更小的范围内，提高系统的空间分辨率，并抑制多个不同类型的系统之间的相互影响。此外，增加天线阵列数目，通过波束赋形获得的信号叠置增益，可以降低单条阵列发射的功耗和射频前端功耗，减少通信系统的硬件开销。最后，在大规模MMO天线无线传输系统中，可以通过最大比率发射和接收等简单的线性化方法获得接近最佳的系统效能，从而进一步减少系统架构和实施的复杂性。

三、5G通信大规模天线无线传输关键技术

（一）导频技术

在多小区大规模MIMO系统中，随着天线数目的增加，邻近小区导频相同的终端带来的信号干扰影响最大，被称为导频污染^[8]，而导频污染的根源是使用相同导频。在大规模MIMO模式下，理论上所有终端都需要配置正交导频序列。然而，在实际应用中，由于信道经常发生变化且相干时间较短，无法提供足够正交导频序列用于分配。因此，在5G通信的大规模天线无线传输模式下，在不影响现有导频顺序的前提下，需要根据适当的配置方案优化导频配置，以降低使用相同导频的概率^[9]。目前，导频偏移、导频功率控制、部分导频多路复用和导频协调配置是当前导频技术研究的热点。

①导频偏移：通过重新配置框架中引导信号的放置位置，使得邻近单元之间的引导信号可以在不同的时间间隔内传输，以降低引导信号的混杂。

②导频功率管理：导频发射时间间隔分为两部分，同时错开交叉增益较大的小区间的导频发射时间间隔，或者减少非目标小区中的用户导频发射功率^[10]。

③局部导频复用：第一种方法是通过正交多路传输，把一个小区分成两个大型一维天线阵列，同一个天线阵列采用相同导频，不同天线阵列之间采用正交导频。第二种方法是将小区网络分为中心区和外围区，中心区的无线网络采用相同导频，而外围的无线网络则采用正交导频。

④导频协调分配：记录导频序列，在需要重新使用该导频序列时，选择导频污染影响（MSE）最小的用户。上述导频分配方案优缺点分析如表1所示。

（二）信道估计

针对大型多天线MIMO通信系统，常规的MIMO信道估计方法的准确率往往依赖于发射端的导频信息，但由于导频污染的存在，导致MIMO通信中的目标信道和干扰信道难以区分^[11]。基于子空间的信道估计方法可以有效减少导频信号的使用，从而降低导频污染和信道估计误差。目前常用的信道估计方法包括盲估计和半盲估计两种。盲估计的基本原理是对接收信号空间进行合理划分，实现前提是假设基站天线数和接收信号数趋于无穷，且小区信号接收天线矩阵与其他小区用户到基站的信道矩阵无关，但与本小区内终端用户到基站的信道矩阵线性相关。如果小区内实现正交导频，就可以避免导频信号的干扰。然而，现实中基站数量和接收机数量是有限的，导致盲估计算法仅适用于理想状态下的信道估计。

半盲估计方法的原理是基站通过多个信号估计信道的特征向量，并根据少量导频信号进行信号估计。该方法假设基站和不同终端用户间的信道是正交的，因此终端用户只需发出导频符号就可以避免导频污染。

（三）预编码

预编码方法是根据基站端估计得到的信道状态信息确定下行链路预编码矩阵，同时在下行信号传输中使用该预编码矩阵，从而消除导频污染。该方法可以进一步分为线性预编码和非线性预编码两种。尽管非线性预编码效果更好，但算法难度较大，因此，在大规模MIMO实践中，常使用线性预编码方法。常用线性预编码方法包括迫零预编码（ZF）和最小均方误差预编码（MMSE）。其中，ZF方法需要进行迭代求最优解，计算资源开销较大，而MMSE方法考虑了系统噪声的影响，具有较好的鲁棒性^[12]。

（四）功率控制

在实践应用中，蜂窝网络的功率通常是有限的，因此需要进行适当的功率分配以获得最理想的系统效能。传统的大规模MIMO研究通常假设功率平均分配，但在实践应用中，合理分配功率是必要和可行的。上行链路可以理解为用户分配发送功率，此时小区i基站收到的信号向量表示为：

四、结束语

综上所述，5G大规模天线无线传输技术的应用价值日益凸显。然而，该项技术的实际应用成本较高，还需要进一步完善相关技术以解决瓶颈问题。因此，本文针对MIMO系统中关键技术，包括导频技术、信道估计、信号检测、预编码技术和功率控制技术等进行了探讨，旨在提高5G大规模天线无线传输技术的可行性，并逐渐实现更大范围的商用。

作者单位：易斌 广东省電信规划设计院有限公司福州分公司

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