王科 楊宗林 袁滿
摘 要:針對5G技術(shù)發(fā)展的趨勢,總結(jié)了未來天線的技術(shù)特點(diǎn),介紹了大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入等核心技術(shù),總結(jié)了這些主要技術(shù)今后的應(yīng)用和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:5G 大規(guī)模天線;超密集組網(wǎng);全頻譜接入
1 引言
天線作為通信設(shè)備電路信號與空間輻射電磁波的轉(zhuǎn)換器,是空間無線通信的橋梁,其特性直接影響無線網(wǎng)絡(luò)的性能。隨著5G時代的到來,移動通信網(wǎng)絡(luò)對基站天線的性能提出了更高的要求。
針對站址資源的稀缺、多系統(tǒng)共站、共天線的問題,需要對基站天線進(jìn)行寬帶化演進(jìn)。基站天線的關(guān)鍵技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展,從單極化到雙極化、從機(jī)械下傾到電調(diào)下傾、從單頻段到多頻段,從窄帶到寬帶甚至超寬帶,從體積笨重高大到小型化。同時,集成化、超密集組網(wǎng)、多載波等新型技術(shù)也被不斷提出[1]。綜合分析多頻化、小型化、隱形化、集成化和高品質(zhì)等趨勢是下一代基站天線研究的重點(diǎn)。
2 5G天線技術(shù)發(fā)展方向
移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)作為未來通信發(fā)展的兩大主要驅(qū)動力,為5G提供了廣闊的應(yīng)用前景。面向未來數(shù)據(jù)流量的大幅增長,5G系統(tǒng)將會構(gòu)建在以大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入為核心的技術(shù)體系之上,全面滿足未來技術(shù)需求。
2.1 大規(guī)模天線技術(shù)及應(yīng)用
(1)大規(guī)模天線應(yīng)用場景
大規(guī)模天線技術(shù)的潛在應(yīng)用場景主要包括:宏覆蓋、高層建筑、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)外熱點(diǎn)以及無線回傳鏈路等。此外,以分布式天線構(gòu)建大規(guī)模天線系統(tǒng)也可能成為該技術(shù)的應(yīng)用場景之一。圖1為大規(guī)模天線應(yīng)用場景圖。
伴隨著基站天線個數(shù)以及空分用戶量的大幅增長,信道信息獲取成為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的瓶頸。Massive MIMO,又稱為large-scale MIMO,就是在基站端安裝幾百根天線(128根、256根或者更多),從而實(shí)現(xiàn)幾百個天線同時發(fā)數(shù)據(jù)。Massive MIMO的信道在角度域和時延域存在稀疏性,將采取參數(shù)化模型來對這種稀疏信道建模,采用參數(shù)化信道估計和壓縮感知方法大幅提高信道估計的精度[2]。
(2)大規(guī)模天線技術(shù)應(yīng)用
1)傳輸與檢測。大規(guī)模天線的性能主要是通過大量天線陣元形成的多用戶信道間的準(zhǔn)正交特性保證的。為了獲得穩(wěn)定的多用戶傳輸增益,需要依賴下行發(fā)送與上行接收算法的設(shè)計來有效地抑制用戶間和小區(qū)間的同道干擾。Kronecker水平垂直分離算法、數(shù)模混合波束賦形、分級波束賦形等技術(shù)可以較為有效地降低大規(guī)模天線系統(tǒng)計算復(fù)雜度[3]。
2)一體化設(shè)計。大規(guī)模天線前端系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為數(shù)字陣和數(shù)?;旌详噧纱箢?。出于復(fù)雜度、功耗和成本的考慮,數(shù)?;旌系年嚵屑軜?gòu)在高頻段將具有很大的應(yīng)用潛力。大規(guī)模有源陣列天線的構(gòu)架、高效、高可靠、小型化、低成本、模塊化收發(fā)組件、高精度檢測與校準(zhǔn)方案等關(guān)鍵技術(shù)將直接影響到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的性能與效率。
Massive MIMO系統(tǒng)中想要實(shí)現(xiàn)高度集成,必須綜合考慮有源模塊收、發(fā)端口與天線端口的特性,結(jié)合動態(tài)波束權(quán)值優(yōu)化天線設(shè)計;還要綜合考慮電氣指標(biāo)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境影響等實(shí)際因素,實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計。
2.2 超密集組網(wǎng)及應(yīng)用
超密集組網(wǎng)將是未來移動數(shù)據(jù)流量需求的主要技術(shù)手段,其通過更加密集化的無線網(wǎng)絡(luò)部署,獲得更高的頻率復(fù)用效率,從而在局部熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級的容量提升[4,5]。
為了滿足應(yīng)用場景的需求和技術(shù)挑戰(zhàn),接入和回傳聯(lián)合設(shè)計、干擾管理和抑制、小區(qū)虛擬化技術(shù)是超密集組網(wǎng)的重要研究方向。
1)接入和回傳聯(lián)合設(shè)計。接入和回傳聯(lián)合設(shè)計包括混合分層回傳、多跳多路徑回傳、自回傳技術(shù)和靈活回傳技術(shù)等。
混合分層回傳是在架構(gòu)中將不同基站分層,宏基站以及其它有線回傳資源的小基站屬于一級回傳層,二級回傳層的小基站以一跳形式與一級回傳層基站相連接,將有線回傳與無線回傳相結(jié)合,提供一種輕快、即插即用的超密集小區(qū)組網(wǎng)形式。
多跳多路徑回傳可給系統(tǒng)容量帶來明顯的增益。
自回傳技術(shù)包括接入鏈路和回傳鏈路的聯(lián)合優(yōu)化以及回傳鏈路的聯(lián)合優(yōu)化方面,通過兩者之間自適應(yīng)的調(diào)整資源分配可提高資源的使用效率。
靈活回傳技術(shù)能夠以較低的部署和運(yùn)營成本滿足網(wǎng)絡(luò)的端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量要求。
2)干擾管理和抑制策略。超密集組網(wǎng)可以有效的提升系統(tǒng)的容量,但也帶來了嚴(yán)重的干擾問題。干擾管理和抑制策略是以分簇的多小區(qū)進(jìn)行頻率協(xié)調(diào),按照整體干擾性能最優(yōu)的原則,對密集小基站進(jìn)行頻率資源的劃分,相同頻率的小站為一簇,簇間用異頻,可較好地提升邊緣用戶體驗(yàn)。
3)小區(qū)虛擬化技術(shù)。小區(qū)虛擬化技術(shù)包括虛擬層技術(shù)和軟扇區(qū)技術(shù)。虛擬層技術(shù)由密集部署的小基站構(gòu)建虛擬層和實(shí)體層網(wǎng)絡(luò),其中虛擬層承載廣播、尋呼等控制信令,負(fù)責(zé)移動性管理;實(shí)體層承載數(shù)據(jù)傳輸,用戶在同一虛擬層內(nèi)移動時,不會發(fā)生小區(qū)重選或切換,從而實(shí)現(xiàn)用戶的輕快體驗(yàn),如圖3所示。
軟扇區(qū)技術(shù)由集中式設(shè)備通過波束賦形形成多個軟扇區(qū),可以降低大量站址、設(shè)備、傳輸帶來的成本;同時提供虛擬軟扇區(qū)和物理小區(qū)間統(tǒng)一的管理優(yōu)化平臺,降低運(yùn)營商維護(hù)的復(fù)雜度,是一種易部署、易維護(hù)的輕型解決方案,如圖4所示。
2.3 全頻譜接入技術(shù)
全頻譜接入指的是6GHz以下的低頻段和6GHz以上的高頻段,其中低頻段是5G的核心頻段,用于無縫覆蓋;高頻段作為輔助頻段,用于熱點(diǎn)區(qū)域的速率提升。全頻譜接入采用低頻和高頻混合組網(wǎng),充分挖掘低頻和高頻的優(yōu)勢,滿足信號無縫覆蓋、高速率、大容量等需求[6]。
考慮到高頻段傳播特性與6G以下低頻段有明顯不同,高頻在移動條件下,易受到障礙物、反射物、散射體以及大氣吸收等環(huán)境因素的影響,高頻信道與傳統(tǒng)蜂窩頻段相比有傳播損耗大、信道變化快、繞射能力差等因素,因此需要對高頻信道測量與建模、高頻新空口、組網(wǎng)技術(shù)以及器件等內(nèi)容做深入研究,圖5為高頻通信關(guān)鍵技術(shù)示意圖。
3 結(jié)束語
5G天線核心技術(shù)主要包括大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入等,隨著天線需求的不斷提高和未來形勢的需求,基站天線的有源化、小型化和集成化成為發(fā)展及創(chuàng)新的必然趨勢,這對提升移動網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量、網(wǎng)絡(luò)性能、頻譜效率、空間復(fù)用度、降低運(yùn)維成本、降低能耗損具有重要作用。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介
王科,碩士 現(xiàn)工作于中國聯(lián)通山東省分公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心,高級工程師。
楊宗林,碩士 現(xiàn)工作于中國聯(lián)通濟(jì)南市分公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心,工程師。
袁滿,學(xué)士 現(xiàn)工作于中國聯(lián)通山東省分公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心,工程師。