陈超 吴红军 范秋雨

摘要：本文通过对大规模天线无线传输技术的概述，分析了大规模天线对5G移动通信网络的意义，并对大规模天线的基本原理进行分析，探讨了大规模天线系统频谱效率理论，研究5G通信大规模天线无线传输技术，以期能够提升通信系统的高效性、安全性与使捷性，带动整个通信领域的技术变革。

关键词：5G通信;大规模天线;无线传输技术

虽然4G通信网络在社会中得到了广泛的布局，但是随着使用时间的延长、人们通信需求的提升，4G通信的技术弊端逐步暴露，而这也为5G通信技术的发展提供了更多的可能性。虽然当前我国的5G通信网络在逐步布局，但是，其尚处于发展的初期阶段，在社会上的应用覆盖面相对较小，大规模天线无线传输技术作为通信领域的关键技术，在不断发展的过程中能够有效带动5G通信系统的逐步完善，提升通信系统的高效性、安全性与便捷性，带动整个通信领域的技术变革。

1 大规模天线无线传输技术概述

天线无线传输技术是在上世纪九十年代提出的新技术，随后在该技术理论出现以后，人们经过了不断的研究与发展，形成了新的大规模天线无线传输技术，这一技术属于新型技术，在通信领域的应用带动了行业变革。大规模天线无线传输技术主要指的是在基站所覆盖区域，配置一定数量的天线，将这些天线在某个通信基站内通过大规模集中布设的方式，来进行通信系统的优化，这一技术应用时，基站侧配天线数量有所增加，也就可以实现对一定空间维度内无线资源的深度挖掘，进而满足相应的通信需求[1]。因此，大规模天线无线传输技术在通信领域的作用是不可替代的，不仅使得通信过程中的安全性得以保障，还使得通信系统中的频谱效率有所提升。普通居民小区的平均频率效率与基站天线数量之间存在着紧密的关系，如表1所示。

大规模无线天线系统与常规的4G网络系统相比，其天线数量相对较多，至少要比4G网络系统多1个量级，在小区周边分布有很多的天线，使得在通信系统运行时，多用户信道之间存在着一定的交叉性，其他小区之间所存在的Gauss噪声会在该通信系统运行时逐步受到严重的干扰，也就避免了传统4G网络所存在的技术限制，有效实现了对用户传输功率的优化。大规模无线天线通信系统下，单个用户的容量更具可靠性，基本上不会受到其他因素的干扰。小区中天线分布与阵列分布保持着高度的相似性，与此同时，也需要同步增加基站侧的天线数量，此时，移动通信系统中的天线电波频率也随之增大，傳统的MIMO技术已经难以与现实情况相符合，只有通过二次优化和处理，方可达到安全、高效通信的目的[2]。近年来，随着通信系统中射频频率的逐步增大，在通信系统中也存在着较大的路径损耗，只有通过增加天线数量，方可对高频损耗加以补偿。根据相应的实践，一旦通信网络中的频率达到甚至超过看了100GHz，信号传播不再以衍射为主，而更多地体现在反射和散射方面，而大规模MIMO技术下，可以自动生成可调节波束，而此波束在形成以后，就可以在很大程度上消除和避免传统技术下的信号干扰和失真问题。

5G通信行业的发展中，只有掌握了最为先进的技术，才能够从根本上保障通信的便捷性，以充分利用空间内的天线资源，而传统的4G网络技术下，显然难以符合实际情况，如果要彻底改变这一现状，就需要充分利用天线阵列技术，通过这一技术来避免信号传输时的干扰问题，保障点到点、点到面、面到面之间信号传输的高效性。

2 大规模天线对5G移动通信网络的意义

大规模天线技术在移动通信领域的应用，可以有效改变传统技术的频率效率低下的现状，使得通信网络中的频谱效率能够在该技术下有所提升，通过新型网络结构的构建，来保障频率资源的有效利用与分配，使得在移动通信网络中，通信系统的覆盖面有所扩大、系统能耗有所降低。大规模天线技术的突出特征就是MIMO系统中的发射和接收天线端口数量相对较多，这一技术条件下，实现了通信域从时域与频域维度的扩展，使得通信域有所扩大，也就有效提升了空间资源的有效分配和利用，频谱效率有所提升[3]。MIMO技术下，即使在带宽不变的条件下，通信系统中的容量和频率利用率也可以成倍增加，因此，发送端和接收端之间会包含多个独立信道，也就有效提升了系统的兼容性与可靠性。

3 大规模天线的基本原理分析

5G通信大规模天线无线技术应用中，其系统的构成相对复杂，主要以密集辐射阵、功分网络、耦合校准网络、直插型连接器和收发单元为主，在该系统运行的过程中，各个构成部分之间要保持良好的协调性与配合性。在密集辐射振中，存在有去耦装置设计，而密集辐射阵由多个双极化辐射单元来构成，必须要保障横向间距与纵向间距的合理性[4]。天线射频通道可以在系统运行时保障无线信号收发的科学性与合理性，收发单元的存在能够对射频通道的RF信号加以接收和发射。而耦合校准网络的存在，是为了对系统中的全部电路加以评估，使得各个电路能够符合系统的需求。大规模天线无线传输的技术原理总体上概括就是对无线信号的收发、频道接收与信号源的处理过程，需保持整个传输处理过程的连续性，由于天线阵所发生的大部分能量将集聚于相对狭小的区域中，这也就使得在系统运行的过程中，当使用的天线数量增加时，波束宽度也会有所减小，此时，需借助于复杂算法，来进行系统优化。

4 大规模天线系统频谱效率理论

4.1 频谱效率理论分析

大规模天线作为通信系统中的重要构成，在当前的条件下，随着人们对通信需求的日渐提升，天线数量和用户数量都处于不断增加的趋势下，也就加大了大规模天线系统的技术瓶颈，尤其是要在该系统中的信道信息获取成为了关键难题。大规模MIMO技术在该系统的应用中，由于存在着上下行传输的能耗效率和频谱效率影响，如果再加上对导频污染、信道估计等多种因素的考虑，也就可以基本判定用户基站天线个数与接收机技术之间的紧密关联性，在这一关联因素下，大规模MIMO频谱效率同样会受到一定的干扰[5]。

4.3 系统级频谱效率

近年来，为有效解决5G通信领域的问题，专业人员加大了在频谱效率方面的研究，在具体的研究过程中，为保障研究结果的可靠性，多会将随机几何法作为主要的研究方法。具体的研究流程是：将接收机的信号干燥比作为基础，利用Shannon公式来进行更为精确的频谱效率计算。此研究存在一定假设前提，也就是假定基站服从Poisson分布，在这一条件下，利用已知信息和相应的公式，就可以获得最终的频谱效率数据。当然在系统级频谱效率的分析和研究方面，同样可以采用其他的方法，比如，假定基站的位置是已知信息，用户在小区中为均匀分布，在系统级频谱效率的计算过程中，可以将信道容量和用户期望值作为基础来开展。现阶段，随着5G通信领域大规模天线无线传输技术在大力推广和发展，国内外的很多学者都对这方面的问题开展了大量的研究，尤其是在多天线系统容量理想值方面的研究相对较多，在未来，非理想值将是研究的热点问题。

5 5G通信大规模天线无线传输技术

5.1 导频设计

5G通信系统运行中，信道估计是评估系统运行水平的关键因素，而信号估计是否准确在很大程度上是由参考信号所决定的，因此，在大规模天线无线传输系统的设计过程中，相关设计人员需严格根据系统的运行需求，来保障参考信号设计的合理性，以通过参考信号的优化设计，来提升信号估计结果的准确性。参考信号包含了获得信号质量、解调数据为目标的信号类型，如果要利用参考信号来获得信号质量结果，在设计时一般要将其设计为全向发送的方式，占用的资源相对有限;如果要利用参考信号来解调数据，就需要在设计时以顺利解调为基础，将其设计为以预编码方式的导频形式。通常情况下，导频设计以正交导频和非正交导频为主，在不同的形式下，也存在多种类型和表现，如果要保障参考信号设计的质量，需结合系统通信要求，选择恰当的形式。

在4G通信网络系统中，正交导频技术的应用相对较多，这一技术具有更好的抗干扰性，使用价值非常突出，虽然如此，如果在5G通信大规模天线无线系统中应用的是正交导频技术，可能会存在成本偏高的情况。在4G通信技术的长期发展过程中，虽然导频技术同样会面临成本偏高的问题，但是，由于天线数量相对较少，使得成本问题并不是其中的突出问题。现阶段，随着5G通信技术的日渐发展，天线数量急剧增加，导频技术在应用时的成本问题成为了通信领域的关键问题，为有效实现技术应用时的成本控制，在5G通信领域，非正交导频技术逐步引起了人们的重视。根据非正交导频技术在应用时的细微差异，包含了叠加于数据的导频、复用性导频，在叠加于数据的导频技术下，可能會受到一些因素的干扰，而这些干扰因素的存在，可能会使得导频的准确性难以保障;复用性导频技术下，可能会存在一定的导频污染，而这一现象使得在导频技术应用时，信道估计的准确性面临着较大的挑战。为了使得5G通信领域大规模天线无线传输技术得到最为有效的控制，就需要在技术应用和系统设计的过程中，充分协调导频技术下的成本与质量，在设计时可以将各个网络中的上行导频从时间上错开，进而来消除其他因素的干扰，即使在天线数量较多的情况下，利用此方式也可以有效降低导频污染对系统所造成的不利影响。

5.2 信道估计

信道估计是大规模天线无线传输技术中需要关注的重点问题，虽然在当前的技术条件下，信道估计的方法越来越多，但是，不同的方法下，估计结果的准确性也存在着较大的区别。几种方式加以对比，以大规模MIMO信号稀疏特性为基础的信号处理算法下，可以有效保障信道估计结果的准确性。此外，这一算法下，MIMO信道的角度域、时延域都具有稀疏性，使得在实际的应用过程中，有关人员可以直接应用相应的方式来进行建模处理，并通过参数化计算和压缩感知的方式，来进一步保障信道估计的精度，通过这一方式，来使得5G通信网络的信号传输稳定性和可靠性都有所提升。

随着5G通信大规模天线无线传输技术的不断发展，盲信道估计方法的优势也日渐凸显，且在该领域得到了一定的应用。从实际的应用效果来看，盲信道估计方法下，可以实现估计精度、导频成本和导频污染等的协调，进而有效解决信道估计方面所存在的各种问题。盲信道估计方法的理论基础上大规模MIMO信道空间存在渐进正交性，在这一理论下，有关人员可以通过对特征值的分解，来消除矩阵模糊度的干扰。总之，在信道估计的过程中，如果要保障估计结果的准确性，有关人员就需要充分根据通信系统的具体要求，来对比多种技术的优劣势，为信道估计提供可靠的技术支持。

6 结束语

近年来，随着通信技术的快速发展，我国在近年来已经逐步迈向了5G时代，虽然5G通信网络并未实现全覆盖，但在技术不断发展的条件下，5G必将取代4G，成为通信领域的核心技术。大规模天线无线传输技术作为5G通信领域的关键技术，在技术应用时还存在很多的问题，在未来的发展过程中还需要加大技术研发与创新。

参考文献

[1]刘阳.基于5G通信的大规模天线无线传输技术探讨[J].计算机产品与流通，2019，000 （007）：181.

[2]纪凯，基于5G通信的大规模天线无线传输技术探讨[J].数字通信世界，2019，000 （011）：58.

[3]白杨鹏程.5G通信大规模天线无线传输技术探讨[J].卫星电视与宽带多媒体，2020 （1）：5-6.

[4]李率信.SG通信大规模天线无线传输技术分析[J].新商务周刊，2020，000 （006）：209.

[5]李丹.探究5G通信大规模天线无线传输技术[J].科学技术创新，2020 （02）：76-77.

作者简介

陈超（1987-），男，黑龙江省大庆市人。硕士研究生学历，工学硕士，工程师，现就职于中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，任高级咨询设计师。研究方向为移动通信网络与信息系统。

吴红军（1982-），男，山东省人。大学本科学历，工学学士，工程师，现就职于中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，任咨询设计师。研究方向为移动通信技术。

范秋雨（1989一），女，黑龙江省大庆市人。大学本科学历，工学学士，助理工程师，现就职于中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，任咨询设计师。研究方向为移动通信系统。