孙美芝

（单县广播电视台，山东 单县 274300）

0 引 言

截止到2020年，5G蜂窝网将采用两种新型的天线设计技术，以此来提高无线通信的效率。然而，传统基站的高功耗、低传输成为5G蜂窝网发展的瓶颈。如何提高无线信通信的传输效率，成为关键技术与基础。传统通信基站是功耗的瓶颈，用户需求与基站信号发射量之间的有效匹配成为解决问题的关键[1]。本文基于上述背景，提出射频链路算法，实现用户需求与基站信号之间的动态匹配，以最大程度地提高基站信号的发射量，降低机件的整体功耗，满足5G蜂窝网的通信需求。

1 算法概述

1.1 Massive MIMO的算法描述

MIMO技术经过多年的发展，逐步走向成熟。其中，MIMO-OFDM在4G技术中得到广泛应用，并实现了大规模的部署。相对于传统基站，MIMO技术的基站数量较多，可以实现高功率的数据传输。但是，MIMO基站的同时传输，会出现信号干扰，并造成信号衰减。所以要对MIMO基站进行调节，最优地调配基站，降低相互的干扰程度。假设MIMO基站的总数为C，每个基站为Cij，i取值为{1,…,n}、j取值为{0,1}。其中，i代表基站的编号，j代表基站的工作状态（1代表工作，0代表未工作）。那么，基站的运行状态的数学描述为：

式中，λ代表衰竭程度，0≤λ≤1。λ=0，说明不同基站之间无衰减，该基站对于整个传输最优；λ≠0，说明该基站出现衰减，要对查找干扰基站，然后进行定位和关闭。

1.2 毫米通信的数学描述

目前，所有通信系统采用的普频主要集中在300 MHz～3 GHz，而业务量的持续增加，使得频率波段占用存在重复现象，或者传输波段相似，增加了干扰的可能性，所以国内有学者提出毫米波段的构想。毫米波段具有传输频率高、传输波长短的特征。毫米波段需要依赖直视路径进行传输，在现实中的直视路径较少，限制了毫米通信的应用[2]。MIMO基站的设置，可以缩短毫米通信的传输路径，在不同MIMO基站间建立直视路径，降低了毫米通信的空间耗损，也增加了传输效率。本文对毫米通信进行数学描述，公式如下：

式中，V(X)为传输地点；F(Lk,MI(Cij))为MIMO的传输效果；Lk为传输距离；MI(Cij)为MIMO的传输能力；ξ为毫米传输距离的限制阀值；ξmax为毫米传输的理论最大距离；ξmin为毫米传输的理论最小距离。

1.3 约束条件

为了使MIMO的天线为通信建立良好的信道，尽量将射频中的链路数与用户的需求数保持一致。下面就针对射频通信的构成，进行条件约束。

1.3.1 信道与射频的约束

由于毫米传输对通信的信号要求较高，需要其频段设置要宽，以提高传输的效果。所以，要对传输的信道提出更高的要求。假设毫米传输射频为x，其传输信道为o，在第i个波段的条件下，毫米传输的射频xoi，那么信号的约束条件为：

式中，G(·)为用户需求的分布函数；F(·)为射频供给的约束函数；V(·)为输出地点；F(Lk)/V(X)为毫米传输的射频供给-需求量。

1.3.2 功耗约束

为了保障整个射频基站输出功耗符合实际要求，要对不同阶段的功耗进行计算，使其平均功耗达到预期要求。Ti为整个运行时间的最大功耗，ti为运行时间的最小功耗。

1.4 数据通信过程中的功耗调节

假设C代表整个基站集合，每个基站为Cij，那么各个基站的功耗调节如下。

第1步，构建整个基站的矩阵Mij，矩阵中的基站由实际MIMO基站组成，并剔除无工作状态的基站。

第2步，计算基站矩阵的特征值，得到整个基站集合C的平均功耗值，并将其作为每一个基站的最大功耗值。

第3步，假设每个基站Cij到传输点的距离，并判断每个信道间是否存在建筑物，或者其他干扰物，即直视路径是否已经建立，如果建立，将该点列为传输对象，否则踢出该点，采用传统传输方式，即频段300 MHz～ 3 GHz。

2 基于射频链路的算法

依据上述对基站、功耗的数学描述，以及相应阀值的设定，可以对射频传输基站进行功耗控制、传输效率分析。

2.1 构建传输信号的集合

先对MIMO中的各个基站进行编号，得到各个基站的传输范围，计算各个基站到传输点的距离以及直视路径的建立情况。收集的信息包括用户的通信量、通信要求（4G、5G）、传输距离及传输方式等，构建相应的传输集合C。

2.2 计算传输信号与用户需求之间的关系

依据实际传输结果，对工作基站大于2个的情况进行分析，可以发现传输基站与用户需求之间的关系如下。

（1）如果基站相邻，那么传输中的干扰较大，可以将双基站采用统一频率传输，以此来增加接线的传输强度，保证传输的稳定性。

（2）如果基站不相邻，且距离较远，中间无任何线路干扰，可以采用不同频段传输，但是频段传输的最大距离、基站的最大功耗要小于M矩阵的最大值。

（3）如果基站的距离适中，存在部分干扰的现象，需要进行最佳位置搜索，进行信号传输，降低传输的干扰程度。

（4）由于射频发射信号是有一定的范围，可以对该位置的信号传输范围进行确定，得到min(∑Δ(xoi))和max∑Δ(xo

i)，将其作为基站传输的最佳方案。

3 实际案例分析

以5G仿真基站为基础，采用毫米传输与传统传输的混合方式，基站总数为15个，符合MIMO要求，阐述过程中增加13个随机故障点，阻碍直视路径的建立。传输范围为100 m～1 km，波段为300 MHz～5 GHz（300 MHz～3 GHz为传统，3～5 GHz为毫米），总迭代次数为200次。

3.1 传输效果

以x11源点进行搜索，并构建相应的判断矩阵，得到最优特征值，以及最大的传输方案，结果如表1所示。

由表1可知，C1中的x6、C6中的x7、C10中的x7，均出现了频率降低的现象，主要是由于障碍物数量超过1，说明毫米传输的障碍物不能高于1。但是MIMO条件下的通信传输频率较高，传输距离均大于200 m，传输时间均小于30 s，说明基于射频链路的方式，可以较好地提高传输距离，缩短传输时间，而且基站功耗均小于40%。

3.2 传输效果

用射频链路方法进行200次的迭代计算，计算整体的传输效果，结果如图1所示。

通过分析可知，基于射频电路分析方法的基站通信效率为97%～98%，理论传输效率为98%～99%，实际传输效率为96%～97%，符合现在的实际要求。

通过分析可知，随着迭代次数的增加，传输效率仍然保持在95%～98%，如图2所示。由此说明，基于射频链路算法的传输效率符合要求，可以为5G通信奠定基础。

表1 基于射频信号发射的5G通信仿真结果[Popsize（n=15）]

图1 传输效果

图2 实际传输效率

4 结 论

提出一种基于射频链路的算法，该方法通过对基站、用户需求的构建，得到基站的计算矩阵，计算出各个基站的功耗以及传输效果。结果显示，基站通信效率在97%～98%，理论传输效率在98%～99%，实际传输效率在96%～97%，符合现在的实际要求。随着迭代次数的增加，传输效率仍然保持在95%～98%。由此说明基于射频链路算法的传输效率符合要求，可以为5G通信奠定基础。