5G通信天线的设计与研究

在科学技术日新月异的二十一世纪，技术更新换代速度之快已经超乎我们的想象。本文结合了国内和国外移动通信技术的发展现状，在已经取得的成果的基础之上，来具体介绍一下5G 移动通信天线的研究与设计。
一、前言
第五代移动通信技术（5G）是面向2020年以后的新一代移动通信系统，根据移动通信的发展规律，5G将具有超高的频谱利用率和能效。第五代移动通信系统将在第四代移动通信系统（fourth-generation，4G）的基础之上，进一步提升无线移动通信的网络系统、无线传输技术等。挖掘无限空间维度资源，提高功率效率的有效性和频谱效率的基本途径是运用多天线发送和多天线接收（multiple-input multiple-output，MIMO）技术。
二、5G的概念和应用简介
从1G模拟技术到4G技术的长期演变，现在移动通信系统已经被世界上超过三分之二的人口使用，并且已经成为人们日常生活中的一个重要组成部分。目前大规模推广的技术是4G，所以相对来说，5G技术对大众来说还很陌生。正因如此，学术界和产业界目前还没有给5G一个确切的定义。现在对5G的初步定义是传输速率达到10Gb/s的下一代移动通信技术。著名的《时代》周刊也采用了这一说法。
欧盟有关5G技术研发的METIS项目指出，5G通过无线技术来构建网络，与传统的以技术为中心的智能化自主网络不同，它是以用户的体验为中心。
韩国的信息技术融合研究认为，无线传输容量大、低功率化、万物互联是未来的5G技术必须要达到的几个条件，韩国也把这作为韩国5G技术发展的主攻方向。我国的863计划中5G技术的组长尤肖虎的观点是，5G技术会和3G、4G移动通信技术相互结合，形成新一代的移动信息网，以此来满足大众未来的流量需求。
总而言之，5G 技术就是面向大众业务娱乐需求的新一代的移动通信技术，能够极大地提升通信系统性能的一项重要技术。
三、大规模天线系统研究简介
系统设计和性能评估的基础是对信道容量的分析。许多学者和研究者根据MIMO多天线技术发展了一种新的理论，就是随机矩形理论。包含Wishart记性以及特征值的统计特点，自由概率理论等方法。在理想情况之下，这些研究方法同样对大规模天线系统的容量分具有重要作用，但是并不完全适用，还有一些更具有挑战性的问题。
（1）随着天线数量和用户数量的增加，如何获取信道信息是实现系统的难点问题。所以，对导频资源限制下的信息理论的进一步研究是必不可少的一步。
（2）大规模MIMO为蜂窝移动通信提出了一些更具挑战性的难题，也就是多用户多小区的蜂窝移动通信的最大化的问题。在多小区多用户容量的分析基础上，对用户分布和基站节点的分布作进一步的考虑，然后再对整个的蜂窝系统做详细的容量评估，这对设计和运行蜂窝系统具有重要的指导和借鉴意义。
四、对天线阵列的设计与研究
天线的基本特征是在同一时刻资源的配置上，采用了大规模的列阵天线配置所形成的空间方式。大大提升了资源的复用能力和用户的使用效率。提高了传输效率。
1、分布式天线系统
挖掘空间维度资源的一种途径是分布式天线系统。在不同的地理位置中配备多天线的节点，在分布式天线中，通过高速回程处理单元，协作完成与多个单个移动通信终端的通信。通过节点间的协助，获得MIMO的3种效益。但是，受限于目前的标准，MIMO的性能将会受到极大的限制。
为了应对移动数据业务量日益增大的趋势，突破现在的蜂窝式系统的限制，学者和研究者提出了在有热点覆盖的范围大量增加小区个数或者协助节点的个数的方法。也可以以大规模阵列天线替代现在已有的多天线，通过这种方式来形成大规模的无线通信环境。大规模天线的基本特征是在信号覆盖范围内，配置数百根以上的天线，这比4G移动通信系统的天线数量增加了一倍以上。这些天线不仅分布在小区里，而且还可以以大规模天线阵列的方式来集中放置。随着分布式节点总天线数目的日益增加，信道间的信号也将趋于正相交，Gauss的噪声和一些不相关的小区干扰将会逐渐消失。用户的使用容量仅仅受限制于其它小区相同导频序列的用户的干扰。
2、对移动通信天线的进一步探究方向
目前，大量的学者和研究者已经对移动天线进行了研究，未来的研发方向是非理想信道信息。当存在导频污染情况的时候，对迫零（zero forcing,ZF）以及正则迫零（regular ZF，RZF）预编码进行深入的研究是正确的解决途径。除此之外，对时分双工，上下行不互相交换对系统的影响还需要做进一步的深入研究。考虑非理想信息信道，当存在节点协作的时候，对系统频谱效率的渐进线分析也是另外一个很有难度的探究方向。
五、大规模天线系统的信息获取途径
随着天线个数的增加和用户数的增加，在大规模的天线系统中。对于上行的链路，应用正交导频，导频的费用也随着总天线数量的增加而增加。对时分双工系统来说，少了上下行的信道交互性，是对大规模天线的主要障碍。
从大的方面说，在获取大规模天线系统的信息的时候，降低导频的开销，提升信息获取的精确度需要进一步的深入研究。包括对导频信号的设计，运用先进的信道估计方法等。5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，作者进一步指出，另一方面，对TDD系统来说，尽管空中的信道满足上下行的交互性，但是上下行的整体信息是没有互易性质的，所以，对于TDD大规模天线系统具有至关重要的一步是校准互易性。
六、天线系统的资源分配问题
为了进一步提高网络中的无线资源的利用效率，还需要进一步优化时间空间资源和功率资源，这是无线资源管理中所要面临的新的挑战。所以设计出具有高性能和低复杂度的资源分配对于天线系统的实现具有至关重要的作用。
七、结语
本文就大规模天线的无线传输技术与理论展开了详细论述，包括信道信息的获取技术和对频谱效率的分析。另外，本文提出了在研究移动通信中有关天线研究的问题的时候，还给出了这一问题的难点和研究的方向。尽管已经取得了不小的成绩，但是我们还是应该清楚地认识到，对于5G技术的研究还有很多工程问题和科学问题等着我们去探索，去解决。

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