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5G移動通信天線的研究與設計

2021-05-10 10:16:55

  第五代移動通信技術(5G)是面向2020年以后的新一代移動通信系統,根據移動通信的發展規律,第五代移動通信系統將在第 四代移動通信系統(fourth-generation,4G)的基礎之上,進一步提升無線移動通信的網絡系統、無線傳輸技術等。

  一、5G的概念和應用簡介

  從1G模擬技術到4G技術的長期演變,現在移動通信系統已經被世界上超過三分之二的人口使用,并且已經成為人們日常生活中的一個重要組成部分。目前大規模推廣的技術是4G,所以相對來說,5G技術對大眾來說還很陌生。正因如此,學術界和產業界目前還沒有給5G一個確切的定義?,F在對5G的初步定義是傳輸速率達到10Gb/s的下一代移動通信技術。

  二、大規模天線系統研究簡介

  (1)隨著天線數量和用戶數量的增加,如何獲取信道信息是實現系統的難點問題。所以,對導頻資源限 制下的信息理論的進一步研究是必不可少的一步。

  (2)大規模MIMO為蜂窩移動通信提出了一些更具挑戰性的難題,也就是多用戶多小區的蜂窩移動通信的zui大化的問題。在多小區多用戶容量的分析基礎上,對用戶分布和基站節點的分布作進一步的考慮,然后再對整個的蜂窩系統做詳細的容量評估,這對設計和運行蜂窩系統具有重要的指導和借鑒意義。

  三、對天線陣列的設計與研究

  天線的基本特征是在同一時刻資源的配置上,采用了大規模的列陣天線配置所形成的空間方式。大大提升了資源的復用能力和用戶的使用效率。提高了傳輸效率。

  1、分布式天線系統

  挖掘空間維度資源的一種途徑是分布式天線系統。在不同的地理位置中配備多天線的節點,在分布式天線中,通過高速回程處理單元,協作完成與多個單個移動通信終端的通信。通過節點間的協助,獲得MIMO的3種效益。但是,受限于目前的標準,MIMO的性能將會受到限 制。

  為了應對移動數據業務量日益增 大的趨勢,突破現在的蜂窩式系統的限 制,學者和研究者提出了在有熱點覆蓋的范圍大量增加小區個數或者協助節點的個數的方法。也可以以大規模陣列天線替代現在已有的多天線,通過這種方式來形成大規模的無線通信環境。大規模天線的基本特征是在信號覆蓋范圍內,配置數百根以上的天線,這比4G移動通信系統的天線數量增加了一倍以上。這些天線不僅分布在小區里,而且還可以以大規模天線陣列的方式來集中放置。隨著分布式節點總天線數目的日益增加,信道間的信號也將趨于正相交,Gauss的噪聲和一些不相關的小區干擾將會逐漸消失。用戶的使用容量僅僅受限 制于其它小區相同導頻序列的用戶的干擾。

  2、對移動通信天線的進一步探究方向

  目前,大量的學者和研究者已經對移動天線進行了研究,未來的研發方向是非理想信道信息。當存在導頻污染情況的時候,對迫零(zero forcing,ZF)以及正則迫零(regular ZF,RZF)預編碼進行深入的研究是正確的解決途徑。除此之外,對時分雙工,上下行不互相交換對系統的影響還需要做進一步的深入研究??紤]非理想信息信道,當存在節點協作的時候,對系統頻譜效率的漸進線分析也是另外一個很有難度的探究方向。

  四、大規模天線系統的信息獲取途徑

  隨著天線個數的增加和用戶數的增加,在大規模的天線系統中。對于上行的鏈路,應用正交導頻,導頻的費用也隨著總天線數量的增加而增加。對時分雙工系統來說,少了上下行的信道交互性,是對大規模天線的主要障礙。

  從大的方面說,在獲取大規模天線系統的信息的時候,降低導頻的開銷,提升信息獲取的精 確度需要進一步的深入研究。包括對導頻信號的設計,運用先進的信道估計方法等。5G微信公眾平臺(ID:angmobile)了解到,作者進一步指出,另一方面,對TDD系統來說,盡管空中的信道滿足上下行的交互性,但是上下行的整體信息是沒有互易性質的,所以,對于TDD大規模天線系統具有至關重要的一步是校準互易性。

  五、天線系統的資源分配問題

  為了進一步提高網絡中的無線資源的利用效率,還需要進一步優化時間空間資源和功率資源,這是無線資源管理中所要面臨的新的挑戰。所以設計出具有高性能和低復雜度的資源分配對于天線系統的實現具有至關重要的作用。


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