一种下行去蜂窝大规模MIMO系统的建立方法

技术领域

本发明为一种下行去蜂窝大规模MIMO系统的建立方法，具体而言，是一种基于低分辨率ADCs/DACs(analog-to-digital converters/digital-to-analog converters，模数转换/数模转换)多组多播多用户多天线的下行去蜂窝大规模MIMO(multi-input multi-output，多输入多输出)系统的建立方法，涉及无线通信技术领域。

背景技术

去蜂窝大规模多输入多输出MIMO技术是近年来兴起的一项新兴通信技术，其能够消除传统蜂窝小区内信号的频繁转换，而且可以深度挖掘空间维度的无限资源、充分利用大规模分布天线阵列所提供的空间自由度，从而极大地提高系统的吞吐量、提供极高的覆盖率和空间复用增益。因此在现阶段，去蜂窝技术得到了工业界和学术界的广泛关注，且已被视为B5G和6G的关键核心技术。

在传统的去蜂窝大规模MIMO系统中，大多采用单播传输、即一次只能向每个用户发送独立的数据流，当系统中用户数较多时，单播传输的方式将会严重浪费系统内的稀缺频谱资源且会导致系统硬件复杂度提高。实际上，对于特定的用户组都需要的诸如热点视频、头条新闻、移动电视、视频会议和金融数据等信息，若采用多组多播的方式进行传输，将会使得系统内稀缺的频谱资源得到充分利用，也能有效地降低系统的复杂度。

其次，对应近年来用户对通信服务质量所提出的更高要求，评价传输链路优劣的鲁棒性和可靠性标准显著提高。因此，一些多天线设备诸如平板电脑、智能手机等开始被越来越多的人使用。从原理上来说，在有限空间中，具有更多的发射/接收天线能够有效地提高发射/接收方向性；更简单地说，天线越多，波束越窄，波束形成、多路复用、空间分集增益和SE(spectral efficiency，频谱效率)等方面的表现也会非常出色。此外，尽管当AP(access point，接入点)和用户端都分别部署有大量天线时能有效提高系统链路的鲁棒性，但大量天线的设置也将增加系统实现的复杂度、严重降低系统的EE(energyefficiency，能量效率)。

综上所述，如果能够针对上述研究现状，设计出一种全新的、去蜂窝大规模MIMO系统，那么势必可以为无线通信技术的后续发展提供巨大的帮助。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于低分辨率ADCs/DACs多组多播多用户多天线的下行去蜂窝大规模MIMO系统的建立方法，具体如下。

一种下行去蜂窝大规模MIMO系统的建立方法，包括如下步骤：

S1、建立基于低分辨率ADCs/DACs多组多播多用户多天线的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型；

S2、对S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型进行有效性评价；

S2中对下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的有效性评价方式包括计算模型下行链路的频谱效率以及计算模型的能量效率。

优选地，S1具体包括如下步骤：

S11、将系统内的所有用户随机分配到J个组别中，其中，每个组中的K个多天线用户共享一个导频序列且每个用户有L个天线，每组中的用户互相独立、互不交叉，假定系统内存在有M个AP且每个AP有N个天线，第m个AP到第j组中第k个用户的信道矩阵

其中，β

S12、在下行信号传输前，对信道进行估计，假定在上行链路传输阶段，系统内第j组使用的导频序列为

其中，Φ

则在上行链路的信道估计阶段，第m个AP所接收到的导频信号Y

其中，τ表示导频序列的长度，ρ

则经过量化后的导频信号

其中，λ

将

其中，

S13、根据S12中得到的量化后的导频信号，通过MMSE方法，第m个AP到第j组中第k个用户的估计信道矩阵

其中，β

其中，γ

则

其中，Z

信道估计误差的特征可表示为

S14、在下行链路阶段，AP将上行链路估计阶段所估计的信道作为真实的信道进行信息传输，第m个AP拟发送未量化的信号x

其中，ρ

x

其中，α

则第j组中第k个用户所接收到的信号可表示为

其中，η

优选地，S2具体包括如下步骤：

S21、计算S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型在下行链路中的频谱效率；

S22、构造针对S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的功率消耗模型，并依据所述功率消耗模型、计算所述下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的能量效率。

优选地，S21具体包括如下步骤：

S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型在下行链路中的频谱效率计算公式可表示为

其中，T表示相干间隔，τ表示在每个相干间隔中用于信道估计的部分，变量

其中，α

则下行链路中的频谱效率的闭式解可表示为

其中，η

优选地，S22具体包括如下步骤：

S221、构造针对S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的功率消耗模型，所述功率消耗模型可表示为

其中，P

P

且第m个AP处P

其中，P

P

S222、依据S21中所得到的频谱效率的闭式解以及S221中给定的所述功率消耗模型、计算所述下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的能量效率，计算公式为

其中，B表示系统带宽，

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所提出的一种下行去蜂窝大规模MIMO系统的建立方法，首先建立了一种基于低分辨率ADCs/DACs多组多播多用户多天线的下行去蜂窝大规模MIMO系统的模型，随后对所建立的系统模型的下行链路SE进行计算、并根据构建的功率消耗模型计算出所建立的系统模型的EE，以此对系统模型进行全方位、多角度、深层次的认识和了解。

由本发明的方法所建立的系统模型，可以在确保系统鲁棒性的前提下，尽可能地提升系统的效率、降低系统实现的复杂度。而且本发明还能够作为技术思路的依据，对日后的多组多播去蜂窝大规模MIMO系统的设计提供具体的参考价值和部署意义。

以下便结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为利用本发明的实验结果示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于低分辨率ADCs/DACs多组多播多用户多天线的下行去蜂窝大规模MIMO系统的建立方法，具体方案如下。

如图1所示，一种下行去蜂窝大规模MIMO系统的建立方法，包括如下步骤：

S1、建立基于低分辨率ADCs/DACs多组多播多用户多天线的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型。

S2、对S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型进行有效性评价。S2中对下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的有效性评价方式包括计算模型下行链路的频谱效率以及计算模型的能量效率。

进一步而言，S1具体包括如下步骤：

S11、将系统内的所有用户随机分配到J个组别中，其中，每个组中的K个多天线用户共享一个导频序列且每个用户有L个天线，每组中的用户互相独立、互不交叉，假定系统内存在有M个AP且每个AP有N个天线，第m个AP到第j组中第k个用户的信道矩阵

其中，β

H

S12、在下行信号传输前，首先要对信道进行估计，在本发明中采用TDD(TimeDivision Duplexing，时分双工)模式，可以通过信道的互异性将由上行链路获得的CSI(Channel State Information，信道状态信息)用于下行信号传输。假定在上行链路传输阶段，系统内第j组使用的导频序列为

其中，Φ

则在上行链路的信道估计阶段，第m个AP所接收到的导频信号Y

其中，τ表示导频序列的长度，ρ

由于采用低分辨率ADCs来降低系统的能量损耗和硬件复杂度，当系统采用加性量化噪声模型时，则经过量化后的导频信号

其中，λ

将

其中，

S13、根据S12中得到的量化后的导频信号，通过MMSE方法，第m个AP到第j组中第k个用户的估计信道矩阵

其中，β

其中，γ

则

其中，Z

信道估计误差的特征可表示为

S14、在下行链路阶段，AP将上行链路估计阶段所估计的信道作为真实的信道进行信息传输，第m个AP拟发送未量化的信号x

其中，ρ

由于低分辨率DACs部署在AP上，因此，x

其中，α

则第j组中第k个用户所接收到的信号可表示为

其中，η

进一步而言，S2具体包括如下步骤：

S21、计算S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型在下行链路中的频谱效率。

S22、构造针对S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的功率消耗模型，并依据所述功率消耗模型、计算所述下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的能量效率。

优选地，S21具体包括如下步骤：

S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型在下行链路中的频谱效率计算公式可表示为

其中，T表示相干间隔，τ表示在每个相干间隔中用于信道估计的部分，变量

根据大数定律等矩阵性质，有

其中，α

则下行链路中的频谱效率的闭式解可表示为

其中，η

更进一步而言，S22具体包括如下步骤：

S221、构造针对S1中所建立的下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的功率消耗模型，所述功率消耗模型可表示为

其中，P

P

且第m个AP处P

其中，P

P

S222、依据S21中所得到的频谱效率的闭式解以及S221中给定的所述功率消耗模型、计算所述下行去蜂窝大规模MIMO系统模型的能量效率，计算公式为

其中，B表示系统带宽，

如图2所示，研究者研究了在本发明所建立的系统模型下用户多天线、低分辨率ADCs/DACs对于系统的影响。研究表明，量化位数的提高使得系统性能损失较少，系统性能随着低分辨率ADCs/DACs量化位数的提高而不断增大。针对于上述三种情况，存在一个最佳的用户天线数目，来使得系总的SE性能达到最大。即当用户的天线数小于用户的最佳天线数时，可实现总的SE随之增加。相反，它是随着它的增加而减少。其背后的原因是当每个用户的天线数较少时，增加用户天线数将有效地增加系统的独立信道数和空间自由度。然而，随着其继续增加，信道估计开销(相对于相干间隔的训练持续时间)将显著增加。在这种情况下，系统的性能将随着用户天线数量增大而逐渐降低。

综上所述，本发明所提出的一种下行去蜂窝大规模MIMO系统的建立方法，首先建立了一种基于低分辨率ADCs/DACs多组多播多用户多天线的下行去蜂窝大规模MIMO系统的模型，随后对所建立的系统模型的下行链路SE进行计算、并根据构建的功率消耗模型计算出所建立的系统模型的EE，以此对系统模型进行全方位、多角度、深层次的认识和了解。

由本发明的方法所建立的系统模型，可以在确保系统鲁棒性的前提下，尽可能地提升系统的效率、降低系统实现的复杂度。而且本发明还能够作为技术思路的依据，对日后的多组多播去蜂窝大规模MIMO系统的设计提供具体的参考价值和部署意义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。