近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法。

背景技术

大规模MIMO技术因其能实现很高的信道容量、频谱效率和空间多路复用增益，目前已成为第五代移动通信系统最关键的技术之一。相较于传统的MIMO系统，大规模MIMO可以通过波束成形或多路复用技术将频谱效率提高几个数量级。然而，随着大量智能设备的部署和云服务的快速发展，大规模MIMO将无法满足不断增长的速率和吞吐量需求。为了应对未来的第六代移动通信系统中大容量和高速率带来的挑战，超大规模MIMO引起了人们的广泛关注。超大规模MIMO拥有比大规模MIMO大得多的天线数量，通常数百或上千根，因此可以有效实现十倍的频谱效率提升。并且，随着天线数量的增加，超大规模MIMO将拥有信道硬化、用户间信道的渐近正交性、高阵列增益、吞吐量大等优点。

然而，由于近场超大规模平面阵列尺寸非常大，近场通信特性的研究将变得至关重要。当基站与用户之间的距离小于瑞利距离时，传统的基于远场假设的均匀平面波模型可能失效，因此需要采用基于近场假设的球面波建模，此时，不仅可以通过角度来区分用户，还可以通过距离来区分，这为近场情况下的超大规模MIMO通信提供了一个新的自由度。由于远场通信与近场通信的差异，现有的基于远场假设的传输技术在近场场景下会存在性能下降。在文献“UAV Swarm Position Optimization for High Capacity MIMOBackhaul”（《IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS》，39卷，10期，2021年10月）中，作者在远场假设下推导出了一组达到MIMO信道容量限制的无人机布局，以获得单个用户边界给定的最大信道容量，但是其提出的方法仅考虑了角度信息，而没有考虑距离信息。在文献“Channel estimation for extremely large-scale MIMO: Far-field ornear-field?”（《IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS》，70卷，4期，2022年4月）中，同时考虑距离和角度信息，使信道在近场区域也表现出稀疏性，并提出了网格内和网格外的信道估计方案，提高了信道估计精度。

因此，本发明基于近场超大规模MIMO的近场特性，充分利用距离和角度信息，提出了一种使用户间的信道相互正交的正交位置，有效降低了用户间干扰，提高了系统和速率。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。因此，本发明提供了近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法，用来解决实际问题中，基站与用户之间的距离小于瑞利距离时，所导致的传统的基于远场假设的均匀平面波模型可能失效，以及使用远场假设的传输技术在近场场景下会存在性能下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法，包括：

构建基于近场超大规模平面阵列的下行无线传输系统；

基于基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距，得到用户正交位置的方位角和仰角；

基于基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距，由菲涅尔边界确定可接受的用户与基站间的最小距离；

通过所述用户正交位置的方位角和仰角，得到用户正交位置相对于基站的径向距离；

将得到的用户正交位置相对于基站的径向距离分为不同层，计算得到当前层的径向距离后，再计算下一层的径向距离，直至满足菲涅尔边界确定的可接受的用户与基站间的最小距离；

基于用户正交位置的方位角、仰角以及满足菲涅尔边界确定的可接受的用户与基站间的最小距离，得到所述基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距确定的全部正交位置。

作为本发明所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的一种优选方案，其中：基于近场超大规模平面阵列的下行无线传输系统，包括：

所述系统由一个多天线基站和

作为本发明所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的一种优选方案，其中：所述天线阵列的天线数、目载波波长以及天线间距，包括：

该天线阵列在

载波波长为

基站与用户之间的信道用

作为本发明所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的一种优选方案，其中：基于基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距，得到用户正交位置的仰角，包括：

所述用户正交位置的仰角

；

其中，

作为本发明所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的一种优选方案，其中：基于基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距，得到用户正交位置的方位角，包括：

所述用户正交位置的方位角

。

作为本发明所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的一种优选方案，其中：基于基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距，由菲涅尔边界确定可接受的用户与基站间的最小距离，包括：

所述可接受的用户与基站间的最小距离

；

其中，

作为本发明所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的一种优选方案，其中：基于所述用户正交位置的方位角和仰角，得到用户正交位置相对于基站的径向距离，包括：

用户正交位置共分为

或/>

其中，

作为本发明所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的一种优选方案，其中：将得到的用户正交位置相对于基站的径向距离分为不同层，计算得到当前层的径向距离后，再计算下一层的径向距离，直至满足菲涅尔边界确定的可接受的用户与基站间的最小距离，包括：

首先初始化

作为本发明所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的一种优选方案，其中：基于用户正交位置的方位角、仰角以及满足菲涅尔边界确定的可接受的用户与基站间的最小距离，得到所述基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距确定的全部正交位置，包括：

由所述基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距确定的全部正交位置由一下公式确定：

；

将所有用户移动到正交位置上。

作为本发明所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的一种优选方案，其中：所述将所有用户移动到正交位置上，包括：

通过全部正交位置公式，将所有用户移动到正交位置上的系统合理点位。

与现有技术相比，发明有益效果为：本发明能够在近场超大规模平面阵列通信系统中同时利用角度和距离来区分用户，得到了使用户间的信道相互正交的闭式解，避免了复杂的优化算法，有效降低了系统的计算复杂度和用户间干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的整体流程图；

图2为本发明一个实施例所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的近场超大规模平面阵列通信系统示意图；

图3为本发明一个实施例所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的基站位置和所有的正交位置的示意图；

图4为本发明一个实施例所述的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法的近场正交位置、随机位置和远场正交位置在不同预编码方法下的可达和速率对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

参照图1和图2，为本发明第二个实施例，该实施例提供了近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法，包括：

S1、构建基于近场超大规模平面阵列的下行无线传输系统，如图2所示；

系统由一个多天线基站和

应当说明的是，该天线的均匀矩形阵列在

S2、基于基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距，得到用户正交位置的方位角和仰角；

进一步的，用户正交位置的方位角

；

；

其中，

S3、基于基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距，由菲涅尔边界确定可接受的用户与基站间的最小距离；

进一步的，可接受的用户与基站间的最小距离

；

其中，

S4、基于用户正交位置的方位角和仰角，得到用户正交位置相对于基站的径向距离；

进一步的，用户正交位置共分为

或/>

其中，

S5、将得到的用户正交位置相对于基站的径向距离分为不同层，计算得到当前层的径向距离后，再计算下一层的径向距离，直至满足菲涅尔边界确定的可接受的用户与基站间的最小距离；

进一步的，设计用户正交位置的径向距离，初始化分层

进一步的，阈值的满足公式为：

；

S6、基于用户正交位置的方位角、仰角以及满足菲涅尔边界确定的可接受的用户与基站间的最小距离，得到所述基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距确定的全部正交位置；

进一步的，基站处天线阵列的天线数目、载波波长以及天线间距确定的全部正交位置公式表示为：

；

S7、将所有用户移动到正交位置上；

应当说明的是，当所有用户位于所述用户正交位置上的某一个时刻，近场超大规模平面阵列通信系统的可达和速率达到最大值。

实施例2

参照图3和图4，为本发明第二个实施例，该实施例提供了近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法，包括：

通过数值仿真验证了本发明所提出的近场超大规模平面阵列通信系统中的正交位置设计方法，仿真参数设置如表1所示；

；

图3给出了基站位置和所有的正交位置的示意图；结果表明，在本发明中，不同仰角和方位角处的用户正交位置拥有不同的径向距离，这说明了所述正交位置充分考虑了超大规模MIMO的近场特性，同时利用了角度和距离信息；

图4比较了本发明中的近场正交位置和远场正交位置在不同的预编码方法下的可达和速率差异；

具体的，用户的信噪比的定义公式表示为：

；

用户的可达和速率的定义公式表示为：

；

其中，

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。