Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法、装置及存储介质

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法、装置及存储介质。

背景技术

随着物联网、互联网、大数据和云计算等技术的高速发展，信息通信领域不断发展壮大。在一个完全互联的智能信息世界中，它需要连接包括人与车辆、传感器、数据、云资源、甚至机器人代理等在内的一切。然而，对于未来信息社会的所有连接需求，当前部署的5G网络还不足以达到要求，特别是远程全息临场传送、虚拟现实(Virtual Reality,VR)和高保真增强现实(Augmented Reality,AR)等应用对数据传输速率的需求达到了1Tbps，将远远超于5G定义的20Gbps目标。为了实现不同移动网络信息的交汇融合，业界已加快B5G和6G网络的研究步伐以更进一步深化移动互联，6G将提供比5G更高的数据传输效率、能量效率、可靠性以及更广泛的深度通信覆盖。

5G通信系统在针对调制以及信道编码等方面的性能提升已趋于上限，为了实现B5G/6G通信中更高能量效率以及频谱效率的提升，将希望寄托于空间维度。Massive MIMO作为5G的关键核心技术之一，可以深度挖掘空间资源，具有更高的空间分辨率以及频谱效率，能够满足一定的容量增益。由于大规模天线阵列在实际部署中，通常会受到有限物理空间资源的约束。一方面，在相同的部署区域内，非均匀阵列结构可以以更少的天线阵元就达到与均匀阵列结构相同的系统性能，在降低成本开销的同时减低了系统的复杂度以及功率损耗。另一方面，三维天线阵列结构可以在有限部署区域内大幅增加端口数，扩大天线阵列的规模，同时能够在水平和垂直两个维度实现辐射角度自适应调整，具备全方位的传输能力，在提高信道容量和频谱效率等系统性能的同时克服了低维阵列对用户区分时存在角度盲区的局限性，能够应对物联网与海量机器通信等6G典型应用场景中预期的各种类型的接收机和用户位置多样化的要求。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前只有针对一维线性非均匀阵列与二维平面非均匀阵列的优化设计，缺少对三维立体非均匀阵列的优化设计。此外，现有三维立体阵列拓扑特性的相关结论多来自特定应用场景下对给定阵列结构仿真结果的分析，并未给出更具指导意义的天线阵列拓扑优化设计准则。因此，如何基于Massive MIMO系统设计三维非均匀天线阵列是现有技术存在的关键性问题。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法、装置及存储介质，通过三维非均匀天线阵列阵元位置与系统遍历和速率之间的解析关系来实现阵列的设计，以提高通信系统的遍历和速率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法，包括以下步骤；

步骤1：根据三维非均匀天线阵列的排布特点，构建阵元位置与用户位置之间的距离关系式以及阵元间的空间相关矩阵；

步骤2：基于所述距离关系式以及阵元间的空间相关矩阵构建信道模型；

步骤3：基于所述信道模型构建系统遍历和速率模型并近似，得到近似后的系统遍历和速率模型；

步骤4：以最大化近似后的系统遍历和速率模型为目标，以天线布局为优化变量，以空间资源受限与天线阵元间距大于半波长为约束建立优化问题；

步骤5：利用增强型粒子群算法对优化问题求解，得到三维非均匀天线阵列拓扑结构。

所述步骤1具体为：

步骤1.1、设定基站配备有N

其中，||·||表示范数运算，p

步骤1.2、对于基站端任意两个位置分别为p

其中，e为自然指数，λ为电磁波波长，P

θ∈[-Δ

θ∈[-Δ

其中，θ

故，三维天线阵列的空间相关矩阵R

所述步骤2具体为：

假设从基站到第k个用户间的信道h

其中，K

对于LOS分量，为了体现近场球面波前特性，将

其中，[·]

对于NLOS分量，

其中，

所述步骤3具体为：

步骤3.1：系统的遍历和速率R

其中，

步骤3.2：利用Jensen不等式等推导系统遍历和速率的确定性近似表达式，系统的遍历和速率R

其中，

步骤3.3、为了简化数学表征，令

最终，系统遍历和速率的近似值

所述步骤4具体为：

将基站天线布局定义为N

P1：

s.t.P∈A

其中，A表示基站天线阵列部署区域的限定。

所述步骤5具体为：

步骤5.1：利用增强型粒子群算法来搜索最优天线布局，粒子代表天线布局P，定义适应度函数为：

其中，f(P)为适应度函数，P表示基站天线布局，

步骤5.2：初始化粒子种群数并计算每个粒子的适应度值；

步骤5.3：将每个粒子所经历过的位置P

步骤5.4：根据P

其中，i＝1,2,…,S，S为粒子总数；n＝1,2,…,N表示第n维空间，N＝3；t为当前迭代次数；

其中，w

步骤5.5：对全局最优粒子进行扰动使其能够跳出局部最优解来探索更多的区域，从而使全局最优粒子发挥其最大价值，全局最优粒子扰动表达式为：

其中，r是服从[0,1]分布的随机数，T为最大迭代次数；

步骤5.6、循环执行步骤5.3至步骤5.5，判断是否达到性能要求或迭代次数达到预先设置的最大迭代值，若满足终止条件则直接输出最优解。

一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计装置，包括：

第一构建模块，用于根据三维非均匀天线阵列的排布特点，构建基于阵元位置与用户之间的距离关系式以及阵元间的空间相关矩阵；

第二构建模块，用于基于所述距离关系式以及阵元间的空间相关矩阵构建信道模型；

近似模块，用于基于所述信道模型构建系统遍历和速率模型并近似，得到近似后的系统遍历和速率模型；

建立模块，用于以最大化近似后的系统遍历和速率模型为目标，以天线布局为优化变量，以空间资源受限与天线阵元间距大于半波长为约束建立优化问题；

求解模块，用于利用增强型粒子群算法对优化问题求解，得到三维非均匀天线阵列拓扑结构。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的一种MassiveMIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法。

本发明的有益效果：

本发明通过三维非均匀天线阵列的排布特点，构建阵元位置与用户位置之间的距离关系式和阵元间的空间相关矩阵得到信道模型并表征系统遍历和速率模型，接着利用Jensen不等式对系统遍历和速率求近似得到系统遍历和速率的确定性近似表达式，进一步得到三维非均匀天线阵列阵元位置与系统遍历和速率之间的数学关系，以最大化近似后的系统遍历和速率模型为目标，以天线布局为优化变量，以空间资源受限与天线阵元间距大于半波长为约束建立优化问题，利用增强型粒子群算法对优化问题求解进而得到三维非均匀天线阵列拓扑结构，所得三维非均匀天线阵列拓扑结构相较于传统天线阵列拓扑结构可以使系统遍历和速率至少提升10％以上，进一步提高系统性能。

附图说明

图1为本发明实施例一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法的流程图。

图2为本发明实施例中三维非均匀阵列Massive MIMO多用户下行传输模型示意图。

图3为根据本发明实施例方法求解得出的三维非均匀天线阵列阵元排布示意图。

图4为本发明实施例方法与其他方法效果对比示意图。

图5为本发明实施例一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S110、根据三维非均匀天线阵列的排布特点，构建阵元位置与用户位置之间的距离关系式以及阵元间的空间相关矩阵；

步骤S120、基于距离关系式以及阵元间的空间相关矩阵构建信道模型；

步骤S130、基于信道模型构建系统遍历和速率模型并近似，得到近似后的系统遍历和速率模型；

步骤S140、以最大化近似后的系统遍历和速率模型为目标，以天线布局为优化变量，以空间资源受限与天线阵元间距大于半波长为约束建立优化问题；

步骤S150、利用增强型粒子群算法对优化问题并求解，得到三维非均匀天线阵列拓扑结构。

本发明通过三维非均匀天线阵列的排布特点，依次构建阵元位置与用户位置之间的距离关系式、阵元间的空间相关矩阵、信道模型和系统遍历和速率模型近似模型，并以最大化近似后的系统遍历和速率模型为目标，以天线布局为优化变量，以空间资源受限与天线阵元间距大于半波长为约束建立优化问题，利用增强型粒子群算法对优化问题求解进而得到三维非均匀天线阵列拓扑结构，使系统遍历和速率得到进一步提高。

如图2所示，为本发明实施例中三维非均匀阵列Massive MIMO多用户下行传输模型示意图。考虑配备三维非均匀阵列的单小区多用户Massive MIMO下行通信场景，假设基站配备有N

其中，β

基站第m根发射天线与第k个用户之间的距离r

其中，||·||表示范数运算，p

对于基站端任意两个位置分别为p

其中，e为自然指数，λ为电磁波波长，P

θ∈[-Δ

θ∈[-Δ

其中，θ

三维天线阵列的空间相关矩阵R

假设从基站到第k个用户间的信道h

其中，K

对于LOS分量，为了体现近场球面波前特性，将

其中，[·]

对于NLOS分量，

其中，

由于基站到第k个用户间的信道h

用户k的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)SINR

进一步，用户k的瞬时可达速率R

R

最终，系统的遍历和速率R

由于求解遍历和速率时需要大量的数据采集以及统计工作，具有操作复杂性。因此，利用Jensen不等式等推导系统遍历和速率的确定性近似表达式。

首先，为了简化数学表征，令

接着，利用Jensen不等式，可以得到以下界限：

结合上式，可以获得以下边界不等式，具体表示为：

利用E{1/(M+N)}≥1/E{M+N}和E{1/N}≥1/E{N}可得：

接着，上述不等式可以进一步写为：

最终可以得到：

因此，

其中，

为了更好的简化数学表征，令

h

接着，信号功率E{|h

最终，系统遍历和速率的近似值

将基站天线布局定义为N

P1：

s.t.P∈A

其中，A表示基站天线阵列部署区域的限定。

由于所建模优化问题的目标函数高度非线性，具有多个极值且不可导，无法用理论解析的方法对优化问题进行求解。因此，采用一种的增强型粒子群算法来求解所建模优化问题，具体步骤为：

(1)利用增强型粒子群算法来搜索最优天线布局，粒子代表天线布局P，定义适应度函数为：

其中，f(P)为适应度函数，P表示基站天线布局，

(3)将每个粒子所经历过的位置P

(4)根据P

其中，i＝1,2,…,S，S为粒子总数；n＝1,2,…,N表示第n维空间，N＝3；t为当前迭代次数；

其中，w

(5)对全局最优粒子进行扰动使其能够跳出局部最优解来探索更多的区域，从而使全局最优粒子发挥其最大价值，全局最优粒子扰动表达式为：

其中，r是服从[0,1]分布的随机数，T为最大迭代次数。

(6)循环执行步骤(3)至步骤(5)，判断是否达到性能要求或迭代次数达到预先设置的最大迭代值，若满足终止条件则直接输出最优解。

如图3所示，为通过增强型粒子群算法对优化问题求解得出的三维非均匀天线阵列阵元排布示意图。

另外，对本发明实施例对的方法进行了验证。假设用户数为4，基站端天线数为64，信号的中心频率为f＝28GHz，基站天线约束区域是边长为9cm的立方体，PAS与PES服从均匀分布。4个用户分别在半径为5m的球表面上的区域1至区域4内随机均匀分布，区域1方位角范围为60度至75度，俯仰角范围为20度至35度；区域2方位角范围为285度至300度，俯仰角范围为20度至35度；区域3方位角范围为120度至135度，俯仰角范围为-35度至-20度；区域4方位角范围为225度至240度，俯仰角范围为-35度至-20度。(符号显示乱码)

如图4所示，本发明采用的对比方法为：相同传输条件下，相同天线阵元数的均匀阵列结构。从该图中可以看出在相同情况下，本发明实施例提出的方法通过改变天线阵元的排布位置使系统遍历和速率进一步得以提升。具体来说，在信噪比为15dB时，通过增强型粒子群算法得出的三维非均匀阵列拓扑结构对应的遍历和速率相较于圆柱体阵列、立方体阵列和球体阵列等三维均匀阵列拓扑结构可以至少提升10％以上，相较于二维平面阵列可以提升40％以上，相较于一维线性阵列可以提升80％以上。

本发明在单小区多用户Massive MIMO系统传输过程中，配备所提出的三维非均匀天线阵列能够有效提高系统遍历和速率性能。本发明基于三维非均匀阵列的阵元几何结构，建立三维非均匀天线阵列拓扑的排布位置与系统遍历和速率之间的解析关系。并以最大化系统遍历和速率模型为目标，以天线布局为优化变量，以空间资源受限与天线阵元间距大于半波长为约束建立优化问题。利用增强型粒子群算法对优化问题求解，最终为基站端设计出三维非均匀天线阵列排布，使系统遍历和速率得到进一步提高。

本发明还公开了一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计装置，如图5所示，包括：第一构建模块210，用于根据三维非均匀天线阵列的排布特点，构建阵元位置与用户位置之间的距离关系式以及阵元间的空间相关矩阵；第二构建模块220，用于基于所述距离关系式以及阵元间的空间相关矩阵构建信道模型；近似模块230，用于基于信道模型构建系统遍历和速率模型并近似，得到近似后的系统遍历和速率模型；建立模块240，用于以最大化近似后的系统遍历和速率模型为目标，以天线布局为优化变量，以空间资源受限与天线阵元间距大于半波长为约束建立优化问题；求解模块250，用于利用增强型粒子群算法对优化问题求解，得到三维非均匀天线阵列拓扑结构。

需要说明的是，上述装置的模块之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明还公开了一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法。

装置可以是桌上小型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。该装置可包括但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，该装置可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。

处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器在一些实施例中可以是所述装置的内部存储单元，例如装置的硬盘或内存。所述存储器在另一些实施例中也可以是所述装置的外部存储设备，例如所述装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法。

计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不可以是电载波信号和电信信号。