本發(fā)明涉及一種大規(guī)模mimo(多輸入多輸出)系統(tǒng)中設備adc(模數(shù)轉(zhuǎn)換單元)精度配置方法，屬于無線通信技術(shù)。

背景技術(shù)：

近年來，為了適應飛速增長的移動數(shù)據(jù)傳輸需要，無線通信系統(tǒng)迫切需要提高頻譜傳輸效率。mimo，即在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，能夠充分利用空間資源抑制信道衰落，在不增加頻譜資源和整體發(fā)射功率的情況下，顯著提高系統(tǒng)的信道容量，具有明顯的優(yōu)勢。在此基礎上提出的大規(guī)模mimo技術(shù)已成為下一代無線通信系統(tǒng)(5g)的關(guān)鍵組成部分。該技術(shù)通過給基站配置數(shù)百甚至上千個天線，大大提高了無線信號傳輸?shù)目臻g自由度，從而通過空分復用提高了系統(tǒng)的頻譜效率以及信道容量。在多用戶mimo方案中，一個基站同時服務于多個單天線用戶，多個數(shù)據(jù)流可在基站和用戶間同時傳輸。只要基站天線數(shù)多于用戶數(shù)，每個用戶仍然能夠獲得可觀的空間自由度。

然而，天線數(shù)目的增長同時也提升了硬件實現(xiàn)的復雜度。在下行鏈路中，每個基站發(fā)射天線需要配置一個dac(數(shù)模轉(zhuǎn)換單元)，每個終端接收天線需要配置一個adc。因此，硬件成本和功耗成本隨著天線數(shù)目的增加而快速增加。這大大限制了大規(guī)模mimo的應用。針對這個問題，目前主要有兩種解決方案。一是減少dac和adc的數(shù)目，采用混合收發(fā)器以減少射頻鏈路，例如在發(fā)送端先進行數(shù)字預編碼，再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后進行模擬預編碼。數(shù)字預編碼仍然采用傳統(tǒng)的破零(zf)、最大比率傳輸(mrt)預編碼等方法，而模擬預編碼則需要另外設計。當進行波束成形時，射頻鏈路數(shù)目的下限是實際傳輸數(shù)據(jù)流的數(shù)目，而波束成形增益的上限由天線數(shù)目決定；二是減少dac和adc的精度，極端情況下甚至僅采用1比特的dac和adc，因為dac和adc的功耗隨著量化精度比特數(shù)目的增加而成指數(shù)率增長。目前大多方案都是單獨考慮低精度dac或adc。因此，聯(lián)合考慮二者的精度配置問題，尤其是二者精度的權(quán)衡，對實際系統(tǒng)的設計具有十分重要的意義。如果將以上兩種方案相結(jié)合，就能夠同時從兩個方面降低大規(guī)模mimo系統(tǒng)的功耗。

當發(fā)射端配置1比特的dac時，接收端配置無限精度的adc就不是很有必要。因為低精度的adc也能獲得逼近最大的數(shù)據(jù)傳輸速率，而功耗卻會比無限精度adc減小許多。換而言之，adc的精度需要在系統(tǒng)傳輸性能和硬件、功耗成本之間進行權(quán)衡。根據(jù)具體數(shù)據(jù)速率要求來設計接收端adc的精度，對系統(tǒng)實現(xiàn)具有非常重要的指導意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)中設備adc的精度配置計算方法，該方法計算得出adc的精度配置值可以最小化傳輸系統(tǒng)中信號量化模塊的功耗，極大減小大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的整體功耗。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：包括步驟：

(1)根據(jù)bussang理論，基站發(fā)射天線配置1比特dac，終端接收天線配置理想的無限精度adc時，下行鏈路中每個用戶的接收信噪比γideal為：

其中，ρdac＝0.3634，表示1比特量化dac對接收信噪比的影響參數(shù)；基站天線數(shù)目為n，終端單天線用戶數(shù)目為m，發(fā)射功率為p，接收端熱噪聲功率為n0；

(2)根據(jù)bussang理論及步驟(1)，基站發(fā)射天線配置1比特dac，終端接收天線配置量化比特數(shù)為kadc的低精度adc時，下行鏈路中每個用戶的接收信噪比γ為：

其中，kadc≥3，ρ表示低精度adc對接收信噪比的衰減因子；ρ和kadc的關(guān)系為：

(3)當目標數(shù)據(jù)速率為理想速率的η倍時，根據(jù)香農(nóng)公式，有

log(1+γ)＝ηlog(1+γideal)

將公式(2)代入，可以解出衰減因子ρ：

(4)按步驟(3)得到ρ后，再根據(jù)公式(3)計算終端接收天線adc精度所需要的配置值kadc：

其中，表示向上取整。

有益效果：本發(fā)明提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)中設備adc的精度配置方法，相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)勢：1、本發(fā)明從大規(guī)模mimo系統(tǒng)全局出發(fā)，在發(fā)射端配置1比特dac的前提下，權(quán)衡數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)硬件、功耗成本，確定接收端adc的精度，能夠獲得整體最優(yōu)的性能；2、本發(fā)明將dac和adc量化精度對用戶數(shù)據(jù)速率的非線性影響近似成線性，簡化了求解過程，降低了計算復雜度；3、本發(fā)明中基站天線數(shù)目n，用戶數(shù)目m，發(fā)射功率p，噪聲功率n0取值靈活；因此，該方案適用于任意信噪比下的多用戶大規(guī)模mimo系統(tǒng)；4、本發(fā)明對于實際系統(tǒng)的設計具有重要價值；在給定的數(shù)據(jù)速率要求下，本發(fā)明可以快速確定adc的精度，以最低的功耗成本獲得需求的性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中大規(guī)模mimo系統(tǒng)的發(fā)射端、接收端框圖；

圖2為本發(fā)明中低精度adc在接收端對信號進行處理的示意圖；

圖3為給定條件下，根據(jù)本發(fā)明計算得到的adc精度隨目標數(shù)據(jù)速率變化的示意圖；

圖4為給定條件下，根據(jù)本發(fā)明計算得到的adc精度隨信噪比變化的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

圖1展示了本發(fā)明中大規(guī)模mimo系統(tǒng)的發(fā)射端、接收端框圖。在發(fā)射端，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制生成m個符號，然后經(jīng)過預編碼產(chǎn)生n個復數(shù)信號，每個復數(shù)信號的實部、虛部分別經(jīng)過dac產(chǎn)生模擬信號，最后經(jīng)過射頻鏈路(rf)后由n根天線發(fā)射。在接收端，m個單天線用戶分別接收到信號，經(jīng)過射頻鏈路處理后，再經(jīng)adc模塊處理得到數(shù)字信號，最后經(jīng)過解調(diào)恢復出原始數(shù)據(jù)。

圖2展示了低精度adc對接收信號的操作過程，adc的精度kadc為1比特，發(fā)射天線數(shù)n為32，用戶數(shù)目m為8。圖中信號y為經(jīng)過射頻鏈路處理后的接收信號，從圖中可以看出y在-5～10之間連續(xù)分布；信號yq為經(jīng)過adc處理后的輸出信號，從圖中可以看出yq只有2種取值。顯然，經(jīng)過低精度adc的處理，接收信號產(chǎn)生了失真，且kadc越小，失真越嚴重。因此，為了降低系統(tǒng)功耗而采用低精度adc，會對系統(tǒng)傳輸性能產(chǎn)生影響。具體的，傳輸速率會被降低。

圖3給出了在信噪比p/n0＝0db，n＝128，m＝8的條件下，目標數(shù)據(jù)速率分別為理想速率的0～100％時，按照本發(fā)明的算法計算得到的adc精度。從圖中可以看出，如果要使數(shù)據(jù)速率達到理想速率的0～39％，adc的精度都至少要達到1比特；如果要達到40％～76％，則至少要2比特；如果要達到77％～93％，則至少要達到3比特；如果要達到94％～98％，則至少要達到4比特。計算kadc的具體步驟如下：

(1)由n＝128，m＝8，信噪比p/n0＝0db，計算得到配置1比特dac和理想的無限精度adc時，下行鏈路中每個用戶的接收信噪比γideal，公式為：

其中，ρdac＝0.3634，表示1比特量化dac對接收信噪比的影響參數(shù)。

(2)根據(jù)bussang理論及步驟(1)，基站發(fā)射天線配置1比特dac，終端接收天線配置量化比特數(shù)為kadc的低精度adc時，下行鏈路中每個用戶的接收信噪比γ為：

其中，kadc≥3，ρ表示低精度adc對接收信噪比的衰減因子；ρ和kadc的關(guān)系為：

(3)當目標數(shù)據(jù)速率為理想速率的η倍時，根據(jù)香農(nóng)公式，有l(wèi)og(1+γ)＝ηlog(1+γideal)，將目標數(shù)據(jù)速率η和公式(2)代入公式，計算衰減因子ρ，公式為：

(4)由步驟(2)得到的ρ與公式(3)計算終端接收天線的adc精度kadc，公式為：

其中，表示向上取整。

圖4給出了n＝128，m＝8的條件下，目標數(shù)據(jù)速率η分別為50％，70％，90％時，本發(fā)明計算得到的adc精度kadc隨信噪比p/n0變化的示意圖。p/n0的范圍為-15db至15db。從圖中可以看出，對于相同的目標數(shù)據(jù)速率η，信噪比越高，kadc取值越大。說明在實際系統(tǒng)中，信噪比越高，對adc等硬件的要求越高。

本發(fā)明從大規(guī)模mimo系統(tǒng)全局出發(fā)，在發(fā)射端配置1比特dac的前提下，按照步驟(1)-(4)得到的adc精度kadc，是在確保數(shù)據(jù)速率達到ηγideal的條件下，最小的精度。精度越小，硬件、功耗成本越小。因此本發(fā)明權(quán)衡數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)硬件、功耗成本，以最小的成本實現(xiàn)了目標速率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。