一种大规模MIMO系统中设备ADC精度配置方法与流程

本发明涉及一种大规模mimo(多输入多输出)系统中设备adc(模数转换单元)精度配置方法，属于无线通信技术。

背景技术：

近年来，为了适应飞速增长的移动数据传输需要，无线通信系统迫切需要提高频谱传输效率。mimo，即在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，能够充分利用空间资源抑制信道衰落，在不增加频谱资源和整体发射功率的情况下，显著提高系统的信道容量，具有明显的优势。在此基础上提出的大规模mimo技术已成为下一代无线通信系统(5g)的关键组成部分。该技术通过给基站配置数百甚至上千个天线，大大提高了无线信号传输的空间自由度，从而通过空分复用提高了系统的频谱效率以及信道容量。在多用户mimo方案中，一个基站同时服务于多个单天线用户，多个数据流可在基站和用户间同时传输。只要基站天线数多于用户数，每个用户仍然能够获得可观的空间自由度。

然而，天线数目的增长同时也提升了硬件实现的复杂度。在下行链路中，每个基站发射天线需要配置一个dac(数模转换单元)，每个终端接收天线需要配置一个adc。因此，硬件成本和功耗成本随着天线数目的增加而快速增加。这大大限制了大规模mimo的应用。针对这个问题，目前主要有两种解决方案。一是减少dac和adc的数目，采用混合收发器以减少射频链路，例如在发送端先进行数字预编码，再进行数模转换，然后进行模拟预编码。数字预编码仍然采用传统的破零(zf)、最大比率传输(mrt)预编码等方法，而模拟预编码则需要另外设计。当进行波束成形时，射频链路数目的下限是实际传输数据流的数目，而波束成形增益的上限由天线数目决定；二是减少dac和adc的精度，极端情况下甚至仅采用1比特的dac和adc，因为dac和adc的功耗随着量化精度比特数目的增加而成指数率增长。目前大多方案都是单独考虑低精度dac或adc。因此，联合考虑二者的精度配置问题，尤其是二者精度的权衡，对实际系统的设计具有十分重要的意义。如果将以上两种方案相结合，就能够同时从两个方面降低大规模mimo系统的功耗。

当发射端配置1比特的dac时，接收端配置无限精度的adc就不是很有必要。因为低精度的adc也能获得逼近最大的数据传输速率，而功耗却会比无限精度adc减小许多。换而言之，adc的精度需要在系统传输性能和硬件、功耗成本之间进行权衡。根据具体数据速率要求来设计接收端adc的精度，对系统实现具有非常重要的指导意义。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大规模mimo系统中设备adc的精度配置计算方法，该方法计算得出adc的精度配置值可以最小化传输系统中信号量化模块的功耗，极大减小大规模天线阵列系统的整体功耗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：包括步骤：

(1)根据bussang理论，基站发射天线配置1比特dac，终端接收天线配置理想的无限精度adc时，下行链路中每个用户的接收信噪比γideal为：

其中，ρdac＝0.3634，表示1比特量化dac对接收信噪比的影响参数；基站天线数目为n，终端单天线用户数目为m，发射功率为p，接收端热噪声功率为n0；

(2)根据bussang理论及步骤(1)，基站发射天线配置1比特dac，终端接收天线配置量化比特数为kadc的低精度adc时，下行链路中每个用户的接收信噪比γ为：

其中，kadc≥3，ρ表示低精度adc对接收信噪比的衰减因子；ρ和kadc的关系为：

(3)当目标数据速率为理想速率的η倍时，根据香农公式，有

log(1+γ)＝ηlog(1+γideal)

将公式(2)代入，可以解出衰减因子ρ：

(4)按步骤(3)得到ρ后，再根据公式(3)计算终端接收天线adc精度所需要的配置值kadc：

其中，表示向上取整。

有益效果：本发明提供的大规模mimo系统中设备adc的精度配置方法，相对于现有技术，具有如下优势：1、本发明从大规模mimo系统全局出发，在发射端配置1比特dac的前提下，权衡数据传输速率和系统硬件、功耗成本，确定接收端adc的精度，能够获得整体最优的性能；2、本发明将dac和adc量化精度对用户数据速率的非线性影响近似成线性，简化了求解过程，降低了计算复杂度；3、本发明中基站天线数目n，用户数目m，发射功率p，噪声功率n0取值灵活；因此，该方案适用于任意信噪比下的多用户大规模mimo系统；4、本发明对于实际系统的设计具有重要价值；在给定的数据速率要求下，本发明可以快速确定adc的精度，以最低的功耗成本获得需求的性能。

附图说明

图1为本发明中大规模mimo系统的发射端、接收端框图；

图2为本发明中低精度adc在接收端对信号进行处理的示意图；

图3为给定条件下，根据本发明计算得到的adc精度随目标数据速率变化的示意图；

图4为给定条件下，根据本发明计算得到的adc精度随信噪比变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1展示了本发明中大规模mimo系统的发射端、接收端框图。在发射端，原始数据经过调制生成m个符号，然后经过预编码产生n个复数信号，每个复数信号的实部、虚部分别经过dac产生模拟信号，最后经过射频链路(rf)后由n根天线发射。在接收端，m个单天线用户分别接收到信号，经过射频链路处理后，再经adc模块处理得到数字信号，最后经过解调恢复出原始数据。

图2展示了低精度adc对接收信号的操作过程，adc的精度kadc为1比特，发射天线数n为32，用户数目m为8。图中信号y为经过射频链路处理后的接收信号，从图中可以看出y在-5～10之间连续分布；信号yq为经过adc处理后的输出信号，从图中可以看出yq只有2种取值。显然，经过低精度adc的处理，接收信号产生了失真，且kadc越小，失真越严重。因此，为了降低系统功耗而采用低精度adc，会对系统传输性能产生影响。具体的，传输速率会被降低。

图3给出了在信噪比p/n0＝0db，n＝128，m＝8的条件下，目标数据速率分别为理想速率的0～100％时，按照本发明的算法计算得到的adc精度。从图中可以看出，如果要使数据速率达到理想速率的0～39％，adc的精度都至少要达到1比特；如果要达到40％～76％，则至少要2比特；如果要达到77％～93％，则至少要达到3比特；如果要达到94％～98％，则至少要达到4比特。计算kadc的具体步骤如下：

(1)由n＝128，m＝8，信噪比p/n0＝0db，计算得到配置1比特dac和理想的无限精度adc时，下行链路中每个用户的接收信噪比γideal，公式为：

其中，ρdac＝0.3634，表示1比特量化dac对接收信噪比的影响参数。

(2)根据bussang理论及步骤(1)，基站发射天线配置1比特dac，终端接收天线配置量化比特数为kadc的低精度adc时，下行链路中每个用户的接收信噪比γ为：

其中，kadc≥3，ρ表示低精度adc对接收信噪比的衰减因子；ρ和kadc的关系为：

(3)当目标数据速率为理想速率的η倍时，根据香农公式，有log(1+γ)＝ηlog(1+γideal)，将目标数据速率η和公式(2)代入公式，计算衰减因子ρ，公式为：

(4)由步骤(2)得到的ρ与公式(3)计算终端接收天线的adc精度kadc，公式为：

其中，表示向上取整。

图4给出了n＝128，m＝8的条件下，目标数据速率η分别为50％，70％，90％时，本发明计算得到的adc精度kadc随信噪比p/n0变化的示意图。p/n0的范围为-15db至15db。从图中可以看出，对于相同的目标数据速率η，信噪比越高，kadc取值越大。说明在实际系统中，信噪比越高，对adc等硬件的要求越高。

本发明从大规模mimo系统全局出发，在发射端配置1比特dac的前提下，按照步骤(1)-(4)得到的adc精度kadc，是在确保数据速率达到ηγideal的条件下，最小的精度。精度越小，硬件、功耗成本越小。因此本发明权衡数据传输速率和系统硬件、功耗成本，以最小的成本实现了目标速率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。