本發(fā)明涉及無線通信技術領域，尤其是一種采用混合ADC的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)多用戶功率配置方法。

背景技術：

在發(fā)射端和接收端分別配置大量發(fā)射天線和接收天線的大規(guī)模MIMO技術，能夠充分利用空間資源抑制信道衰落，不僅能夠顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率，還能同時提高能量效率。因此，大規(guī)模MIMO已成為下一代無線通信系統(tǒng)5G的關鍵技術。在多用戶MIMO方案中，一個基站同時服務于多個單天線用戶，所有用戶同時與基站進行數(shù)據傳輸。

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。在上行鏈路中，基站作為接收端，每個天線需要配置一個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ADC的數(shù)目，在接收端設計數(shù)字、模擬混合的接收方案；二是減少ADC的精度，極端情況下設置僅采用1比特量化的ADC。其中第一種方案是采用混合ADC，即給部分天線配置接近理想的高精度ADC，而給剩余的天線配置低精度ADC，此種方法能夠在系統(tǒng)性能和功耗成本之間進行權衡。第二種方案對于低精度ADC的分析，一種典型加性量化噪聲模型被廣泛應用，此模型將量化后的信號近似為兩個不相關的部分之和，一是量化前的原始信號與一個衰減因子之積，二是加性量化噪聲。其中，衰減因子與ADC的量化比特數(shù)成正相關，通常情況下，理想高精度ADC的衰減因子近似為1。

在無線通信領域，中繼技術被廣泛用來提高基站的有效覆蓋范圍和系統(tǒng)可靠性。當用戶與基站之間因為某些障礙無法直接進行通信時，需要在通信鏈路上增加中繼設備。在上行鏈路中，中繼端在某一時刻同時接收所有用戶發(fā)送的信號，在下一時刻將信號放大后發(fā)給基站，中繼與大規(guī)模MIMO技術相結合能夠有效提高系統(tǒng)的頻譜效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種采用混合ADC的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)多用戶功率配置方法，能夠在滿足多用戶傳輸速率的前提下有效控制系統(tǒng)的功耗。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種采用混合ADC的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)多用戶功率配置方法，包括如下步驟：

(1)K個用戶同時發(fā)送信號到中繼，再由中繼轉發(fā)到基站，中繼和基站分別配置N、M根天線，且比例固定；基站有M₀根天線配置高精度ADC，剩余M₁＝M-M₀根天線配置低精度ADC，高精度ADC所占比例因子為

(2)針對低精度ADC，引入參數(shù)α，設α為與量化比特數(shù)成正相關的衰減因子，通常α由ADC的量化精度決定，對于高精度ADC，衰減因子設為α＝1，根據下式計算混合ADC的平均衰減因子為：

(3)用戶到中繼的信道矩陣為其中是N×K的復矩陣，代表信道中的小尺度衰落；D_F＝β_KI_K是K×K的對角矩陣，代表大尺度衰落，假設所有用戶的大尺度衰落因子相同，由β_K表示，I_K表示K×K的單位矩陣；

(4)每個用戶的發(fā)送功率記為符號P_U，當中繼發(fā)送信號的總功率較大時，每個用戶的上行可達速率可以根據下面公式計算：

由此，當系統(tǒng)給定一個目標數(shù)據速率R，則每個用戶的發(fā)送功率P_U應該配置為：

優(yōu)選的，步驟(2)中，的具體取值根據典型的ADC加性量化噪聲模型計算，如ADC精度分別為[1,2,3,4,5]時，對應的α通常取值為α＝[0.6366,0.8825,0.96546,0.990503,0.997501。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明在基站混合配置高精度和低精度ADC，有效降低大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的硬件和功耗成本；采用加性量化噪聲模型，將ADC量化精度對數(shù)據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；在給定的數(shù)據速率要求下，快速確定每個用戶的發(fā)送功率，對于實際應用具有重要價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的多用戶大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的上行鏈路示意圖。

圖2為本發(fā)明的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)中多用戶功率配置算法的性能示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種采用混合ADC的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)多用戶功率配置方法，包括如下步驟：

(1)K個用戶同時發(fā)送信號到中繼，再由中繼轉發(fā)到基站，中繼和基站分別配置N、M根天線，且比例固定。基站有M₀根天線配置高精度ADC，剩余M₁＝M-M₀根天線配置低精度ADC，高精度ADC所占比例因子為

(2)針對低精度ADC，引入參數(shù)α，設α為與量化比特數(shù)成正相關的衰減因子。通常α由ADC的量化精度決定，具體取值可以根據典型的ADC加性量化噪聲模型計算，如ADC精度分別為[1,2,3,4,5]時，對應的α通常取值為α＝[0.6366,0.8825,0.96546,0.990503,0.997501。對于高精度ADC，衰減因子設為α＝1。根據下式計算混合ADC的平均衰減因子為：

(3)用戶到中繼的信道矩陣為其中是N×K的復矩陣，代表信道中的小尺度衰落；D_F＝β_KI_K是K×K的對角矩陣，代表大尺度衰落。假設所有用戶的大尺度衰落因子相同，由β_K表示。I_K表示K×K的單位矩陣。

(4)每個用戶的發(fā)送功率記為符號P_U，當中繼發(fā)送信號的總功率較大時，每個用戶的上行可達速率可以根據下面公式計算：

由此，當系統(tǒng)給定一個目標數(shù)據速率R，則每個用戶的發(fā)送功率P_U應該配置為：

圖1展示了采用混合ADC的多用戶大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的上行鏈路。在某一時刻，K個單天線用戶同時發(fā)送數(shù)據給中繼，信道矩陣為F；在下一時刻，中繼通過N個天線將數(shù)據轉發(fā)給基站，信道矩陣為G?；竟灿蠱個接收天線，其中M₀個配置高精度ADC，剩余M₁＝M-M₀個配置低精度ADC。經過ADC量化得到的數(shù)字信號繼續(xù)進行處理恢復出原始發(fā)送數(shù)據。

圖2展示了本發(fā)明提出的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)中多用戶功率配置算法的性能。各參數(shù)取值為：K＝10，μ＝2，τ＝0.5，β_K＝0.0716。低精度ADC的量化比特數(shù)為1，相應的衰減因子α為0.6366。單用戶目標數(shù)據速率R設為1bit/s/Hz。由以上參數(shù)，根據本發(fā)明計算得到用戶發(fā)射功率P_U，在此條件下仿真得到用戶的實際數(shù)據速率如圖。從圖中可以看出，當基站天線數(shù)目M從50至500變化時，用戶數(shù)據速率都接近于1bit/s/Hz，說明本發(fā)明能獲得較好的性能。M越大，數(shù)據速率越接近1bit/s/Hz，說明本發(fā)明比較適合采用大規(guī)模天線陣列的MIMO系統(tǒng)。單用戶發(fā)射功率P_U的計算步驟如下：

(1)低精度ADC的量化比特數(shù)為1，相應的衰減因子α為0.6366，且τ＝0.5，根據下式計算混合ADC的平均衰減因子：

(2)對于不同的基站天線數(shù)目M，由μ＝2，可得中繼天線數(shù)N。再由β_K＝0.0716，R＝1bit/s/Hz，按下式計算用戶發(fā)射功率：

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本發(fā)明的權利要求所限定的范圍，可以對本發(fā)明進行各種變化和修改。