基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法，包括：(1)在MIMO系统中的每个AP处引入混合DACs架构，即每个AP处的若干个天线采用全分辨率的DACs，其余天线采用低分辨率的DACs；(2)计算该架构的下行链路速率SE的闭式表达式；(3)根据所述闭式表达式提出加权最大最小功率分配问题；(4)将所述加权最大最小功率分配问题优化为拟线性问题，并采用二分法求解。本发明专利技术降低了在传统的APs上为每个天线都配置了一个高速的全分辨率DACs，造成的的能量损耗和巨大硬件损失的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法。
技术介绍
近年来，“去蜂窝”大规模多输入多输出技术被认为是未来5G和6G最具潜力和最具颠覆性的技术，因为，它可以满足不断日益增长的高SE、高EE和更大覆盖概率的需求。尽管当APs配置大量的天线可以有效地提升系统的天线增益和空间自由度，从而进一步提升系统的SE，但这都是以理想条件为假设的。当前在传统的APs上为每个天线都配置了一个高速的全分辨率DACs，然而系统的能量损耗不仅与APs的天线数量成正比，还随着分辨率位数呈现指数形式的增长，这些将给系统带来巨大硬件损失和能量损耗。尤其是对于未来可能采用的毫米波或太赫兹频段，这对系统的损耗将更加显著，这将极大地阻碍未来“去蜂窝”大规模MIMO系统的实际部署。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法，该方法可以解决在当前去蜂窝大规模MIMO系统上部署DACs造成的系统和能量损耗过大的问题。技术方案：本专利技术所述的基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法，包括：(1)在MIMO系统中的每个AP处引入混合DACs架构，即每个AP处的若干个天线采用全分辨率的DACs，其余天线采用低分辨率的DACs；(2)计算该架构的下行链路速率SE的闭式表达式；(3)根据所述闭式表达式提出加权最大最小功率分配问题；(4)将所述加权最大最小功率分配问题优化为拟线性问题，并采用二分法求解。进一步的，包括：所述步骤(1)中，MIMO系统由M个APs和K个单天线的用户组成，其中，每个AP配置了N个天线，在每个AP处引入了混合DACs架构，即N1数量的天线采用全分辨率的DACs，N2数量的天线采用低分辨率的DACs，N1+N2＝N。进一步的，包括：所述步骤(2)中，下行链路速率SE的闭式表达式表示为：其中，ρd表示归一化的下行传输功率，ηmk表示第m个AP到第k个用户的功率控制系数，κ＝N1/N表示全分辨率DACs在混合DACs中的比例，γmk为第k个用户到第m个AP的信道系数，αm表示与第m个AP相关的线性量化增益系数，其与量化位数相关；表示分配给第k个用户的导频序列，表示分配给第k'个用户的导频序列，ηmk'表示第m个AP到第k'个用户的功率控制系数，γmk'为第k'个用户到第m个AP的信道系数，βmk代表从第k个用户到第m个AP的大规模衰落因子，k'∈K且k'≠k，βmk'代表从第k'个用户到第m个AP的大规模衰落因子；且：Δk和Ψk分别表示为：其中，Real(.)表示取实部操作，ηnk'表示第n个AP到第k'个用户的功率控制系数，γnk'为第k'个用户到第n个AP的信道系数；βnk代表从第k个用户到第n个AP的大规模衰落因子，βnk'代表从第k'个用户到第n个AP的大规模衰落因子；进一步的，包括：γmk为第k个用户到第m个AP的信道系数，其定义为：其中，τ表示导频序列的长度，ρp表示每个导频符号的功率，表示分配给第k个用户的导频序列，βmk代表从第k个用户到第m个AP的大规模衰落因子，k'∈K且k'≠k。βmk'代表从第k'个用户到第m个AP的大规模衰落因子，表示分配给第k'个用户的导频序列。进一步的，包括：所述步骤(3)中，加权最大最小功率分配问题，表示为：其中，ηmk表示第m个AP到第k个用户的功率控制系数，ηk＝[η1kη2k...ηMk]T，ωk表示权重系数因子，0≤ωk≤1。进一步的，包括：所述步骤(4)中，将所述加权最大最小功率分配问题优化为拟线性问题，表示为：对于任意的k、k'、m，m∈M，定义同时引入松弛变量t、pk′k、qk′k、zk′k和vm，则P1可以进一步表示为如下优化问题P2：进一步的，包括：所述采用二分法求解线性问题，包括以下流程：输入：M,K,N,N1,ρd,γmk，τ，输出：步骤：(41)初始化下界rl和上界ru，给定容错值δ＞0；(42)循环ru-rl≤δ；(43)设置r＝(rl+tu)/2，求解如下可行性问题且其中，表示分配给第1,2,...,K个用户的导频序列，β1k,β2k,...,βMk分别代表从第k个用户到第1,2,...M个AP的大规模衰落因子；(44)如果可行性问题可解，则设置rl＝r，返回步骤42，否则设置ru＝r。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：考虑到未来应急场景需要更高优先级的速率，而其他用户享用平等的速率，为此本专利技术公开了基于该系统的“加权最大最小公平”问题。该问题的核心是以每个AP的功率限制为约束条件，然后通过凸规则将原构建的优化问题转换为拟线性问题，最后通过“二分法”对该拟线性问题进行求解。降低了在传统的APs上为每个天线都配置了一个高速的全分辨率DACs，造成的的能量损耗和巨大硬件损失的问题，使得系统损耗和硬件损失更小。附图说明图1是本专利技术所述的优化方法流程图；图2是本专利技术所述的优化方法效果对比示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。本申请首先对名词作了解释：DACs架构：digital-to-analogconverters(数模转换)TDD协议：timedivisionduplexing(时分双工)本专利技术首先公开了一种基于混合DACs协助的下行链路“去蜂窝”大规模MIMO系统。其次，考虑到未来应急场景需要更高优先级的速率，而其他用户享用平等的速率，为此本专利技术公开了基于该系统的加权最大最小公平问题。该问题的核心是以每个AP的功率限制为约束条件，然后通过凸规则将原构建的优化问题转换为拟线性问题，最后通过“二分法”对该拟线性问题进行求解。最后本专利技术通过模拟仿真证明了提出算法的优越性。如图1所示，步骤1、基于混合DACs协助的下行链路“去蜂窝”大规模MIMO系统架构该系统由M个APs和K个单天线的用户组成，其中每个AP配置了N个天线。为了有效降低能耗和硬件成本，在每个AP处引入了混合DACs架构，即N1数量的天线采用全分辨率的DACs，N2数量的天线采用低分辨率的DACs，N1+N2＝N。本专利技术用κ＝N1/N表示全分辨率DACs在混合DACs中的比例。假设采用TDD协议，则下行链路数据传输阶段可以利用上行链路获取的CSI。每个相干间隔包括上行链路信道估计和下行链路数据传输阶段。本专利技术用表示从第k个用户到第m个AP中N1个拥有全分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法，其特征在于，包括：/n(1)在MIMO系统中的每个AP处引入混合DACs架构，即每个AP处的若干个天线采用全分辨率的DACs，其余天线采用低分辨率的DACs；/n(2)计算该架构的下行链路速率SE的闭式表达式；/n(3)根据所述闭式表达式提出加权最大最小功率分配问题；/n(4)将所述加权最大最小功率分配问题优化为拟线性问题，并采用二分法求解。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法，其特征在于，包括：
(1)在MIMO系统中的每个AP处引入混合DACs架构，即每个AP处的若干个天线采用全分辨率的DACs，其余天线采用低分辨率的DACs；
(2)计算该架构的下行链路速率SE的闭式表达式；
(3)根据所述闭式表达式提出加权最大最小功率分配问题；
(4)将所述加权最大最小功率分配问题优化为拟线性问题，并采用二分法求解。


2.根据权利要求1所述的基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中，MIMO系统由M个APs和K个单天线的用户组成，其中，每个AP配置了N个天线，在每个AP处引入了混合DACs架构，即N1数量的天线采用全分辨率的DACs，N2数量的天线采用低分辨率的DACs，N1+N2＝N。


3.根据权利要求2所述的基于混合DACs架构的大规模MIMO系统功率优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中，下行链路速率SE的闭式表达式表示为：



其中，ρd表示归一化的下行传输功率，ηmk表示第m个AP到第k个用户的功率控制系数，κ＝N1/N表示全分辨率DACs在混合DACs中的比例，γmk为第k个用户到第m个AP的信道系数，αm表示与第m个AP相关的线性量化增益系数，其与量化位数相关；表示分配给第k个用户的导频序列，表示分配给第k'个用户的导频序列，ηmk'表示第m个AP到第k'个用户的功率控制系数，γmk'为第k'个用户到第m个AP的信道系数，βmk代表从第k个用户到第m个AP的大规模衰落因子，k'∈K且k'≠k，βmk'代表从第k'个用户到第m个AP的大规模衰落因子；
且：Δk和Ψk分别表示为：






其中，Real(.)表示取实部操作，ηnk'表示第n个AP到第k'个用户的功率控制系数，γnk'为第k'个用户到第n个AP的信道系数；βnk代表从第k个用户到第n个AP的大规模衰落因子，βnk'代表从第k'个用户到第n个AP的大规模衰落因子。


4.根据权利要求3所述的基于混合DACs架构的大规模MIMO系...

【专利技术属性】
技术研发人员：周猛，杨龙祥，乔旭，张尧，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32