MassiveMIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法、装置及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了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，包括；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并求解，得到三维非均匀天线阵列拓扑结构。本发明专利技术能够提高通信系统的遍历和速率。高通信系统的遍历和速率。高通信系统的遍历和速率。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于移动通信
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术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。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]所述步骤1具体为：
[0014]步骤1.1、设定基站配备有N
t
根发射天线，与K个配备单天线的用户同时通信，基站第m根发射天线与第k个用户之间的距离r
m,k
表示为：
[0015][0016]其中，||
·
||表示范数运算，p
m
＝[x
m
,y
m
,z
m
]T
,m＝1,
…
,N
t
表示第m个发射阵元的位置，x
m
、y
m
与z
m
分别对应直角坐标系中x轴、y轴与z轴的位置，[
·
]T
表示矩阵转置运算，u
k
＝[r
k
Ψ
k
,r
k
Φ
k
,r
k
Ω
k
]T
表示第k个用户的位置，r
k
(k＝1,
…
,K)表示用户k到坐标原点的距离，,K)表示用户k到坐标原点的距离，θ
k
∈[0,2π]表示用户k的方位角，φ
k
∈[
‑
π/2,π/2]表示用户k的仰角，
[0017]步骤1.2、对于基站端任意两个位置分别为p
m
＝(x
m
,y
m
,z
m
)和p
n
＝(x
n
,y
n
,z
n
)的发送天线m和n来说，其三维空域内天线相关系数可以表示为：
[0018][0019]其中，e为自然指数，λ为电磁波波长，P
a
(θ)和P
e
(φ)分别表示各个多径的能量在水平方向和垂直方向上的水平角度功率谱函数(Power Azimuth Spectrum,PAS)和垂直角度功率谱函数(PowerElevation Spectrum,PES)，θ和分别表示电磁波离开方位角与仰角，P
a
(θ)和P
e
(φ)具有独立的概率分布。p
n
＝[x
n
,y
n
,z
n
]T
,n＝1,
…
,N
t
表示第n个发射阵元的位置，x
n
、y
n
与z
n
分别对应直角坐标系中x轴、y轴与z轴的位置，当处于均匀散射无线传播环境中时，PAS和PES服从均匀分布，则P
a
(θ)和P
e
(φ)分别表示为：
[0020]θ∈[
‑
Δ
θ
+θ0,Δ
θ
+θ0][0021]θ∈[
‑
Δ
φ
+φ0,Δ
φ
+φ0][0022]其中，θ0和φ0分别表示方位角和俯仰角的角度分布均值；Δ
θ
和Δ
φ
分别表示方位角和俯仰角的角度分布范围；
[0023]故，三维天线阵列的空间相关矩阵R...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法，其特征在于，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并求解，得到三维非均匀天线阵列拓扑结构。2.根据权利要求1所述的一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法，其特征在于，所述步骤1具体为：步骤1.1：假设基站配备有N
t
根发射天线，与K个配备单天线用户同时通信，基站第m根发射天线与第k个用户之间的距离r
m,k
表示为：其中，||
·
||表示范数运算，p
m
＝[x
m
,y
m
,z
m
]
T
,m＝1,...,N
t
表示第m个发射阵元的位置，x
m
、y
m
与z
m
分别对应直角坐标系中x轴、y轴与z轴的位置，[
·
]
T
表示矩阵转置运算，u
k
＝[r
k
Ψ
k
,r
k
Φ
k
,r
k
Ω
k
]
T
表示第k个用户的位置，r
k
(k＝1,
…
,K)表示用户k到坐标原点的距离，,K)表示用户k到坐标原点的距离，θ
k
∈[0,2π]表示用户k的方位角，φ
k
∈[
‑
π/2,π/2]表示用户k的仰角，步骤1.2：对于基站端任意两个位置分别为p
m
＝(x
m
,y
m
,z
m
)和p
n
＝(x
n
,y
n
,z
n
)的发送天线m和n来说，其三维空域内天线相关系数表示为：其中，e为自然指数，λ为电磁波波长，P
a
(θ)和P
e
(φ)分别表示各个多径的能量在水平方向和垂直方向上的水平角度功率谱函数和垂直角度功率谱函数，θ和分别表示电磁波离开方位角与仰角，P
a
(θ)和P
e
(φ)具有独立的概率分布；p
n
＝[x
n
,y
n
,z
n
]
T
,n＝1,
…
,N
t
表示第n个发射阵元的位置，x
n
、y
n
与z
n
分别对应直角坐标系中x轴、y轴与z轴的位置，当处于均匀散射无线传播环境中时，PAS和PES服从均匀分布，则P
a
(θ)和P
e
(φ)分别表示为：(φ)分别表示为：其中，θ0和φ0分别表示方位角和俯仰角的角度分布均值；Δ
θ
和Δ
φ
分别表示方位角和
俯仰角的角度分布范围；故，三维天线阵列的空间相关矩阵R
T
可表示为：3.根据权利要求1所述的一种Massive MIMO系统的三维非均匀天线阵列设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：假设从基站到第k个用户间的信道h
k
遵循空间相关的莱斯衰落分布，h
k
表示为：其中，K
R
为莱斯因子,代表LOS分量，代表NLOS分量；对于LOS分量，为了体现近场球面波前特性，将建模为：其中，[
·
]
H
表示矩阵的共轭转置运算，r
m,k
(m＝1,...,N
t
,k＝1,...,K)表示基站第m根发射天线与第k个用户之间的距离；对于NLOS分量，采用统计方式来建模，具体地表示为：其中，服从均值为0、方差为1的复高斯分布，R
T
表示三维天线阵列的空间相关矩阵。4.根据权利要求1所述的一种Massive MIMO系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：张阳，张舒婷，吴雨晨，李世崇，庞立华，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：