【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信，尤其涉及一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构及设计方法。
技术介绍
1、随着5g网络的普及以及b5g/6g网络的到来，毫米波技术成为了一项研究热点，毫米波拥有丰富的频谱资源和可用带宽，是5g网络提供千兆连接能力的有力保障，其波长的减小可以带来天线部署数量的增加，从而引入了大规模mimo体系结构。相比传统的mimo系统，大规模mimo系统有更强的空间分辨率，能够充分挖掘空间资源。同时大规模mimo提供了丰富的空间自由度，极大提升系统的频谱利用效率与发射功率利用效率。
2、对于多用户(mu)系统，大规模mimo架构可以通过两种方式提高频谱效率。首先，基站(bs)可以同时与多个用户和频率资源进行交互。此外，可以将多个数据流与bs和每个用户设备(ue)之间的链接相关联。大规模的mimo体系结构提供了较高的阵列增益，这有助于克服与毫米波频率相关的高路径损耗。因此，多用户大规模mimo系统可以提供较高的频谱效率，以满足b5g/6g的开发要求。其中，装备天线阵列的拓扑结构对大规模mimo系统的性能有着深远的影响。传统的均匀阵列结构通常具有较强的相关性，会导致信道矩阵的秩不足，不能支持多流数据传输，而非均匀阵列可以解决这个问题。
3、目前经典的非均匀阵列有切比雪夫阵列、泰勒阵列还有f点阵列等，但这些阵列是在单用户场景下设计的，具有局限性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构及设计方法，以为
2、本专利技术采用以下技术方案：一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构，包括线性排布的若干个阵元；
3、相邻的阵元之间具有第一间距，且由所有阵元组成的线性阵列为中心对称结构；
4、由线性阵列的中心向两端相邻阵元之间的第一间距逐渐增加。
5、进一步地，随着用户端天线数的增加，由线性阵列中心向两端所述第一间距的增加量减小。
6、本专利技术的另一种技术方案：一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，用于设计权利上述的一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构，包括以下步骤：
7、基于非均匀线性阵列结构中阵元的归一化位置，以最大化多用户大规模mimo系统的遍历和速率建立第一优化问题；
8、引入辅助变量和辅助变量并基于辅助变量p和辅助变量q简化第一优化问题；其中，κk表示用户k的莱斯因子；
9、基于简化后的优化问题转换为最小总干扰功率的第三优化问题，并采用迭代搜索法求得非均匀线性阵列结构中阵元的位置偏移量。
10、进一步地，第一优化问题为：
11、
12、其中，φ表示发射端阵元相对于阵列中心的归一化位置，φ＝[φ1,φ2,…,φn]，n表示发射端的阵元总数，φn表示非均匀线性阵列结构中阵元n对于阵列中心的归一化位置，rsum表示遍历和速率，γk表示用户k的信干噪比，k表示用户总数量，p表示发射端的总功率，hk表示用户k的下行莱斯信道，表示用户k的加性高斯白噪声的方差，hi表示用户i的下行莱斯信道，lt表示发射端的阵列孔径，dmin为发射端中相邻阵元间的最小间距阈值。
13、进一步地，基于辅助变量p和辅助变量q简化第一优化问题包括：
14、
15、其中，表示用户k信干噪比的期望，表示用户k的los分量，表示用户i的los分量。
16、进一步地，基于辅助变量p和辅助变量q简化第一优化问题还包括：
17、
18、其中，rsum是根据改写的。
19、进一步地，基于辅助变量p和辅助变量q简化第一优化问题还包括：
20、分析改写的遍历和速率；
21、将第一优化问题进行简化，简化后的优化问题为
22、
23、其中，ρ是实现los信道分量的总干扰功率值最小化而引入的阈值，为阵元n1的归一化位置，为阵元n2的归一化位置，θk表示用户k的俯仰角，βt表示发射端的俯仰角，φk表示用户k的方位角，αt表示发射端的方位角，θi表示用户i的俯仰角，n1和n1分别表示发射端中不同的阵元，表示接收阵列的阵元m1相对于阵列中心的归一化位置，表示接收阵列的阵元m2相对于阵列中心的归一化位置，τ＝πlt/λ，λ表示波长。
24、进一步地，第三优化问题为：
25、
26、其中，δφ(i)表示第i次迭代的阵元位置偏移量，表示第i-1次迭代时非均匀线性阵列结构中阵元n对于阵列中心的归一化位置，tu(δφ(n))是经泰勒展开后除一阶项以外其余项之和，表示第i次迭代时阵元n对于阵列中心的归一化位置，表示第i次迭代时阵元n1的位置偏移量，表示第i次迭代时阵元n2的位置偏移量，δφ表示阵元位置偏移量，δφmax表示预先确定的最大位置偏移量，表示第i-1次迭代时阵元n+1对于阵列中心的归一化位置，表示第i次迭代时阵元n+1的位置偏移量，表示第i次迭代时阵元n的位置偏移量，φ(i-1)表示第i-1次迭代时发射端阵元相对于阵列中心的归一化位置。
27、本专利技术的另一种技术方案：一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构的设计装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的方法。
28、本专利技术的有益效果是：本专利技术通过设计新型的大规模mimo系统的非均匀线性阵列，可以适用于多用户应用场景，同时提升了系统的性能。
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1.一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构，其特征在于，包括线性排布的若干个阵元；
2.如权利要求1所述的一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构，其特征在于，随着用户端天线数的增加，由所述线性阵列中心向两端所述第一间距的增加量减小。
3.一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，其特征在于，用于设计权利要求1或2所述的一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构，包括以下步骤：
4.如权利要求3所述的一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，其特征在于，所述第一优化问题为：
5.如权利要求4所述的一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，其特征在于，基于辅助变量p和辅助变量q简化所述第一优化问题包括：
6.如权利要求5所述的一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，其特征在于，基于辅助变量p和辅助变量q简化所述第一优化问题还包括：
7.如权利要求6所述的一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，其特征在于，基于辅
8.如权利要求7所述的一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，其特征在于，所述第三优化问题为：
9.一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构的设计装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求3-8任一项所述的方法。
...【技术特征摘要】
1.一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构，其特征在于，包括线性排布的若干个阵元；
2.如权利要求1所述的一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构，其特征在于，随着用户端天线数的增加，由所述线性阵列中心向两端所述第一间距的增加量减小。
3.一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，其特征在于，用于设计权利要求1或2所述的一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构，包括以下步骤：
4.如权利要求3所述的一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，其特征在于，所述第一优化问题为：
5.如权利要求4所述的一种多用户大规模mimo系统非均匀阵列拓扑结构的设计方法，其特征在于，基于辅助变量p和辅助变量q简化...
【专利技术属性】
技术研发人员：庞立华，程叶倩，杜奥，杨佳刚，夏猛，李荣，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：
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