[发明专利]基于概率整型的低精度大规模天线系统及其编码调制方法

说明书

本发明涉及一种基于概率整型的低精度大规模天线系统及其编码调制方法，所述低精度大规模天线系统中，发送端对信息比特进行概率整形编码、信道编码以及星座映射，接收端对接收信号进行低精度量化处理、概率整形检测、信道译码以及逆向概率整形，从而检测出信息比特，所述编码调制设计方法包括：分析低精度量化对所述低精度大规模天线系统的发送星座图能量分布的影响，基于分析结果及接收端的信道类型，对发送端发送概率分布进行优化，获得最优传输发送概率，基于所述最优传输发送概率实现编码调制设计。与现有技术相比，本发明具有减缓量化带来的容量损失等优点。

技术领域

本发明涉及天线编码调制技术领域，尤其是涉及一种基于概率整形的低精度量化大规模天线系统及基于该系统的编码调制设计方法。

背景技术

近20年来，无线通信业务量爆炸增长与电磁频谱短缺之间的矛盾，驱动着无线理论与技术的变革，相继产生了码分多址、正交频分多址、非正交多址、多天线、全双工、高频、大带宽等标志性的信号设计思想，促进了更高系统容量无线通信技术的标准化与产业化。

这些技术中，大规模天线系统被认为是第五代(5G)移动通信系统最具潜力的传输技术之一，是构建和发展5G产业的基础性核心技术解决方案，具有下述技术和社会效益：

(1)容量大幅度线性增长：根据信息论，当收发机的天线数目达到一定数量时，MIMO(Multi-Input Multi-Output)信道容量将随收发天线数中的最小值近似线性增长。理论上增加N倍天线，容量就提升N倍，从而使得频谱效率提升N倍。显然，频谱效率的数倍线性提升，具有巨大的技术与市场需求。

(2)灵活的三维空间立体覆盖：目前各大城市大型住宅小区和高层商业建筑不断增多，造成移动网络不仅仅要满足水平面上的信号覆盖，还要在垂直方向上实现三维信号全覆盖。采用有源天线技术的大规模天线，将每个垂直的天线阵列分割成多个阵子，从而开发出多天线在垂直方向的空间维度，实现更加灵活和智能的垂直面和水平面波束赋形，充分地利用三维空间信道特性，达到一套天线实现灵活、低成本空间三维立体覆盖的目的。

(3)竞争市场标准：在第三代、第四代移动通信的标准化过程中，物理层传输体制之争，已经达到白热化程度。中国、欧洲、北美等电信利益共同体的博弈斗争结果，形成了在天线传输模式、编码、调制波形方式等方面包含有各自知识产权的国际标准。虽然大规模多输入多输出技术已经做为基本技术被纳入5G标准中，但是现有学术和产业界的原型实践表明该技术小型化(能用)和低功耗低成本(好用)的大规模部署实用需求尚未满足，技术储备无法支持在高速推进的标准设计时获得更优的系统性能，掌握创新的实用大规模天线理论和关键技术，将赢得在标准化、商业市场两个阵地竞争的主导权。

现有大规模天线受到尺寸太大、功耗太高、成本太贵三大挑战，小型化、低功耗、低成本是该技术大规模商业部署应用亟需解决的问题。因此使用创新实用的大规模天线理论和关键技术，满足上述的技术和现实市场需求，需要在以下问题上进行探索并取得突破：为避免高精度量化时数模转换(ADC，Analog-to-Digital Converter)内部高速处理的高频工作带来的大功耗以及高精度ADC的昂贵问题，需要采用低精度甚至单比特量化的ADC。由此带来的挑战主要为：

1)理论容量问题：低精度ADC，在接收端对接收的信号进行有限比特的电平量化，这种非线性的信号处理，会引入加性非线性的随机噪声，使得信号的转移概率不再具备显性的高斯数学特征。同时由于多天线系统带来的乘性随机信道信息，发送信号与接收端量化信号的转移概率密度函数也变得具有挑战性。根据信息论，可以预见发送信号与接收端的量化信号之间的互信息会产生严重的容量损失，系统建模更加复杂。这一损失更会严重制约高阶调制的应用，而无法满足高速传输的系统需求。