[发明专利]一种硬件损耗下大规模MIMO系统能效优化方法

说明书

本发明公开一种硬件损耗下大规模MIMO下行系统能效优化方法，属于无线通信领域。针对硬件损耗下大规模MIMO下行系统能耗高的问题，提出了一种通过优化大规模MIMO下行系统DAC量化精度、接收机和发射机硬件损耗参数来提高系统能量效率的方法。该方法包括以下步骤：首先，给出本发明的硬件损耗下大规模MIMO下行系统结构框图，基于该结构图建立基站和用户信号的数学模型；然后，通过对DAC量化精度、接收机和发射机硬件损耗参数划分取值区间，并选出若干个预选值；最后，经过若干次迭代后输出使得能量效率最佳的预选值组合。本发明的硬件损耗下大规模MIMO下行系统能效优化方法，在较低硬件成本和能耗的情况下，能够实现较低的计算复杂度、相对较高的频谱效率和能量效率等优点。

技术领域

本发明涉及一种硬件损耗下的大规模MIMO下行系统能效优化方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

近年来，随着移动终端设备的不断普及与发展，人们对移动数据的传输提出了更高的需求，从而促进了移动通信领域的快速发展。目前，5G正逐渐步入商用阶段，其中大规模MIMO技术作为5G移动通信系统的一项关键技术，具备显著提高吞吐率、频谱利用率和能量效率等性能的潜力。

由于大规模MIMO系统在基站侧配置了大量的收发天线，而传统的大规模MIMO系统使用全精度硬件(包括模数转换器和数模转换器等)，这会带来大量的硬件成本和功率消耗；同时，基站端和用户端的硬件设备很难完全达到理想条件，这就造成了诸多不必要的功耗，因此对大规模MIMO系统能效进行研究尤为重要。

基于以上问题，针对大规模MIMO系统中庞大的天线阵列和高精度DAC(数模转换器)带来的高功耗和高成本，因此亟待解决功耗和硬件成本问题。采用低精度DAC部署在基站端，能够有效地降低系统的功耗和硬件成本，并提高系统的能效，从而整体提高系统通信质量。

发明内容

发明目的：针对硬件损耗下大规模MIMO系统能耗过高的问题，本发明提出一种硬件损耗下的大规模MIMO下行系统能效优化方法，该方法是通过优化DAC量化精度、接收机和发射机硬件损耗参数来实现的，尤其适用于瑞利衰落信道下用户/基站天线较多的大规模MIMO系统。

本发明所采用的技术方案：一种适用于硬件损耗下的大规模MIMO下行系统能效优化方法，其中将硬件损耗干扰归类为一个随机的硬件失真噪声信号。

1、考虑一个单小区多用户的大规模MIMO下行系统，如图1所示。基站作为发射端有N根发射天线，传输的数据符号为x＝Ws，并且发射功率为P_b，同时每根天线对应配置一个DAC，信号经过DAC处理后加入发射机硬件失真噪声并汇总为基站发射信号；K个单天线用户同时作为接收端，并且每个用户终端信号接收前加入接收机硬件失真噪声，最后将加入的接收机硬件失真噪声信号视为用户最终接收的信号。根据Bussang理论，基站发送信号和用户接收信号为

其中，H是N×K维服从瑞利分布的小尺度衰落信道矩阵，n_D为DAC失真噪声，为基站端硬件失真噪声矢量，δ_t为发射机硬件损耗参数，为用户端硬件失真噪声矢量，δ_r为接收机硬件损耗参数，为信道噪声矢量。

该能效优化方法包含以下几个步骤：

步骤1：在大规模MIMO下行系统中，基站N根发射天线对应连接低精度DAC，其量化比特且b_D1＜b_D2；基站发射机硬件损耗参数且δ_t1＜δ_t2；用户接收机硬件损耗参数且δ_r1＜δ_r2，设置迭代参数分别为λ，κ，θ；