一种大规模MIMO系统中设备ADC精度配置方法

摘要

本发明公开了一种大规模MIMO系统中设备ADC精度配置方法。在大规模MIMO系统中，由于天线数目巨大，为每个天线单元配置低精度的DAC和ADC能够有效控制传输系统的整体功耗。本发明考虑下行链路，作为发射端的大规模天线基站为每根天线配置低功耗1比特量化DAC，给定系统目标数据速率，本发明根据基站天线和终端设备数目等固定系统参数可以计算确定满足目标速率要求的接收端ADC最佳精度。本发明计算简单，能够以最小功耗成本实现系统目标性能，对大规模MIMO系统配置和硬件设计具有指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大规模MIMO(多输入多输出)系统中设备ADC(模数转换单元)精度配置方法，属于无线通信技术。

背景技术

近年来，为了适应飞速增长的移动数据传输需要，无线通信系统迫切需要提高频谱传输效率。MIMO，即在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，能够充分利用空间资源抑制信道衰落，在不增加频谱资源和整体发射功率的情况下，显著提高系统的信道容量，具有明显的优势。在此基础上提出的大规模MIMO技术已成为下一代无线通信系统(5G)的关键组成部分。该技术通过给基站配置数百甚至上千个天线，大大提高了无线信号传输的空间自由度，从而通过空分复用提高了系统的频谱效率以及信道容量。在多用户MIMO方案中，一个基站同时服务于多个单天线用户，多个数据流可在基站和用户间同时传输。只要基站天线数多于用户数，每个用户仍然能够获得可观的空间自由度。

然而，天线数目的增长同时也提升了硬件实现的复杂度。在下行链路中，每个基站发射天线需要配置一个DAC(数模转换单元)，每个终端接收天线需要配置一个ADC。因此，硬件成本和功耗成本随着天线数目的增加而快速增加。这大大限制了大规模MIMO的应用。针对这个问题，目前主要有两种解决方案。一是减少DAC和ADC的数目，采用混合收发器以减少射频链路，例如在发送端先进行数字预编码，再进行数模转换，然后进行模拟预编码。数字预编码仍然采用传统的破零(ZF)、最大比率传输(MRT)预编码等方法，而模拟预编码则需要另外设计。当进行波束成形时，射频链路数目的下限是实际传输数据流的数目，而波束成形增益的上限由天线数目决定；二是减少DAC和ADC的精度，极端情况下甚至仅采用1比特的DAC和ADC，因为DAC和ADC的功耗随着量化精度比特数目的增加而成指数率增长。目前大多方案都是单独考虑低精度DAC或ADC。因此，联合考虑二者的精度配置问题，尤其是二者精度的权衡，对实际系统的设计具有十分重要的意义。如果将以上两种方案相结合，就能够同时从两个方面降低大规模MIMO系统的功耗。

当发射端配置1比特的DAC时，接收端配置无限精度的ADC就不是很有必要。因为低精度的ADC也能获得逼近最大的数据传输速率，而功耗却会比无限精度ADC减小许多。换而言之，ADC的精度需要在系统传输性能和硬件、功耗成本之间进行权衡。根据具体数据速率要求来设计接收端ADC的精度，对系统实现具有非常重要的指导意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大规模MIMO系统中设备ADC的精度配置计算方法，该方法计算得出ADC的精度配置值可以最小化传输系统中信号量化模块的功耗，极大减小大规模天线阵列系统的整体功耗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：包括步骤：

(1)根据Bussang理论，基站发射天线配置1比特DAC，终端接收天线配置理想的无限精度ADC时，下行链路中每个用户的接收信噪比γ_ideal为：

其中，ρ_DAC＝0.3634，表示1比特量化DAC对接收信噪比的影响参数；基站天线数目为N，终端单天线用户数目为M，发射功率为P，接收端热噪声功率为N₀；

(2)根据Bussang理论及步骤(1)，基站发射天线配置1比特DAC，终端接收天线配置量化比特数为k_ADC的低精度ADC时，下行链路中每个用户的接收信噪比γ为：

其中，k_ADC≥3，ρ表示低精度ADC对接收信噪比的衰减因子；ρ和k_ADC的关系为：

(3)当目标数据速率为理想速率的η倍时，根据香农公式，有

log(1+γ)＝ηlog(1+γ_ideal)

将公式(2)代入，可以解出衰减因子ρ：

(4)按步骤(3)得到ρ后，再根据公式(3)计算终端接收天线ADC精度所需要的配置值k_ADC：

其中，表示向上取整。

有益效果：本发明提供的大规模MIMO系统中设备ADC的精度配置方法，相对于现有技术，具有如下优势：1、本发明从大规模MIMO系统全局出发，在发射端配置1比特DAC的前提下，权衡数据传输速率和系统硬件、功耗成本，确定接收端ADC的精度，能够获得整体最优的性能；2、本发明将DAC和ADC量化精度对用户数据速率的非线性影响近似成线性，简化了求解过程，降低了计算复杂度；3、本发明中基站天线数目N，用户数目M，发射功率P，噪声功率N₀取值灵活；因此，该方案适用于任意信噪比下的多用户大规模MIMO系统；4、本发明对于实际系统的设计具有重要价值；在给定的数据速率要求下，本发明可以快速确定ADC的精度，以最低的功耗成本获得需求的性能。

附图说明

图1为本发明中大规模MIMO系统的发射端、接收端框图；

图2为本发明中低精度ADC在接收端对信号进行处理的示意图；

图3为给定条件下，根据本发明计算得到的ADC精度随目标数据速率变化的示意图；

图4为给定条件下，根据本发明计算得到的ADC精度随信噪比变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1展示了本发明中大规模MIMO系统的发射端、接收端框图。在发射端，原始数据经过调制生成M个符号，然后经过预编码产生N个复数信号，每个复数信号的实部、虚部分别经过DAC产生模拟信号，最后经过射频链路(RF)后由N根天线发射。在接收端，M个单天线用户分别接收到信号，经过射频链路处理后，再经ADC模块处理得到数字信号，最后经过解调恢复出原始数据。

图2展示了低精度ADC对接收信号的操作过程，ADC的精度k_ADC为1比特，发射天线数N为32，用户数目M为8。图中信号y为经过射频链路处理后的接收信号，从图中可以看出y在-5～10之间连续分布；信号y_q为经过ADC处理后的输出信号，从图中可以看出y_q只有2种取值。显然，经过低精度ADC的处理，接收信号产生了失真，且k_ADC越小，失真越严重。因此，为了降低系统功耗而采用低精度ADC，会对系统传输性能产生影响。具体的，传输速率会被降低。

图3给出了在信噪比P/N₀＝0dB，N＝128，M＝8的条件下，目标数据速率分别为理想速率的0～100％时，按照本发明的算法计算得到的ADC精度。从图中可以看出，如果要使数据速率达到理想速率的0～39％，ADC的精度都至少要达到1比特；如果要达到40％～76％，则至少要2比特；如果要达到77％～93％，则至少要达到3比特；如果要达到94％～98％，则至少要达到4比特。计算k_ADC的具体步骤如下：

(1)由N＝128，M＝8，信噪比P/N₀＝0dB，计算得到配置1比特DAC和理想的无限精度ADC时，下行链路中每个用户的接收信噪比γ_ideal，公式为：

其中，ρ_DAC＝0.3634，表示1比特量化DAC对接收信噪比的影响参数。

(2)根据Bussang理论及步骤(1)，基站发射天线配置1比特DAC，终端接收天线配置量化比特数为k_ADC的低精度ADC时，下行链路中每个用户的接收信噪比γ为：

其中，k_ADC≥3，ρ表示低精度ADC对接收信噪比的衰减因子；ρ和k_ADC的关系为：

(3)当目标数据速率为理想速率的η倍时，根据香农公式，有log(1+γ)＝ηlog(1+γ_ideal)，将目标数据速率η和公式(2)代入公式，计算衰减因子ρ，公式为：

(4)由步骤(2)得到的ρ与公式(3)计算终端接收天线的ADC精度k_ADC，公式为：

其中，表示向上取整。

图4给出了N＝128，M＝8的条件下，目标数据速率η分别为50％，70％，90％时，本发明计算得到的ADC精度k_ADC随信噪比P/N₀变化的示意图。P/N₀的范围为-15dB至15dB。从图中可以看出，对于相同的目标数据速率η，信噪比越高，k_ADC取值越大。说明在实际系统中，信噪比越高，对ADC等硬件的要求越高。

本发明从大规模MIMO系统全局出发，在发射端配置1比特DAC的前提下，按照步骤(1)-(4)得到的ADC精度k_ADC，是在确保数据速率达到ηγ_ideal的条件下，最小的精度。精度越小，硬件、功耗成本越小。因此本发明权衡数据传输速率和系统硬件、功耗成本，以最小的成本实现了目标速率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。