CN107017927B - 一种大规模mimo系统中基站dac精度配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO系统中基站DAC精度配置方法。在大规模MIMO系统中，配置多天线的基站同时服务于多个单天线用户。考虑下行链路，作为发射端的基站需要配置大量天线，因此为每个发射天线单元配置低精度DAC能够有效降低传输系统的整体功耗。终端用户的每根接收天线配置1比特量化ADC，给定每个用户的目标数据速率，本发明能够根据基站天线数目和终端设备数目等固定参数计算确定满足要求的基站DAC最佳精度。本发明计算简单，旨在以最小功耗成本实现系统目标性能，对大规模MIMO系统的设计和实现具有指导意义。

Description

一种大规模MIMO系统中基站DAC精度配置方法
技术领域
本发明涉及一种大规模MIMO(多输入多输出)系统中基站DAC(数模转换单元)精度配置方法，属于无线通信技术。
背景技术
近年来，在无线通信领域，MIMO技术，即在发射端和接收端分别配置多个发射天线和接收天线，引起了广泛关注。MIMO技术通过空分复用能够显著提高系统的频谱传输效率和信道容量，具有明显的优势。在此基础上，大规模MIMO技术通过在基站配置成百上千根天线，极大程度地提高了信号传输的空间自由度，已经成为下一代无线通信系统(5G)的关键技术之一。此外，在多用户MIMO方案中，一个基站能够同时服务于多个单天线用户。
然而，基站天线数目的大量增长同时也提升了系统硬件实现的成本和复杂度。在下行链路中，数字信号需要转换成模拟信号后才能够通过天线发送，因此基站每根发射天线都需要配置一个DAC单元。随着基站天线数目的增加，DAC引起的硬件成本和功耗成本也随之迅速增长，这大大限制了大规模MIMO方案的实际应用。针对此问题，目前主要有两种解决方法。一是采用混合发送方案以减少基站的射频链路，进而减少DAC的数目，例如在基站先针对数字信号进行数字预编码，接着利用DAC进行数模转换，然后针对模拟信号再进行模拟预编码，最后通过天线发送信号。数字预编码仍可采用传统的最大比率传输(MRT)、破零(ZF)等预编码方法，而模拟预编码则需特别设计。二是降低DAC的精度以减少单个DAC单元的功耗成本，极端情况下甚至采用1比特量化的DAC。如果结合以上两个方面，就能够同时从两个角度降低大规模MIMO下行链路传输的功耗成本。
在大规模MIMO系统中，为基站采用低精度的DAC，虽然降低了硬件和功耗成本，但是显然会影响下行链路的数据传输性能。DAC的精度越低，功耗越小，但是下行链路的可达速率也会降低。换而言之，DAC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。根据用户数据传输速率要求来配置基站DAC的精度，对系统的设计实现具有重要的意义。
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系统中基站DAC的精度配置计算方法，该方法计算得出的DAC精度值可以在满足下行链路数据速率要求的前提下，最小化数模转换模块的功耗，极大减小大规模天线阵列的整体功耗。
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)考虑大规模MIMO系统的下行链路。基站作为发射端，配置有N根天线，发射功率为P；M个单天线用户同时作为接收端，热噪声功率为N0。根据Bussang理论，用户接收天线配置1比特量化的ADC，基站发射天线配置理想的无限精度DAC时，每个用户的接收信噪比γideal为：
Figure GDA0001286367500000021
其中，ρADC＝0.3634，表示1比特量化ADC对接收信噪比的影响参数；
(2)根据Bussang理论，用户接收天线配置1比特ADC，基站发射天线配置量化比特数为kDAC的低精度DAC时，每个用户的接收信噪比γ为：
Figure GDA0001286367500000022
其中，kDAC≥3，ρ表示低精度DAC对接收信噪比的衰减因子；ρ和kDAC的关系为：
Figure GDA0001286367500000023
(3)考虑高信噪比的情况，即P>>N0。假设单用户目标数据速率为理想速率的η倍，根据香农公式，有log(1+γ)＝ηlog(1+γideal)，将公式(1)和(2)代入，可以解出衰减因子ρ：
Figure GDA0001286367500000031
(4)按步骤(3)得到ρ后，再根据公式(3)计算基站发射天线DAC所需的量化精度值kDAC：
Figure GDA0001286367500000032
其中，
Figure GDA0001286367500000033
表示向上取整。
有益效果：本发明提供的大规模MIMO系统中基站DAC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，考虑下行链路，在单天线用户配置1比特量化ADC的前提下，根据目标数据速率确定基站DAC的配置精度，能够最小化系统的硬件和功耗成本；2、本发明利用Bussang理论，将DAC和ADC量化精度对下行链路数据速率的非线性影响近似成线性，降低了计算复杂度；3、本发明中基站天线数目N和用户数目M取值灵活，因此该方案适用于任意高信噪比的大规模MIMO系统；
附图说明
图1为本发明中大规模MIMO系统下行链路的发射端、接收端框图；
图2为高信噪比条件下，根据本发明得到的基站DAC配置精度随目标数据速率变化的示意图；
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系统下行链路的发射端、接收端框图。基站作为发射端，原始发送数据经过调制模块生成M个符号，然后经过预编码模块产生N个复数信号，其实部、虚部分别进行数模转换产生模拟信号，最后经过射频链路(RF)处理后通过N根天线发射。M个单天线用户作为接收端，将接收信号经过射频链路处理后，进行模数转换得到数字信号，最后经过解调模块恢复出原始发送数据。
图2给出了在高信噪比条件下，N＝128，M＝64，η＝75％～100％，即目标数据速率是理想速率的75％～100％时，按照本发明计算得到的基站DAC的配置精度。观察图2可以发现，如果目标数据速率要达到理想速率的75％～93％，基站DAC的精度至少应配置为3比特；如果要达到94％～98％，则至少应配置为4比特；如果要达到98％～99％，则至少应配置为5比特。计算kDAC的具体步骤如下：
(1)将N＝128，M＝64，ρDAC＝0.3634代入公式(4)，计算得到低精度DAC对接
收信噪比的衰减因子ρ，公式为：
Figure GDA0001286367500000041
(2)将步骤(1)得到的ρ代入公式(5)，计算基站发射天线的DAC配置精度kDAC，公式为：
Figure GDA0001286367500000042
其中，
Figure GDA0001286367500000043
表示向上取整。
本发明从大规模MIMO系统全局出发，在单天线用户接收端配置1比特量化ADC的前提下，按照步骤(1)-(4)得到的基站发射天线DAC配置精度kDAC，是在确保下行链路用户数据速率达到ηγideal的条件下，DAC所需要的最小精度。DAC模块精度越小，系统硬件、功耗成本就越小。因此本发明综合权衡了数据传输速率和系统实现成本两个方面。
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。

Claims (1)

1.一种大规模MIMO系统中基站DAC精度配置方法，其特征在于：包括步骤：
(1)根据Bussang理论，用户接收天线配置1比特量化的ADC，基站发射天线配置理想的无限精度DAC时，每个用户的接收信噪比γideal为：
Figure FDA0001292980310000011
其中，ρADC＝0.3634，表示1比特量化ADC对接收信噪比的影响参数；基站作为发射端，配置有N根天线，发射功率为P；M个单天线用户同时作为接收端，热噪声功率为N0；
(2)根据Bussang理论，用户接收天线配置1比特ADC，基站发射天线配置量化比特数为kDAC的低精度DAC时，每个用户的接收信噪比γ为：
Figure FDA0001292980310000012
其中，kDAC≥3，ρ表示低精度DAC对接收信噪比的衰减因子；ρ和kDAC的关系为：
Figure FDA0001292980310000013
(3)假设单用户目标数据速率为理想速率的η倍，根据香农公式，有log(1+γ)＝ηlog(1+γideal)，将公式(1)和(2)代入，解出衰减因子ρ：
Figure FDA0001292980310000014
(4)按步骤(3)得到ρ后，再根据公式(3)计算基站发射天线DAC所需的量化精度值kDAC：
Figure FDA0001292980310000021
其中，
Figure FDA0001292980310000022
表示向上取整。
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