CN118055526A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构及设计方法，包括线性排布的若干个阵元；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；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；本发明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。

Description

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

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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，以为多用户场景提供可行的非均匀线性阵列。

本发明采用以下技术方案：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；

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；

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。

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。

本发明的另一种技术方案：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：

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；

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，κ_k表示用户k的莱斯因子；

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。

进一步地，第一优化问题为：

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,…,φ_N]，N表示发射端的阵元总数，φ_n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，R_sum表示遍历和速率，γ_k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，H_k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，H_i表示用户i的下行莱斯信道，L^t表示发射端的阵列孔径，d^min为发射端中相邻阵元间的最小间距阈值。

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：

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。

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：

其中，R_sum是根据改写的。

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：

分析改写的遍历和速率；

将第一优化问题进行简化，简化后的优化问题为

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，/>Θ_k表示用户k的俯仰角，β_t表示发射端的俯仰角，Φ_k表示用户k的方位角，α_t表示发射端的方位角，Θ_i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＝πL^t/λ，λ表示波长。

进一步地，第三优化问题为：

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，T_U(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，Δφ^max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。

本发明的另一种技术方案：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。

本发明的有益效果是：本发明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。

附图说明

图1为本发明实施例中MU-MIMO下行传输场景系统示意图；

图2为本发明验证实施例中基站端16阵元的非均匀线阵排布示意图；

图3为本发明验证实施例中在用户端部署单天线的多用户场景下设计的非均匀阵列拓扑结构示意图；

图4为本发明验证实施例中不同的阵列拓扑结构所实现的遍历和速率随着信噪比的变化情况对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例公开了一种多用户大规模MIMO系统非均匀阵列拓扑结构，包括线性排布的若干个阵元；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；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。

本发明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。

非均匀阵列拓扑具有从阵列中心到两边相邻阵元之间的间距依次递增且中心对称等特征。阵列具有阵元两端稀疏、中间密集且中心对称等特征。

在另一个实施例中，当用户端为单天线时，相同位置的阵元之间的间距小于第一间距。非均匀阵列拓扑不止适用于用户端部署多天线的多用户场景，同时还适用于用户端部署单天线的多用户场景，且单天线比多天线情况下拓扑布局更向中心聚拢；也就是说，基站端的阵列相较于用户端部署多天线时基站端阵列拓扑布局更向中心聚拢。

随着多个用户端天线数的增加，所述阵列拓扑的阵元逐渐向四周靠拢，即所述阵列的中心向两端相邻阵元之间的第一间距增大的速率变缓。也就是说，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。

不同的方位和俯仰旋转角度可以改变所设计的非均匀阵列拓扑的布局，影响系统的遍历和率性能。

具体来说，在多用户MIMO场景中，基站对空间中多个用户同时进行多流传输，即同时发送多个比特流，系统主要用于不同方向的波束赋形，希望波束发射的无线信号能准确地对准被指向的用户，即增强阵列的方向性，并分配一个尖锐的主瓣，在这种情况下，利用稀疏分布的特征，较大的增益集中在主瓣区域，尽可能抑制旁瓣区域的增益，即更多的阵元集中在主瓣区域，而较少的阵元集中在旁瓣区域，故所述非均匀阵列拓扑具有阵列阵元两端稀疏、中间密集且中心对称等特征。

非均匀阵列拓扑不止适用于用户端部署多天线的多用户场景，同时还适用于用户端部署单天线的多用户场景。对于部署多天线的多用户场景，需要对空间中不同的用户使用不同的波束来同时传输不同的数据流，希望传输的信号不仅能够准确地定位要定向的用户，而且能够塑造每个用户中密集的多波束。因为在用户部署多天线阵列的时候，需要具体指向每根天线，所以要塑造密集的多波束，进而有必要考虑远离主瓣的区域，以减少数据流之间的相互干扰。

然而对于部署单天线的多用户场景，仅希望传输的信号能够准确地定位要定向的用户，所以只需要为用户分配一个尖锐的主瓣，不需要考虑远离主瓣的区域，以减少数据流之间的相互干扰。故单天线比多天线情况下拓扑布局更向中心聚拢。

本发明还公开了一种多用户大规模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：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；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，κ_k表示用户k的莱斯因子；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。

在本发明中，考虑一个MU-MIMO下行传输场景系统如图1所示，在BS部署N个发射天线的线性阵列，同时为K个用户提供服务，每个用户均部署M个接收天线的线性阵列。用户k所接收到的信号可以被表示为：

其中，P_k表示分配给用户k的传输功率。为了简化分析，本发明实施例中使用了等功率分配，即P为总传输功率。/>表示BS和用户k之间的信道矩阵，表示用户k的预编码矩阵，/>是BS发送给用户k的原始信号。上式方程右侧的第一项表示用户k接收到的有用信号，而第二项是来自其他用户的共信道干扰信号。表示用户k的加性高斯白噪声，其服从具有/>的复高斯分布。

莱斯信道H_k包括确定性的LOS分量和由于地面障碍物的反射、散射和衍射引起的随机NLOS分量，可以很好地描述无线移动场景的一般情况。具体来说，用户k的下行莱斯信道可以表示为：

其中，和/>分别表示用户k的LOS分量和NLOS分量，κ_k表示用户k的莱斯因子，不失一般性，假设所有用户的莱斯因子都取相同值。

如图1所示，在具有近场球面波传播的多用户莱斯信道场景中，BS配备了一个NULA，而每个用户都部署了一个ULA。为了构造收发端阵列的几何结构关系，以发射机阵列的中心点为原点，建立原始坐标系，记为xyz。不失一般性，假设发射机上的NULA最初位于x轴上。此外，为了描述更一般的情况，同时考虑了NULA的方位和俯仰旋转角。为方便起见，发射端阵列绕z轴进行方位角旋转后的坐标轴用表示，然后绕/>轴进行俯仰角旋转后的坐标轴用x_ty_tz_t表示。

然后表示旋转后的发射端阵列在局部x_ty_tz_t坐标系中的阵元位置坐标记为：

其中，[xⁿ,yⁿ,zⁿ]＝[L^tφ_n/2,0,0]表示发射端阵元n在xyz坐标系中的位置坐标，n＝-(N-1)/2,-(N-1)/2+1,...，(N-)1/2-(1,N-)/1，L^t是发射端的阵列孔径。φ_n∈[-1,1]表示发射端阵元相对于阵列中心的归一化位置，α_t和β_t分别表示发射端的方位旋转角(即方位角)和俯仰旋转角(即俯仰角)。表示考虑阵元n方位角和俯仰角发生旋转之后的坐标。

另外，用户k的阵列阵元相对于发射端阵元的位置坐标可以表示如下：

其中，表示每个用户在x_ry_rz_r坐标系中的阵列阵元的位置坐标，L^r表示接收阵列的孔径长度，θ_m∈[-1,1]是接收阵列阵元在每个用户中相对于阵列中心的归一化位置，d_k表示BS的坐标原点与用户k之间的距离，用户k的方位角和俯仰角分别表示为Φ_k∈[0,2π]和Θ_k∈[-π/2,π/2]。

在本发明实施例中，假设用户在方位角和俯仰角范围内以随机的角度随机分布。值得注意的是，每个用户中的天线阵列都是均匀排列的，即θ＝[θ₁,θ₂,…,θ_M]是已知的。

在这种情况下，发射阵元n和用户k的接收天线m之间的距离d_k,mn可以表示为：

在上式的第二行推导中，使用了泰勒级数展开近似原理同时，阵元位置的平方与BS和用户k之间的距离d_k的比例相当小，因为阵列孔径相比传播距离非常小，特别是在毫米波通信中。

通过考虑球面波的传播特性，BS的发射天线n和用户k的第m个天线之间的直射LOS信道可以表示为：

其中，λ表示载波波长。

对于NLOS分量其表达式可以写成如下：

其中，L_p表示散射体的数量，β_l表示从用户到第l个散射体的路径损失。表示到第l个散射体位置的阵列导向矢量，其中的元素具有与(6)相似的表达式。根据中心极限定理，散射体L_p的数量足够大，那么NLOS分量/>的每个元素都可以很好地建模为均值为0、方差为1的复高斯分布，用/>表示。

在不丧失一般性的情况下，在BS采用了最大比传输(MRT)方案，其中用户k的预编码矩阵为在用户k处的信干噪比(SINR)γ_k可以表示为：

为了获得稳定的阵列拓扑布局，应从统计学意义上分析遍历容量，以克服信道的随机性。所有用户的遍历和速率为：

其中，R_k为用户k的瞬时可达速率，K为用户总数。

本发明通过数值模拟验证了非均匀阵列拓扑结构与其他阵列拓扑相比具有显著的遍历和速率提高，从而为多用户大规模MIMO系统提供了一个有效的阵列拓扑设计指导方针。本发明实施例提供的拓扑结构是以遍历和速率最大化为目标优化得到的，构造第一优化问题为：

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,…,φ_N]，N表示发射端的阵元总数，φ_n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，R_sum表示遍历和速率，γ_k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，H_k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，H_i表示用户i的下行莱斯信道，L^t表示发射端的阵列孔径，d^min为发射端中相邻阵元间的最小间距阈值。

以多用户大规模MIMO系统的遍历和速率最大为目标，以阵列孔径和最小间距阈值为限定条件，设计阵列为非均匀线性阵列结构，能够使R_sum最大化，所设计的非均匀线性阵列结构有着两端稀疏、中间密集且中心对称的特点。

详细地，构建干扰功率项和辅助变量并基于干扰功率项和辅助变量对第一优化问题进行近似转换包括：使用詹森不等式转换第一优化问题；基于大数定律对转换后的第一优化问题中的γ_k项进行变换；令干扰功率项并将其融入γ_k项，其中/>τ＝πL^t/λ＝πL^r/λ，/> L^r表示接收端阵列孔径长度，Φ_k和Θ_k分别表示第k个用户的方位角和俯仰角，Φ_i和Θ_i分别表示第i个用户的方位角和俯仰角，/>是每个用户中接收阵列的第m₁个阵元相对于阵列中心的归一化位置，/>是每个用户中接收阵列的第m₂个阵元相对于阵列中心的归一化位置，α_t和β_t分别表示发射端的方位和俯仰旋转角，λ表示波长；根据变换后的γ_k项引入辅助变量ρ生成简化后的第一优化问题。

参考詹森不等式，可以得到：

根据数学中的大数定律，假设BS处的天线数趋于无穷，有值得注意的是，基于上述假设所得的渐近表达式，对于实际的有限域场景也是适用的。此外，由于NLOS信道分量/>中的各元素相互独立，且遵循均值为0、方差为1的复高斯分布，因此有

根据上述分析，可以从数学上简化(11)中SINR表达式的分子和分母使用/>我们可以得到/>和/>的表达式：

通过上述简化，SINR的表达式γ_k可以进一步表述如下：

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。

而对于所有用户的遍历和率的近似值，可以进一步写成：

其中，R_sum是根据改写的。

接着，分析改写的遍历和速率；将第一优化问题进行简化。显而易见的是，除了分母中LOS信道分量的干扰功率项外，表达式中的所有项都是已知的。因此，可以将系统的遍历和速率最大化的问题近似转化为第i个用户对第k个用户的总干扰功率最小化的问题。

此外，由于BS的坐标原点到用户k之间的距离d_k与阵元的位置变量无关，因此可以通过忽略公式(6)中的来简化后续的推导而不丧失一般性。此时，公式(6)可以近似地转化为：

则有简化后的优化问题为

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，该阈值的大小根据实际情况来调节， 为阵元n₁的归一化位置，/>为阵元n₂的归一化位置，Θ_k表示用户k的俯仰角，β_t表示发射端的俯仰角，Φ_k表示用户k的方位角，α_t表示发射端的方位角，Θ_i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＝πL^t/λ，λ表示波长。

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辅助变量，为阵元n₁的归一化位置，/>为阵元n₂的归一化位置。

根据φ＝φ₀+Δφ和Ξ的表达式，可以推导出包含初始阵列阵元位置的函数

目标函数可以进一步描述为：

其中，通过对指数部分进行高阶泰勒展开，其中的绝对值需要远小于1，即/>高阶泰勒展开式可以表述如下：

当u＝0时u！＝1，当u＞0时在这种近似下，目标函数可以表示为阵元位置位移偏移量的多项式函数，表达式可以表示为：

其中，T_U(Δφ_(n))是式(20)中的第一项和第二项的和，即/>

通过迭代求解，可以求解由于上述高阶泰勒展开式所产生的非凸问题，得到具有最小总干扰功率的最优阵列拓扑。当迭代次数足够大时，可以合理假设对于第i次迭代，初始阵列布局φ₀更新为/>更新为/>且T_U(Δφ_n)被代替。

由此可得第三优化问题为：

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，T_U(Δφ_(n))是经泰勒展开后除一阶项以外其余项之和，即U表示泰勒展开的阶数，/>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，Δφ^max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。

最后，在求解上述优化问题时，借助凸优化工具箱，使用迭代搜索法得到最终非均匀线阵的排布方式，求解方法伪代码如下表1所示。

表1

本发明还公开了一种多用户大规模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。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述各个方法实施例中的步骤。

本发明还提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在数据存储设备上运行时，使得数据存储设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

所述集成的单元模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到存储设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，通过仿真实验方式来说明本发明阵列拓扑结构的有效性，即通过MATLAB仿真来验证所述非均匀阵列拓扑结构的有效性。

采用莱斯信道模型，莱斯因子为5，BS配备了16个阵元，阵列孔径长度为0.1m，阵列的方位和俯仰旋转角分别设置为α_t＝π/3和β_t＝π/6。用户数为2，每个用户的天线数为4，BS与用户之间的距离设置为瑞利距离d_Ray＝2L²/λ＝2m范围内。基站端16阵元的非均匀线阵排布如图2所示，其呈现了与已有阵列不同的排布，即两端稀疏、中间密集且中心对称的特性，阵元位置坐标φ＝[-1，-0.7621，-0.6386，-0.5200，-0.4032，-0.2874，-0.1722，-0.0574，0.0574，0.1722，0.2874，0.4032，0.5200，0.6386，0.7621，1]。

由于在多用户MIMO场景中，基站对空间中多个用户同时进行多流传输，系统主要用于不同方向的波束赋形，希望波束发射的无线信号能准确地对准被指向的用户，即增强阵列的方向性，并分配一个尖锐的主瓣，在这种情况下，利用稀疏分布的特征，较大的增益集中在主瓣区域，尽可能抑制旁瓣区域的增益，即更多的阵元集中在主瓣区域，而较少的阵元集中在旁瓣区域，故所述非均匀阵列拓扑具有阵列阵元两端稀疏、中间密集且中心对称等特征。

图3表示在用户端部署单天线的多用户场景下设计的非均匀阵列拓扑结构，阵元位置坐标φ＝[-1,-0.6821 -0.5586 -0.4400 -0.3402 -0.2374 -0.1422 -0.04740.0474 0.1422 0.2374 0.3402 0.4400 0.5586 0.6821,1]，其同样具有两端稀疏、中间密集且中心对称的特征。即所述非均匀阵列拓扑不止适用于用户端部署多天线的多用户场景，同时还适用于用户端部署单天线的多用户场景。

对于部署多天线的多用户场景，需要对空间中不同的用户使用不同的波束来同时传输不同的数据流，希望传输的信号不仅能够准确地定位要定向的用户，而且能够塑造每个用户中密集的多波束，以减少数据流之间的相互干扰。

然而对于部署单天线的多用户场景，仅希望传输的信号能够准确地定位要定向的用户，所以只需要为用户分配一个尖锐的主瓣，不需要考虑数据流之间的相互干扰，故单天线比多天线情况下拓扑布局更向中心聚拢。

图4表示不同的阵列拓扑结构所实现的遍历和速率随着信噪比的变化情况。其中横坐标表示信噪比，纵坐标表示系统的遍历和速率，图中所包含的拓扑结构有：本发明所设计阵列、均匀阵列、切比雪夫阵列和F点阵列。从图中可以看出，在多用户大规模MIMO中，在同一信噪比下，基站端采用所设计的两端稀疏、中间密集且中心对称的非均匀线阵时，系统遍历和速率高于采用传统均匀或非均匀线阵时的结果，以提升系统的性能。

具体地，在信噪比为20dB时，相较于均匀阵列，系统采用所发明阵列的遍历和速率提升了10.879％；相较于切比雪夫阵列，系统采用所发明阵列的遍历和速率提升了23.167％；相较于F点阵列，系统采用所发明阵列的遍历和速率提升了26.473％。

Claims (9)

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；

相邻的所述阵元之间具有第一间距，且由所有所述阵元组成的线性阵列为中心对称结构；

由所述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。

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：

基于所述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；

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简化所述第一优化问题；其中，κ_k表示用户k的莱斯因子；

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。

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：

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,…,φ_N]，N表示发射端的阵元总数，φ_n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，R_sum表示遍历和速率，γ_k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，H_k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，H_i表示用户i的下行莱斯信道，L^t表示发射端的阵列孔径，d^min为发射端相邻阵元间的最小间距阈值。

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：

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。

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：

其中，R_sum是根据改写的。

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，基于辅助变量p和辅助变量q简化所述第一优化问题还包括：

分析改写的遍历和速率；

将第一优化问题进行简化，简化后的优化问题为

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，Υ＝sinΘ_kcosβ_tcos(Φ_k-α_t)+cosΘ_ksinβ_t-(sinΘ_icosβ_tcos(Φ_i-α_t)+cosΘ_isinβ_t)，Θ_k表示用户k的俯仰角，β_t表示发射端的俯仰角，Φ_k表示用户k的方位角，α_t表示发射端的方位角，Θ_i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＝πL^t/λ，λ表示波长。

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：

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，T_U(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，Δφ^max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。

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。