基于圆形天线阵列的超大规模MIMO传输方法

本发明属于无线通信，涉及一种基于圆形天线阵列的超大规模mimo传输方法。

背景技术：

1、无线通信对更高带宽和更高数据速率应用的需求推动了对更高频段的探索。由于超大规模mimo能够克服太赫兹频段极高的传输损耗，因此其在未来移动通信中显示出相当大的潜力。

2、在超大规模mimo(multiple input multiple output，mimo)系统中，天线数目过大导致瑞利距离的增大，因此用户和散射体将位于天线阵列近场范围内。此时传统的平面波模型不再适用，需要考虑球面波模型。同时，当天线阵列的孔径较大时，超大规模mimo阵列天线的不同区域看到的散射体可能不同，因此需要考虑信道的非平稳特性。同时，与线性天线阵列相比，圆形天线阵列的结构比较紧凑、耦合关系较低，因此在超大规模mimo更加具有优势。此外，在多用户超大规模mimo系统中，统计信道状态信息(channel statusinformation，csi)比瞬时信道状态信息的鲁棒性更强，并且所需的反馈信息更少，因此更加通用。

3、目前已有的超大规模mimo中基于球面波模型的文献主要是围绕信道模型、球面波模型下的信道估计和信道容量以及阵列响应进行研究，特别是有些文献同时考虑了信道的非平稳特性和球面波特征。但是，目前很少有文献系统的研究球面波模型下具有空间非平稳特征的超大规模mimo的最优传输问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种基于圆形天线阵列的超大规模mimo传输方法，具体包括以下步骤：

2、建立三维空间中均匀圆形阵列的多用户超大规模mimo系统模型；

3、考虑超大规模mimo系统空间非平稳特性，建立基站端天线阵列到用户的信道向量；

4、基于基站端天线阵列到用户的信道向量构建用户的接收信号模型；

5、考虑包含直射信道与非直射信道的信道，建立信道模型，并基于球面波模型推导出直射信道的表达式；

6、获取基于球面波模型的均匀圆形阵列在具有空间非平稳特征的多用户超大规模mimo系统中的信道容量和信号泄露噪声比；

7、基于统计csi和slnr最大化准则，推导出基于球面波模型的均匀圆形阵列在具有空间非平稳特征的多用户超大规模mimo系统中最优发射方向的闭式表达式；

8、用户基于贪婪思想选择最优用户集，最优用户集的用户基于最优发射方向的策略进行信号发送。

9、进一步的，在三维空间中均匀圆形阵列的多用户超大规模mimo系统模型中，若基站端配备m根均匀分布在半径为r的圆周上的天线，且服务于l个单天线用户，将基站的天线阵列均匀分成s个不相关的子阵列，每个子阵列的天线数为将第s个子阵列的第n根天线表示为sn。

10、进一步的，考虑超大规模mimo系统空间非平稳特性，建立基站端天线阵列到用户的信道向量，信道向量表示为：

11、gl＝hl⊙pl

12、其中，hl＝[hl(1) hl(2) … hl(s) … hl(s)]，为按照s个子阵列划分的分块信道向量，表示基站端第s个子阵列到用户l的信道矢量；⊙表示hadamard积；pl∈{0,1}1×s为引入vr和空间非平稳性后的选择矩阵。

13、进一步的，用户的接收信号模型表示为：

14、

15、其中，yl表示第l个用户的接收信号，wl＝[wl(1) wl(2) … wl(s) … wl(s)]t、wj＝[wj(1) wj(2) … wj(s) … wj(s)]t分别表示第l个用户、第j个用户的发射方向，并且满足||wl||＝||wj||＝1，表示第l个用户在第s个子阵列上的发射方向策略，||·||表示计算欧几里德范数；xl、xj分别表示第l个用户、第j个用户的发射符号，且满足|xl|2＝|xj|2＝1，|·|表示计算绝对值；pl(s)表示引入vr和空间非平稳性后的选择矩阵中第s个元素；表示基站端第s个子阵列到用户l的信道矢量；ρ表示信噪比，nl表示零均值、单位方差的复高斯加性噪声。

16、进一步的，考虑包含los与nlos的实际信道，建立信道模型，包括：

17、

18、其中，hl(s)表示包含直射信道与非直射信道的信道模型；kl为第l个用户的莱斯因子，表示基站端第s个子阵列和第l个用户之间的非直射信道矢量，建模为独立同分布的零均值、单位方差的复高斯随机变量；表示基站端第s个子阵列和第l个用户之间的直射信道矢量。

19、进一步的，当pl(s)＝1时，基于球面波模型，可以将基站端第s个子阵列天线到第l个用户的归一化los信道建模为：

20、

21、

22、

23、其中，h为基站高度；为第l个用户的仰角；θl为第l个用户的方位角；表示第sn根天线到第l个用户的通信距离。

24、进一步的，获取基于球面波模型的均匀圆形阵列在具有空间非平稳特征的多用户超大规模mimo系统中的信道容量和信号泄露噪声比包括：

25、

26、

27、其中，c为信道容量；e{·}表示期望操作符；ρ表示信噪比，pl(s)表示引入vr和空间非平稳性后的选择矩阵中第s个子阵列的选择向量；表示基站端第s个子阵列到用户l的信道矢量；wl＝[wl(1) wl(2) … wl(s) … wl(s)]t表示第l个用户的发射方向，表示第l个用户在第s个子阵列上的发射方向策略。

28、进一步的，基于统计csi和slnr最大化准则，推导出基于球面波模型的均匀圆形阵列在具有空间非平稳特征的多用户超大规模mimo系统中最优发射方向的闭式表达式包括：

29、基于球面波模型、统计csi和slnr最大化准则，当且仅当特征参数满足：

30、

31、均匀圆形阵列在具有空间非平稳特征的多用户超大规模mimo系统中最优发射方向表示为：

32、

33、基于平面波模型、统计csi和slnr最大化准则，当且仅当特征参数满足：

34、

35、均匀圆形阵列在具有空间非平稳特征的多用户超大规模mimo系统中最优发射方向表示为：

36、

37、

38、其中，pl(s)表示引入vr和空间非平稳性后的选择矩阵中第s个子阵列的选择向量；λ表示波长；h表示基站高度；表示第l个用户的仰角；θl为第l个用户的方位角。

39、进一步的，用户基于贪婪思想选择最优发射方向的策略包括：

40、101、若总的用户集为u＝[1,2,…,l]，若需要激活的用户数量为l*，且l*＜l；

41、102、根据信道容量公式计算从总的用户集u中移除其中一个用户之后的总容量，并将移除一个用户之后容量最大时对应的用户从总的用户集中移除，该被移除的用户加入移除用户集；

42、103、判断总的用户集u中的用户数量是否为l*，若是则将总的用户集u的用户作为最优发射用户，否则返回102继续从总的用户集中移除用户，直到总的用户集u中的用户数量为l*。

43、本发明利用统计csi和slnr最大化准则，推导出了基于球面波模型和空间非平稳特征的ucas在多用户超大规模mimo系统中实现最优发射时需要满足的条件和最优发射方向的闭式表达式，得到了固定的ucas的最优发射策略仅由用户的仰角和方位角决定的结论；当通信距离足够大以至于用户位于远场时，基于球面波模型的最优发射方向的闭式表达式可以转化为基于平面波模型的最优发射方向的闭式表达式，这也意味着采用球面波模型推导出的最优发射方向的闭式表达式更加准确，而采用平面波模型推导出的最优发射方向的闭式表达式存在误判；然后，基于贪婪思想，本发明提出了一种高性能和低复杂度的用户选择策略来提高发射信息和用户的匹配效率。此外，本发明所提出的最优发射策略的性能高于最大比传输(maximum ratio transmission，mrt)预编码方案，并且在低信噪比时本发明所提出的最优发射策略的性能高于迫零(zero forcing，zf)预编码方案，在高信噪比时本发明所提出的最优发射策略的性能低于zf预编码方案，但与zf预编码方案相比，本发明所提出的最优发射策略需要较少的反馈信息和较低的复杂度。