CN101087167B - 一种多输入多输出系统自适应链路选择的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入多输出系统自适应链路选择方法，系统接收机收到信号后进行信道传输矩阵估计，初始化删除信道传输矩阵列向量k的个数；列出信道传输矩阵中删掉k列组合，评估上述组合所包含的传输信道信息，判断是否存在组合的伪逆的行向量范数均小于预设阈值的组合，若存在，则从组合中选取一组作为自适应链路选择的结果，方法结束；若不存在，且k为信道传输矩阵的列数-1，则从组合中选取伪逆行向量范数最小的组合作为自适应链路选择的结果，方法结束，否则转入下一步将k的个数加1，继续寻找删掉k列的组合。本发明提高了选择的速度，以及结果的准确性和稳定性，避免了现有技术中判断准则难以付诸工程应用，工程实践中选择性差的不足之处。

Description

一种多输入多输出系统自适应链路选择的方法 

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种数字无线通讯中多输入多输出(MIMO)系统自适应链路选择方法，具体涉及的是一种多输入多输出无线通讯系统中的发射天线选择的方法。 

背景技术

近年来在移动通信领域，以频率的高效利用、通信品质的提高为目的的多输入多输出(MIMO)技术的应用受到越来越多的关注。对于多输入多输出无线(MIMO)通信系统，通过在不同天线上同时发射相互独立的信号，即空间复用技术(Spatial Multiplexing)，充分利用空间信道的弥散特性，既可实现MIMO系统的高数据率以及高频谱利用率。 

相对于传统的单输入单输出(SISO)系统而言，在发射端和接收端采用多个天线，可以使MIMO系统在不增加额外带宽的前提下获得比SISO系统高得多的分集增益和复用增益。其中，分集增益在SIMO和MISO系统中也存在，但是空间复用增益却是MIMO信道的独有特点。通过适当的空时信号处理，可以同时得到分集增益和复用增益，但是空间复用技术的优势主要体现在提高系统的信道容量，因此二者在某种程度上是相互矛盾的，在实际应用中需要进行平衡。信息论容量已经揭示MIMO系统能够获得巨大的容量，但是如何接近或者达到理论容量取决于接收机的信号处理算法。 

MIMO技术要成功地运用到无线通信系统中，必须综合考虑在最大化数据率和最大分集增益之间的折衷，以及发射机通过反馈信息进行自适应发射能力。为实现最大分集增益和复用增益，或者实现分集和复用的综合，其一种解决办法就是在发射端和接收端采用天线选择，根据信道信息，利用部分天线来达到最优的性能。 

MIMO系统天线选择结果取决于选择过程中所采用的准则，在相同的信道环境下，采用不同天线选择准则得到的天线选择子集不尽相同，继而系统的性能表现也存在各种差异。 

皇家飞利浦电子有限公司的中国专利申请：“在分集系统中从多个天线选择子集的方法”，发明人：A.戈罗克霍夫，公开日：2005年02月16日，公开号：CN 1582541A，申请日：2002年10月24日，申请号：CN02822041.2描述了一种从天线中选择一个子集的方法，该方法从天线的一个假设集合开始，从这个假设集合中多次除去天线，使得除去天线后的假设集合的 容量具有最大值。 

但上述专利申请的缺点在于：该方法以系统容量最大作为天线选择的准则，然而这一准则过于理想化，因为要达到或接近容量限，通信系统需采用近乎完美的编码和/或均衡和/或连续的调制，而实际系统中均衡器无法做到理想，也只能采用有限的编码和被量化的调制，因此以系统容量最大作为天线选择准则，其工程应用中表现的性能与理论性能间有较大差异。 

专利申请：“System and method for channel adaptive antenna selection”，发明人：CATREUX-ERCEG SEVERINE[US]，ERCEG VINKO[US]，ROUX PIETER[US]，VANROOYEN PIETER[US]，WINTERS JACK [US]，公开日：2005年05月26日，公开号：WO2005/048486描述了一种天线选择方法，该方法在接收端对所有可能的发送天线子集进行评判，以该天线子集的误码率最小为判断准则选取近似最优的发送天线子集。 

但上述专利申请所述方法的缺点在于：以误码率最小为判断准则在实际工程应用中难以实现，因为误码率是一个统计量，而从接收信号中能够提取出的已知信号并不多，例如在PHS系统中TCH帧结构中定义的已知信号仅为28bit，占整个TCH帧结构的11.7％，由此一小段已知信号的误码情况以偏概全的推断误码率带有很大的随机性和不准确性。 

综上所述，现有技术依然存在缺陷，而有待于进一步的改进和发展。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种多输入多输出系统自适应链路选择的方法，以有效避免现有天线选择技术判断准则难以付诸实际工程应用，以及工程实践中的选择性能较差的不足之处，同时可以大幅降低实现复杂性，具有较高的选择性能。 

为达到上述发明目的，本发明具体是这样实现的： 

一种多输入多输出系统自适应链路选择的方法，包括如下步骤： 

步骤1、多输入多输出接收机接收发射机发射的信号，并进行信道传输矩阵估计，获得信道传输矩阵的估值； 

步骤2、多输入多输出接收机初始化删除信道传输矩阵列向量的个数k； 

步骤3、多输入多输出接收机列出信道传输矩阵中删掉k列的所有组合，所述组合与所有的自适应链路选择结果一一对应； 

步骤4、多输入多输出接收机评估信道传输矩阵中删掉k列的所有组合所包含的传输信道信息，传输信道信息通过各个组合的伪逆的行向量范数体现； 

多输入多输出接收机首先获得信道传输矩阵删掉k列的所有组合的伪逆； 

然后判断是否存在伪逆的行向量范数均小于预设阈值的组合： 

若存在，则从组合中选取一组，将所选取组合包含的列向量在信道传输矩阵中所处的列序号作为选中的天线序号，方法结束； 

若不存在，且删除信道传输矩阵列向量的个数为信道传输矩阵的列数-1，则从组合中选取伪逆行向量范数最小的组合，将该组合包含的列向量在信道传输矩阵中所处的列序号作为选中的天线序号，方法结束；若不存在，且删除信道传输矩阵列向量的个数小于信道传输矩阵的列数-1，则转入步骤5； 

步骤5、多输入多输出接收机将k加1，转入步骤3。 

所述步骤1中，设发射机的天线数为M，接收机的天线数为N，接收机接收发射机发射的信号，并估计出发射机到接收机的信道传输矩阵为H^N×M，其中M和N满足2≤M≤N，矩阵H^N×MM的元素h_ij是从发射天线j到接收天线i的传输因子。 

所述步骤2中，所述接收机初始化删除信道传输矩阵列向量的个数k＝0。 

所述步骤3中， 

发射机的天线数为M，接收机的天线数为N，删除信道传输矩阵列向量的个数为k， 

所述信道传输矩阵为H^N×M共有M列，删除k列的组合数有 

个；k的有效取值范围为0≤k≤M-1。 

所述步骤4中，发射机的天线数为M，接收机的天线数为N，删除信道传输矩阵列向量的个数为k， 

接收机评估 

个删除了k列的信道传输矩阵H^N×(M-k)所包含的传输信道信息： 

(1)获得 

个删除了k列的信道传输矩阵H^N×(M-k)的伪逆G^(M-k)×N，所述伪逆G^(M-k)×N有(M-k)个行矢量，分别获得这些行矢量的范数； 

(2)接收机在 

个伪逆G^(M-k)×N中查找满足行向量范数均小于预定阈值的组合： 

若仅存在一个满足条件的组合，则这个组合即作为自适应链路选择的结果，其包含的列向量在原始信道传输矩阵中所处的列序号即为选中的天线序号，然后方法结束； 

若同时存在两个或两个以上满足条件的组合，则从这些组合中选取适合信息传输的一组作为自适应链路选择的结果，其包含的列向量在原始信道传输矩阵中所处的列序号即为选中的天线序号，然后方法结束； 

若不存在满足条件的组合，且k＝M-1，则从这些组合中选取伪逆行向量范数最小的组合作为自适应链路选择的结果，其包含的列向量在原始信道传输矩阵中所处的列序号即为选中的天线序号，方法结束；若不存在满足条件的组合，且k＜M-1，则转入步骤5。 

所述步骤4的(2)中，在两个或两个以上满足条件的组合中选取适合信息传输的一个组

合具体可以这样实现： 

比较每个满足条件组合伪逆行向量范数的最大值，选取行向量范数最大值最小的一个组合，其包含的列向量在原始信道传输矩阵中所处的列序号即为选中的天线序号。 

本发明所公开的自适应链路选择方法，以伪逆行矢量范数最小为信道传输情况评判准则，在所有可能天线选择子集中进行全局搜索，查找近似最优的天线选择子集，即自适应链路选择结果。 

由于信道传输矩阵伪逆的行矢量范数易于获得，且可以准确、稳定的反映信道相关性、信道传输质量等综合指标，与传统的多输入多输出系统自适应链路选择方法相比，本发明所述方法大大提高了选择速度以及选择结果的准确性和稳定性，有效避免了现有自适应链路选择技术判断准则难以付诸实际工程应用，以及工程实践中的选择性能较差的不足之处，同时可以大幅降低实现复杂度，非常适用于实际工程应用。 

附图说明

图1为本发明自适应链路选择的方法的流程示意图。 

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明的较佳实施例进行较为详细的说明。 

本发明中多输入多输出系统发射机的天线数为M，多输入多输出接收机的天线数为N，并且满足2≤M≤N，所述方法包括： 

第一步，接收机接收发射机发射的信号，并进行信道传输矩阵估计，获得信道传输矩阵的估值H^N×M； 

第二步，接收机初始化删除信道传输矩阵列向量的个数，即令k＝0； 

第三步，接收机列出信道传输矩阵H^N×M删除k列的所有组合，这些组合与所有的自适应链路选择结果一一对应，即一个组合中保留的信道传输矩阵列向量序号即等于自适应链路选择的一种结果； 

第四步，接收机评估信道传输矩阵中删掉k列的所有组合所包含的传输信道信息，传输信道信息通过各个组合的伪逆的行向量范数体现，伪逆的行向量范数越小表示信道相关性、信道传输质量等综合指标越适于信息传送；接收机首先获得所有组合的伪逆，并记录伪逆的行向量范数均小于预设阈值的组合；如果存在一个或多个满足上述条件的组合，则从这些组合中选取一组作为自适应链路选择的结果，同时方法结束；如果不存在满足上述条件的组合，且k＝(信道传输矩阵的列数-1)，则从这些组合中选取伪逆行向量范数最小的组合作为自适应 链路选择的结果，同时方法结束；否则继续； 

第五步，接收机令删除信道传输矩阵列向量的个数加1，即令k＝k+1，转到所述第三步。 

设发射机的天线数为M，接收机的天线数为N，所述第一步中，接收机接收发射机发射的信号，并估计出发射机到接收机的信道传输矩阵为H^N×M，其中M和N满足2≤M≤N，矩阵H^N×M的元素h_ij是从发射天线j到接收天线i的传输因子。 

所述第二步中，接收机的初始化为：删除信道传输矩阵列向量的个数k＝0。 

所述第三步中，接收机列出信道传输矩阵H^N×M删除k列的所有组合。信道传输矩阵H^N×M共有M列，删除其k列，所有组合有 $C_M^{M-k}=\frac{M!}{(M-k)!k!}$ 个，k的有效取值范围为0≤k≤M-1。 

所述第四步中，接收机评估C_M ^M-k个删除了k列的信道传输矩阵H^N×(M-k)所包含的传输信道信息，即首先获得C_M ^M-k个删除了k列的信道传输矩阵H^N×(M-k)的伪逆G^(M-k)×N＝[H^N×(M-k)]⁺，每个组合的伪逆G^(M-k)×N有(M-k)个行矢量，分别获得这些行矢量的范数，可以是，但不限于行矢量的二范数，即行矢量的模值。这些行矢量的范数体现了信道相关性、信道传输质量等综合指标，行矢量的范数越小越适合信息传输。 

其次，接收机在C_M ^M-k个伪逆G^(M-k)×N中查找行向量范数均小于一个预定阈值T的组合。如果仅存在一个满足上述条件的组合，则这个组合包含的列向量在原始信道传输矩阵H^N×M中所处的列序号即为选中的天线序号，然后方法结束；如果同时存在两个或两个以上满足上述条件的组合，则从这些组合中选取相比较而言更适合信息传输的一组作为自适应链路选择的结果，选取的方法可以是，但不限于比较每个组合伪逆行向量范数的最大值，取行向量范数最大值最小的一个组合H^N×(M-k)，其包含的列向量在原始信道传输矩阵H^N×M中所处的列序号即为选中的天线序号，然后方法结束。 

如果不存在满足上述条件的组合，且k＝M-1(此时H^N×(M-k)是一个列矢量)，则从这些组合中选取伪逆行向量范数最小的组合作为自适应链路选择的结果，这个组合H^N×(M-k)在原始信道传输矩阵H^N×M中所处的列序号即为选中的天线序号，同时方法结束；否则继续。 

所述第五步中，接收机令删除信道传输矩阵列向量的个数加1，即令k＝k+1，并转到所述第三步。 

本发明的较佳实施例具体如下： 

在上述第一步中，接收机接收发射机发射的信号，并估计出发射方到接收方的信道传输 矩阵为H^N×M，其中M＝N＝4，矩阵H^N×M的元素h_ij是从发射天线j到接收天线i的传输因子，且满足条件2≤M≤N。矩阵H^N×M共有M(M＝4)个列向量，分别对应于天线1～M。 

在上述第二步中，所述方法进行初始化：令k＝0。 

在上述第三步中，本发明方法列出信道传输矩阵中删掉k列的C_M ^M-k个组合。例如，信道传输矩阵H^N×M删除k＝0列的组合数为 $C_4^4=1,$ 记为{1，2，3，4}；删除k＝1列的组合数为  $C_4^3=4,$ 分别记为{1，2，3}、{1，2，4}、{1，3，4}和{2，3，4}。 

在上述第四步中，所述方法计算各个组合的伪逆，并记录伪逆的行向量范数均小于预设阈值T的组合。对于矩阵A^N×M，其伪逆B^M×N＝(A^N×M)⁺＝[(A^N×M)^H·A^N×M]^-1·(A^N×M)^H。 

例如，k＝1时分别计算信道传输矩阵H^N×M第{1，2，3}、{1，2，4}、{1，3，4}和{2，3，4}列构成矩阵的伪逆，分别记为： 

$G^{\left\{\mathrm{1,2,3}\right\}}=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{g}_1^{\left\{\mathrm{1,2,3}\right\}}\\ g_2^{\left\{\mathrm{1,2,3}\right\}}\\ g_3^{\left\{\mathrm{1,2,3}\right\}}\end{array}\right),\end{array}$ $G^{\{\mathrm{1,2},4\}}=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{g}_1^{\{\mathrm{1,2},4\}}\\ g_2^{\{\mathrm{1,2},4\}}\\ g_3^{\{\mathrm{1,2},4\}}\end{array}\right),\end{array}$

$G^{\{1,3,4\}}=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{g}_1^{\{1,3,4\}}\\ g_2^{\left\{\mathrm{1,3,4}\right\}}\\ g_3^{\left\{\mathrm{1,3,4}\right\}}\end{array}\right),\end{array}$ $G^{\left\{\mathrm{2,3,4}\right\}}=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{g}_1^{\left\{\mathrm{2,3,4}\right\}}\\ g_2^{\left\{\mathrm{2,3,4}\right\}}\\ g_3^{\left\{\mathrm{2,3,4}\right\}}\end{array}\right),\end{array}$

其中每个伪逆矩阵含有3个行矢量，利用这些行矢量的二范数与预设阈值T比较，记录伪逆矩阵中行矢量均不大于预设阈值的组合。 

例如，如果 $\left|\right|g_i^{\left\{\mathrm{1,3,4}\right\}}\left|\right|\≤T;$ i＝1，2，3，其中“‖g‖”表示行矢量g的二范数，则组合{1，3，4}被记录下来。 

如果被记录下来的组合数有且仅有1个，则此组合即为自适应链路选择结果，同时方法结束。 

如果仅有组合{1，3，4}被记录下来，则自适应链路选择结果为{1，3，4}，同时方法结束。 

如果被记录下来的组合数有且多于1个，则接收机从这些组合中选出一个组合作为天线选择结果，同时方法结束。例如，组合{1，2，3}、{1，3，4}同时被记录下来，则接收机比较‖g_i ^{1，2，3}‖；i＝1，2，3与‖g_i ^{1，3，4}‖；i＝1，2，3中的最大值，选取最大值较小的一个组合作为自适应链路选择结果，同时方法结束。 

如果没有被记录下来的组合，且k＝(信道传输矩阵的列数-1)，则接收机从这些组合中选取伪逆行向量范数最小的组合作为自适应链路选择的结果，同时方法结束，否则执行第五步。 

在上述步骤五中，接收机令k＝k+1，到所述第三步。 

执行完上述步骤，即本方法结束后，可以获得确定的自适应链路选择结果，且选中的天线数为(M-k)。 

应当理解的是，本发明保护范围阐明于所附权利要求书中，而不能以说明书的上述描述做为限制，凡是在本发明的宗旨之内的显而易见的修改亦应归于本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种多输入多输出系统自适应链路选择的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、多输入多输出接收机接收发射机发射的信号，并进行信道传输矩阵估计，获得信道传输矩阵的估值；

步骤2、多输入多输出接收机初始化删除信道传输矩阵列向量的个数k；

步骤3、多输入多输出接收机列出信道传输矩阵中删掉k列的所有组合，所述组合与所有的自适应链路选择结果一一对应；

步骤4、多输入多输出接收机评估信道传输矩阵中删掉k列的所有组合所包含的传输信道信息，传输信道信息通过各个组合的伪逆的行向量范数体现：

多输入多输出接收机首先获得信道传输矩阵删掉k列的所有组合的伪逆；

然后判断是否存在伪逆的行向量范数均小于预设阈值的组合：

若存在，则从组合中选取一组，将所选取组合包含的列向量在信道传输矩阵中所处的列序号作为选中的天线序号，方法结束；

若不存在，且删除信道传输矩阵列向量的个数为信道传输矩阵的列数-1，则从组合中选取伪逆行向量范数最小的组合，将该组合包含的列向量在信道传输矩阵中所处的列序号作为选中的天线序号，方法结束；若不存在，且删除信道传输矩阵列向量的个数小于信道传输矩阵的列数-1，则转入步骤5；

步骤5、多输入多输出接收机将k加1，转入步骤3。

2.如权利要求1所述的多输入多输出系统自适应链路选择的方法，其特征在于：

所述步骤1中，

设发射机的天线数为M，接收机的天线数为N，接收机接收发射机发射的信号，并估计出发射机到接收机的信道传输矩阵为H^N×M，

其中M和N满足2≤M≤N，

矩阵H^N×M的元素h_ij是从发射天线j到接收天线i的传输因子。

3.如权利要求1所述的多输入多输出系统自适应链路选择的方法，其特征在于：

所述步骤2中，

所述接收机初始化删除信道传输矩阵列向量的个数k＝0。

4.如权利要求1所述的多输入多输出系统自适应链路选择的方法，其特征在于：

所述步骤3中，

发射机的天线数为M，接收机的天线数为N，删除信道传输矩阵列向量的个数为k，

所述信道传输矩阵为H^N×M共有M列，删除k列的组合数有

个；

k的有效取值范围为0≤k≤M-1。

5.如权利要求1或4所述的多输入多输出系统自适应链路选择的方法，其特征在于：

所述步骤4中，发射机的天线数为M，接收机的天线数为N，删除信道传输矩阵列向量的个数为k，

接收机评估

个删除了k列的信道传输矩阵H^N×(M-k)所包含的传输信道信息：

(1)获得

个删除了k列的信道传输矩阵H^N×(M-k)的伪逆G^(M-k)×N，所述伪逆G^(M-k)×N有(M-k)个行矢量，分别获得这些行矢量的范数；

(2)接收机在

个伪逆G^(M-k)×N中查找满足行向量范数均小于预定阈值的组合：

若仅存在一个满足条件的组合，则这个组合即作为自适应链路选择的结果，其包含的列向量在原始信道传输矩阵中所处的列序号即为选中的天线序号，然后方法结束；

若同时存在两个或两个以上满足条件的组合，则从这些组合中选取适合信息传输的一组作为自适应链路选择的结果，其包含的列向量在原始信道传输矩阵中所处的列序号即为选中的天线序号，然后方法结束；

若不存在满足条件的组合，且k＝M-1，则从这些组合中选取伪逆行向量范数最小的组合作为自适应链路选择的结果，其包含的列向量在原始信道传输矩阵中所处的列序号即为选中的天线序号，方法结束；若不存在满足条件的组合，且k＜M-1，则转入步骤5。

6.如权利要求5所述的多输入多输出系统自适应链路选择的方法，其特征在于：

所述步骤4的(2)中，在两个或两个以上满足条件的组合中选取适合信息传输的一个组合具体是可以这样实现：比较每个满足条件组合伪逆行向量范数的最大值，选取行向量范数最大值最小的一个组合，其包含的列向量在原始信道传输矩阵中所处的列序号即为选中的天线序号。

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