CN102006112A - 一种mimo系统中天线选择的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO系统中天线选择的方法和装置，当MIMO系统的处理能力不足以支持使用所有天线时，确定解空间复用需要使用的天线数，运用MIMO接收系统的数学模型，确定天线子集的个数，计算每个天线子集的条件数，基于条件数判断天线子集的优劣，选择最优的天线子集进行解空间复用。本发明的方法通过软件模块控制实现天线选择，降低了解空间复用的复杂度，并且在系统中天线数较多的情况下，能够选择出传输性能较优的天线集合，提高信号在接收端的准确性。

Description

一种MIMO系统中天线选择的方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信接收系统，尤其涉及上行MIMO系统中解空间复用的天线选择方法。

背景技术

MIMO(Multipe-Input Multipe-Output)无线通信系统是发射端和接收端都有多根天线的系统，也就是表示多输入多输出。相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统，即单输入单输出，MIMO系统的一个主要特征就是把在传统意义上认为有害的多径传播转变为有利因素。它充分利用了信道随时间随机衰落以及多径迟延扩展，来成倍地提高传输速度，提高了系统信道容量，而并不需要增加系统的带宽，因此，MIMO技术被越来越多的人重视。如图1所示，为MIMO系统的基本原理示意图。图1中，发送端101和接收端102各有多根天线(图示为两根)。无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号，每份信号都是一个空间流，使用SISO系统一次只能发送或接受一个空间流。MIMO系统允许多个天线同时发送和接收多个空间流，能增加无线范围并提高性能。当然，在MIMO系统中天线的数目可以更多，如4根、8根或更多。

在MIMO系统中，天线数较少的情况下，如只有两根实际接收天线时，在解空间复用时可以不进行天线选择，系统的处理能力可以满足使用所有的天线。随着现代技术的发展，天线数目有所增加，需要从中选择若干根天线进行MIMO解空间复用，而并非使用全部天线，这样MIMO解空间复用的复杂度就显著增加。为了减少MIMO解空间复用的复杂度或降低成本，MIMO天线选择技术引起了广泛的关注。天线选择技术就是从发送或者接收天线中，按照某种原则选择出最优的一个天线子集，这样在逼近MIMO信道容量的情况下，降低MIMO系统中解空间复用的复杂度。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种MIMO系统中天线选择的方法及装置，运用MIMO接收系统的数学模型进行天线选择用于解空间复用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种MIMO系统中的天线选择方法，包括以下步骤：

根据解空间复用需要使用的天线数确定天线子集的个数S；

对每一个天线子集进行循环遍历，确定每个天线子集的条件数；

基于所述条件数对每个天线子集进行优劣判断，选择最优的天线子集用于解空间复用。

在所述确定天线子集的个数S之前还包括设定启动天线选择的统计周期，只有在到达统计周期时才启动天线选择。

所述启动天线选择的统计周期根据MIMO系统的资源设定；

所述MIMO系统的资源为MIMO系统的处理能力。

在所述确定天线子集的个数S之前还包括判断是否需要进行天线选择。

所述判断是否需要进行天线选择的方法是：

根据系统中实际存在的天线数，当系统处理能力足以支持使用全部天线时，不需要进行天线选择；否则进行天线选择。

所述判断是否需要进行天线选择之后，根据判断结果，若不需要进行天线选择，则使用天线全集进行解空间复用。

在所述确定天线子集的个数S之前还包括，在判断MIMO系统是否到达统计周期之前，判断MIMO系统中的天线使能是否有变化。

当所述天线使能没有变化时，判断MIMO系统是否到达统计周期，到达统计周期则启动天线选择。

当所述天线使能发生变化时，需确定解空间复用需要使用的天线数K。

所述确定天线子集个数S的方法是：

设系统中实际存在的接收天线数为N，进行解空间复用需要使用的天线数为K，得到

种天线组合，即天线子集个数S。

所述确定每一个天线子集的条件数的方法包括：

对于每个天线子集的信道传输矩阵H，得到其对应的HH^*的特征值，将HH^*的特征值的最大值和最小值之比及条件数的平方值，作为天线选择的条件数Condition_number，其中，

信道传输矩阵H用于表示天线子集的信道传输特性，

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& L& h_{1M}\\ h_{21}& h_{22}& L& h_{2M}\\ M& M& O& M\\ h_{N1}& h_{N2}& L& h_{\mathrm{NM}}\end{array}\right]$

其中，h_ij表示第j根天线发射的信号到接收方的第i根天线支路的复传输系数。

对信道传输矩阵H进行奇异值分解得到其对角矩阵的对角元素λ，

为HH^*的特征值，由此可得到信道传输矩阵H的条件数：

Condition_number＝maxλ/minλ。

所述中基于条件数Condition_number对各天线子集进行优劣判断的方法是：

将各天线子集的条件数Condition_number与1进行比较，选择差值的绝对值最小的天线子集为最优。

MIMO系统对所述最优天线子集进行保存用于解空间复用，下次遍历天线子集重新选出最优天线子集时更新保存。

本发明所述的天线选择方法应用于基于OFDMA系统的无线宽带移动通信系统。

本发明还提供一种MIMO系统中实现天线选择的装置，至少包括天线子集数计算模块、天线子集条件数计算模块和天线子集选择模块，其中

天线子集数计算模块，用于MIMO接收系统根据解空间复用需要使用的天线数确定所述天线子集的个数S。

天线子集条件数计算模块，用于对每一个天线子集进行遍历，确定所述每个天线子集的条件数Condition_number。

天线子集选择模块，用于基于所述条件数Condition_number对每个天线子集进行优劣判断，选择最优的天线子集用于解空间复用。

本发明提供了一种在MIMO系统中选择天线子集进行解空间复用的方法，该方法实现了在MIMO系统中天线数日益增加的情况下，运用MIMO系统的数学模型计算各天线子集的信道传输矩阵的条件数，基于条件数进行接收天线的选择，用于解空间复用，降低了MIMO系统中解空间复用的复杂度，并且在系统中天线数较多的情况下，能够选择出传输性能较优的天线集合，提高信号在接收端的准确性。

附图说明

图1为MIMO系统的基本原理示意图；

图2为本发明MIMO系统中实现天线选择的装置示意图；

图3为本发明MIMO系统中实现天线选择的流程图；

图4为本发明MIMO系统中实现天线选择的具体实施方式流程图。

具体实施方式

MIMO接收系统中，在存在许多散射、反射体的多径信道中，尤其在不存在视线传播的环境中，同时假设通信带宽足够窄，以至于可以认为在通信使用的频带内，信道传输特性的频率响应是平缓的，即不考虑频率选择性衰落，则接收信号向量r，可以用发送向量s、信道传输矩阵H与噪声向量n表示如下：

r＝Hs+n    (1)

设发送天线数目为M，接收天线数目为N，则发送信号和接收信号分别可以由列向量s与r分别表示为：

s＝[s₁，s₂，L，s_M]^T    (2)

r＝[r₁，r₂，L，r_N]^T    (3)

其中接收天线数目不少于发射天线数目，即N≥M，上标T表示矩阵的转置。在传输过程不可避免的包含噪声，噪声列向量n表示：

n＝[n₁，n₂，L，n_N]^T    (4)

n为加性高斯白噪声向量，其分量n_i(i＝1，2，L，N)是独立同分布的0均值高斯随机变量，即n_i∈N(0，σ²)。其中σ²表示噪声的平均功率。每个发射天线发射的信号都会经过不同的传输路径被接收天线组中的每一个天线元接收到，其信道传输特性可以用复矩阵H∈C^N×M描述，称之为信道传输矩阵。

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& L& h_{1M}\\ h_{21}& h_{22}& L& h_{2M}\\ M& M& O& M\\ h_{N1}& h_{N2}& L& h_{\mathrm{NM}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

H中的任一元素h_ij表示第j根天线发射的信号到接收方的第i根天线支路的复传输系数，其中(i＝1，2，L N；j＝1，2，L，M)。信道传输矩阵可以进行奇异值分解(SVD：singular value decomposition)：

H＝UΛV^*                (6)

U是N×N酉矩阵；V是M×M酉矩阵；Λ是M×N的对角矩阵，它的对角元素是正数，其他的元素是零；Λ的对角元素λ₁≥λ₂≥...≥λ_Nmin(Nmin是M和N中的最小值)是信道传输矩阵H的非零奇异值。由奇异值，可以得到信道传输矩阵H的条件数：

Condition_number＝maxλ/minλ(7)

当条件数的值越接近1，信道相关性越弱，信道条件越好，利于多路径传输。由于

是HH^*的特征值，所以想要计算信道矩阵的条件数，可以先求出HH^*的特征值，继而求出条件数，但是实际应用时，可以直接利用条件数的平方与1比较的结果，得到信道相关性的强弱，这里将信道条件数的平方记为条件数Condition_number。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图2为本发明MIMO系统中实现天线选择的装置示意图，如图2所示，至少包括其中，

天线子集数计算模块200，用于MIMO接收系统根据解空间复用需要使用的天线数确定所述天线子集的个数S。

天线子集条件数计算模块201，用于对每一个天线子集进行循环遍历，确定所述每个天线子集的条件数Condition_number；

天线子集选择模块202，用于基于所述条件数Condition_number对每个天线子集进行优劣判断，选择最优的天线子集用于解空间复用。

图3为本发明MIMO系统中实现天线选择的流程图，如图3所示，包括：

步骤300：MIMO系统正常工作，开始发送数据。

步骤301：MIMO系统进行信道估计，获得信道传输矩阵H，根据信道传输矩阵进一步计算得到天线子集的条件数

步骤302：根据MIMO系统处理能力确定解空间复用需要使用的天线数。

本步骤中，由于MIMO系统中存在多根接收天线，并不是每次解空间复用都需要使用全部天线，根据系统的处理能力，在选择用于进行解空间复用的天线子集之前，先确定需要几根天线用于接收空间数据流，以降低解空间复用的复杂度。

步骤303：确定天线子集个数，计算每个天线子集的条件数。

步骤304：基于天线子集的条件数进行判断，选择最优的天线子集。

步骤305：MIMO接收系统存储最优的天线子集用于解空间复用。

图4为本发明MIMO系统中实现天线选择的具体实施方式流程图，如图4所示，包括：

步骤400：MIMO系统进行信道估计。

本步骤中，根据信道估计得到信道传输矩阵H，为后续天线子集条件数的计算提供前提。

步骤401：根据系统的资源设定天线选择的计算周期。设定的周期越短，越能够更好的反映当时的信道情况。

步骤402：根据实际接收的天线数，确定是否需要进行天线选择。

本步骤中，当实际接收的天线数较少，如4根，且信道容量足以支持使用全部天线时，则不需要进行天线选择，到步骤411；当系统中用于接收的天线数较多，如8根，且信道容量不足以支持使用全部天线时，则需要进行天线选择，首先判定天线使能是否有变化，到步骤412。

步骤403：根据系统中用于接收的天线数量判定不需要进行天线选择时，使用当前天线全集进行解空间复用。

步骤404：根据系统中用于接收的天线数量判定需要进行天线选择时，首先判断天线使能是否有变化。

步骤405：当天线使能没有变化时，则还需要判断是否到达天线选择的统计周期，根据判断结果决定是否启动天线选择。

在本步骤的判断后，根据判断结果转到：

步骤406：当未达到统计周期时，不启动天线选择，直接使用现有天线子集进行解空间复用。

步骤407：当达到统计周期时，计算实际译码需要使用的天线数。

本步骤中，当天线使能有变化时，不再判断是否达到统计周期，直接计算实际译码需要使用的天线数。

步骤408：计算系统中所有的天线子集的个数S，并开始循环遍历各天线子集。

本步骤中，计算天线子集个数的方法为：

设系统中实际接收天线数为N，进行解空间复用需要的天线数为K，则可得到

种天线组合，即天线子集的个数S。

步骤409：判断子集循环是否完成。

本步骤中，根据判断结果转到：

步骤410：当子集循环未完成时，计算天线子集信道矩阵的条件数。

步骤411：当子集循环完成时，使用当前选择出的天线子集进行解空间复用。

步骤412：计算出条件数后，进行条件数优劣的判断。

本步骤中，条件数优劣的判断方法是：

将计算出的条件数与1相减，比较哪一组天线子集的条件数与1相减后得到的差值的绝对值最小，保存最优的天线子集进行MIMO解空间复用。

本步骤中，可以先将两个天线子集进行比较选出较优者进行保存，再与下一个天线子集进行比较，将比较结果更新保存，以此类推；或将S个天线子集同时比较选出最优者保存，或采用其他方法进行比较。具体实现比较的方法不用于限定本发明的保护范围。

步骤413：MIMO系统根据步骤403、406或411得到的结果，进行解空间复用。

本实施例可具体应用于具有4根、8根或多跟实际接收天线的MIMO系统中。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种MIMO系统中的天线选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据解空间复用需要使用的天线数确定天线子集的个数S；

对每一个天线子集进行循环遍历，确定每个天线子集的条件数；

基于所述条件数对每个天线子集进行优劣判断，选择最优的天线子集用于解空间复用。

2.根据权利要求1所述的天线选择方法，其特征在于，在所述确定天线子集的个数S之前还包括设定启动天线选择的统计周期，只有在到达统计周期时才启动天线选择。

3.根据权利要求2所述的天线选择方法，其特征在于，所述启动天线选择的统计周期根据MIMO系统的资源设定；

所述MIMO系统的资源为MIMO系统的处理能力。

4.根据权利要求1所述的天线选择方法，其特征在于，在所述确定天线子集的个数S之前还包括判断是否需要进行天线选择。

5.根据权利要求4所述的天线选择方法，其特征在于，所述判断是否需要进行天线选择的方法是：

根据系统中实际存在的天线数，当系统处理能力足以支持使用全部天线时，不需要进行天线选择；否则进行天线选择。

6.根据权利要求4或5所述的天线选择方法，其特征在于，所述判断是否需要进行天线选择之后，根据判断结果，若不需要进行天线选择，则使用天线全集进行解空间复用。

7.根据权利要求2所述的天线选择方法，其特征在于，在所述确定天线子集的个数S之前还包括，在判断MIMO系统是否到达统计周期之前，判断MIMO系统中的天线使能是否有变化。

8.根据权利要求7所述的天线选择方法，其特征在于，当所述天线使能没有变化时，判断MIMO系统是否到达统计周期，到达统计周期则启动天线选择。 

9.根据权利要求7或8所述的天线选择方法，其特征在于，当所述天线使能发生变化时，需确定解空间复用需要使用的天线数K。

10.根据权利要求1所述的天线选择方法，其特征在于，所述确定天线子集个数S的方法是：

设系统中实际存在的接收天线数为N，进行解空间复用需要使用的天线数为K，得到 

种天线组合，即天线子集个数S。

11.根据权利要求1所述的天线选择方法，其特征在于，所述确定每一个天线子集的条件数的方法包括：

对于每个天线子集的信道传输矩阵H，得到其对应的HH^*的特征值，将HH^*的特征值的最大值和最小值之比及条件数的平方值，作为天线选择的条件数Condition number，其中，

信道传输矩阵H用于表示天线子集的信道传输特性，

其中，h_ij表示第j根天线发射的信号到接收方的第i根天线支路的复传输系数。

对信道传输矩阵H进行奇异值分解得到其对角矩阵的对角元素λ， 

为HH^*的特征值，由此可得到信道传输矩阵H的条件数：

Condition_number＝maxλ/minλ。

12.根据权利要求1所述的天线选择方法，其特征在于，所述基于条件数Condition_number对各天线子集进行优劣判断的方法是：

将各天线子集的条件数Condition_number与1进行比较，选择差值的绝对值最小的天线子集为最优。

13.根据根据权利要求1或12所述的天线选择方法，其特征在于，MIMO系统对所述最优天线子集进行保存用于解空间复用，下次遍历天线子集重新选 出最优天线子集时更新保存。

14.根据权利要求1所述的天线选择方法，其特征在于，所述天线选择方法应用于基于OFDMA系统的无线宽带移动通信系统。

15.一种MIMO系统中实现天线选择的装置，其特征在于，至少包括天线子集数计算模块、天线子集条件数计算模块和天线子集选择模块，其中，

天线子集数计算模块，用于MIMO接收系统根据解空间复用需要使用的天线数确定所述天线子集的个数S。

天线子集条件数计算模块，用于对每一个天线子集进行遍历，确定所述每个天线子集的条件数Condition_number。天线子集选择模块，用于基于所述条件数Condition_number对每个天线子集进行优劣判断，选择最优的天线子集用于解空间复用。 

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