CN103716061B - 一种低复杂度全双工天线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低复杂度全双工天线选择方法，它包含以下步骤：（1）、信道时间周期T测量；（2）、每隔相关时间T，进行一次通信信道矩阵H和两个节点的残余自干扰矩阵H_SI1和H_SI2的测量；（3）、通过低复杂度的贪心法进行天线选择；（4）、使用选定的天线进行全双工通信。本发明的有益效果是：可以自适应地决定天线的功能，通过同时结合两节点之间的信道情况以及残余自干扰的信道情况的方法，提高了系统性能，尤其是误码率方面，能够大幅提高，同时在系统误码率接近多天线性能的前提下，减少了大幅系统造价、尺寸、所需功率、硬件实现难度等，并且由于只有一发一收，大幅降低了系统消除自干扰的复杂度。

Description

一种低复杂度全双工天线选择方法

技术领域

本发明涉及一种低复杂度全双工天线选择方法，属于无线通讯技术领域。

背景技术

现有的无线通信传输系统通常采用半双工的模式进行双向（上下行）传输，即分别在不同的时间进行上下行传输的时分复用以及分别在不同的频率进行上下行传输的频分复用的方式。这种将时间或频率分为正交资源进行上下行传输的方式，可以有效地隔离移动设备或接入点的发送天线对于接收天线的干扰。然而，由于对资源块（时间或频率）进行了正交地划分，其频谱利用率遭到了一定程度上的损失。与此同时，随着移动无线通信的发展，频谱资源越来越稀有，有效地提高频率利用率成为一个被广泛关注的问题。

近年来，使用同时同频进行上下行传输的全双工通信因为频谱利用率加倍的优势而得到了很多地研究，全双工通信最大的问题是由于接收天线会收到来自本地发射天线的极强的自干扰信号，而所需要的信号往往淹没于自干扰中，然而最近一段时间的研究证明，通过有效的天线域、模拟域以及数字域的自干扰消除方法，自干扰信号可以被有效消除，并可以从中提取出所需信号。理论上，当自干扰被完全消除时，全双工通信可以获得两倍于半双工通信的频谱效率。

假定每个参与全双工通信的节点拥有两根或更多多根天线，其中一部分用作发射信号，连接相应的发射射频单元，另一部分用作接收信号，连接相应的接收射频单元，天线与射频单元的连接是固定的，即他们的发射或接收的功能是固定的，系统不会根据信道的特性进行自适应地改变天线的功能，不会主动地去选择哪根天线与发射射频单元相连从而行使发送信号功能，哪根天线与接收射频单元相连从而行使接收信号功能。

可见，现有技术方案假设每个参与全双工的通信节点配备多根天线，对应每根发射天线都连接一个发射射频单元，每根接收天线都连接一个接收射频单元，天线功能是固定的，不能根据实时的信道情况进行自适应切换。

现有技术方案的缺点分为两种情况论述，情况一是系统一共具有两根天线一根发射信号一根接收信号，情况二是系统具有多于两根天线，一部分作为发射天线一部分作为接收天线，具体缺点如下：（1）、假设系统的每个节点均具有两根天线，由于每根天线的功能都是固定的，或者用来发送信号，或者用来接收信号，不能根据两个节点之间的信道以及残余自干扰的信道情况去自适应地调整，从而给系统性能带来损失；（2）、假设系统的每个节点具有两根以上天线，系统性能随天线数和射频单元数目增多而提升，但是与此同时，整个全双工系统的造价、尺寸、所需总功率、硬件实现难度也随之大幅上升。这些上升后的一个重大问题是消除自干扰的复杂度大幅度上升，从而给系统实现带来困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低复杂度全双工天线选择方法，能克服现有技术的不足，提高全双工系统的系统性能，降低系统的自干扰的复杂度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种低复杂度全双工天线选择方法，它包含以下步骤：

（1）、信道时间周期T测量：在全双工天线系统中，确定通信节点1和通信节点2，其中，通信节点1和通信节点2分别具有N根天线和M根天线，N、M均不小于2，每个通信节点均有1个发射射频单元和1个接收射频单元，根据通信节点1和通信节点2测量得到信道的时间周期T；

（2）、每隔相关时间T，进行一次通信信道矩阵H和两个节点的残余自干扰矩阵H_SI1和H_SI2的测量，其中， 每个元素h_ij均服从瑞利分布，其中H_SI1和H_SI2的对角线元素表示某根天线对于自己的自干扰，即该根天线既作为发射天线也作为接收天线；

（3）、通过低复杂度的贪心法进行天线选择：

a、在通信节点1选择一根天线作为接收天线，通信节点2选择一根天线作为发射天线，使得选择这两根天线时其容量最大，满足即这两根天线间的信道增益最大；

b、再从通信节点1的其余天线中选择一根天线作为发射天线，通信节点2的其余天线中选择一根作为接收天线，使得通信节点1发射天线和通信节点2接收天线的容量增加量最大，满足 $(t_1,r_2)=\underset{t_1\≠r_1,r_2\≠t_2}{\arg \max }\left[\frac{{\left|h_{t_1{r}_2}\right|}^2}{({\left|h_{t_2{r}_2}^{\left(2\right)}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)({\left|h_{t_2{r}_1}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)}\right],$ 其中代表高斯白噪声的功率，t_i,r_i表示通信节点i的发射天线序号和接收天线序号；

（4）、使用选定的天线进行全双工通信。

所述的通信节点1和通信节点2的发射射频单元和接收射频单元与天线的连接不固定，通信节点1和通信节点2通过射频切换模块与天线连接来实现天线功能的选择。

本发明的有益效果在于：相对于使用两根天线的全双工通信系统，可以自适应地决定天线的功能，通过同时结合两节点之间的信道情况以及残余自干扰的信道情况的方法，在每个节点的多根天线中选出一根天线作为发射天线，一根天线作为接收天线，提高了系统性能，尤其是误码率方面，能够大幅提高，同时在系统误码率接近多天线性能的前提下，减少了大幅系统造价、尺寸、所需功率、硬件实现难度等，并且由于只有一发一收，大幅降低了系统消除自干扰的复杂度。

附图说明

图1为本发明全双工天线系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

一种低复杂度全双工天线选择方法，它包含以下步骤：

（1）、信道时间周期T测量：在全双工天线系统中，确定通信节点1和通信节点2，其中，通信节点1和通信节点2分别具有N根天线和M根天线，N、M均不小于2，每个通信节点均有1个发射射频单元和1个接收射频单元，根据通信节点1和通信节点2测量得到信道的时间周期T；

（2）、每隔相关时间T，进行一次通信信道矩阵H和两个节点的残余自干扰矩阵H_SI1和H_SI2的测量，其中， 每个元素h_ij均服从瑞利分布，其中H_SI1和H_SI2的对角线元素表示某根天线对于自己的自干扰，即该根天线既作为发射天线也作为接收天线，这样自干扰模块会在射频模块之间泄露，很容易超出放大器线性范围，可建模为无穷，一个节点选择同一天线进行发射和接收不在本发明考虑范围之内；

（3）、通过低复杂度的贪心法进行天线选择：

a、在通信节点1选择一根天线作为接收天线，通信节点2选择一根天线作为发射天线，使得选择这两根天线时其容量最大，满足即这两根天线间的信道增益最大；

b、再从通信节点1的其余天线中选择一根天线作为发射天线，通信节点2的其余天线中选择一根作为接收天线，使得通信节点1发射天线和通信节点2接收天线的容量增加量最大，满足 $(t_1,r_2)=\underset{t_1\≠r_1,r_2\≠t_2}{\arg \max }\left[\frac{{\left|h_{t_1{r}_2}\right|}^2}{({\left|h_{t_2{r}_2}^{\left(2\right)}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)({\left|h_{t_2{r}_1}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)}\right],$ 其中代表高斯白噪声的功率，t_i,r_i表示通信节点i的发射天线序号和接收天线序号；

（4）、使用选定的天线进行全双工通信。

如图1，所述的通信节点1和通信节点2的发射射频单元t和接收射频单元r与天线a的连接不固定，通信节点1和通信节点2通过射频切换模块RF与天线a连接来实现天线功能的选择。

一般来讲，两个节点之前的无线信道和经过自干扰消除后的信道都是服从瑞利分布的，并且具有一定的时间相关性，进行全双工通信的节点可以测量得到信道的相关时间T，以及N×M的信道矩阵H，还有两个节点各自的N×N的残余自干扰矩阵H_SI1和H_SI2，然后根据干扰功率与噪声功率的大小关系，可以基于贪心法使用不同的准则去进行天线选择。

一般来讲，系统可以每隔一个时间周期T，通过对于通信信道的自适应进行一次天线选择，选择哪根天线作为发射天线，哪根天线作为接收天线，以保持较高的系统性能，每个节点具有两根以上天线以及一个发射射频单元和一个接收射频单元，天线与射频单元的连接未定，即天线的功能未定，可以发射信号，接收信号或者保持静默。

在确定通信节点1和通信节点2也可以通过遍历的方法计算使得两个节点的容量和最大， $(t_1,r_1,t_2,r_2)=\underset{t_1\≠r_1,t_2\≠r_2}{\arg \max }[{\log }_2(1+\frac{{\left|h_{t_2{r}_1}\right|}^2}{{\left|h_{t_1{r}_1}^{\left(1\right)}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2})+{\log }_2(1+\frac{{\left|h_{t_1{r}_2}\right|}^2}{{\left|h_{t_2{r}_2}^{\left(2\right)}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2})],$ 即通过遍历计算所有可能的天线选择情况，选出一种选择方式使容量和最大，这里认为两节点的噪声均服从复高斯分布其中代表高斯白噪声的功率，t_i,r_i表示节点i的发射天线序号和接收天线序号，该方法可以获得最优解，但是其复杂度随天线数目的乘积MN增长，而本发明通过贪心算法可以获得复杂度较低的次优算法，随天线数目的和M+N增长。

Claims (1)

1.一种低复杂度全双工天线选择方法，其特征在于：通过同时结合两节点之间的信道情况以及残余自干扰的信道情况的方法，在每个节点的多根天线中选出一根天线作为发射天线，一根天线作为接收天线，它包含以下步骤：

(1)、信道时间周期T测量：在全双工天线系统中，确定通信节点1和通信节点2，其中，通信节点1和通信节点2分别具有N根天线和M根天线，N、M均不小于2，每个通信节点均有1个发射射频单元和1个接收射频单元，根据通信节点1和通信节点2测量得到信道的时间周期T；

(2)、每隔相关时间T，进行一次通信信道矩阵H和两个节点的残余自干扰矩阵H_SI1和H_SI2的测量，其中， ，每个元素h_ij均服从瑞利分布，其中H_SI1和H_SI2的对角线元素表示某根天线对于自己的自干扰，即该根天线既作为发射天线也作为接收天线；

(3)、通过低复杂度的贪心法进行天线选择：

a、在通信节点1选择一根天线作为接收天线，通信节点2选择一根天线作为发射天线，使得选择这两根天线时其容量最大，满足即这两根天线间的信道增益最大；

b、再从通信节点1的其余天线中选择一根天线作为发射天线，通信节点2的其余天线中选择一根作为接收天线，使得通信节点1发射天线和通信节点2接收天线的容量增加量最大，满足 $(t_1,r_2)=\underset{t_1\≠r_1,r_2\≠t_2}{\arg \max }\left[\frac{{\left[h_{t_1{r}_2}\right]}^2}{({\left|h_{t_2{r}_2}^{\left(2\right)}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)({\left|h_{t_2{r}_1}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)}\right],$ 其中代表高斯白噪声的功率，t_i,r_i表示通信节点i的发射天线序号和接收天线序号；

(4)、使用选定的天线进行全双工通信；

所述的通信节点1和通信节点2的发射射频单元和接收射频单元与天线的连接不固定，通信节点1和通信节点2通过射频切换模块与天线连接来实现天线功能的选择。