CN103825642A - 三维多天线传输中发射天线选择的优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维多天线传输中发射天线选择的优化方法和系统，该方法包括：在三维空间内，基于所获取的导频信号在各个接收天线上对相应的导频信号发射天线进行信道估计；基于所有接收天线上的信道估计，获取每根发射天线的信道空间向量，基于该信道空间向量计算每根发射天线的速率增益，并根据此速率增益来将相应的发射天线选定为待发射天线；计算所有待发射天线的集合对应的信道速率，基于信道速率确定最终优化后的待发射天线集合。本发明基于每根发射天线的速率增益以及所有待发射天线的集合对应的信道速率等相关参数，确定优化的天线集合进行传输，显著减少了整体的能耗，降低了传输设备的复杂性，提高了系统的能量效率。

Description

三维多天线传输中发射天线选择的优化方法和系统

技术领域

本发明涉及无线多天线通信领域，尤其涉及一种三维多天线传输中发射天线选择的优化方法和系统。

背景技术

众所周知，能源危机与环境污染问题已经成为制约人类社会可持续发展的两个瓶颈。作为世界上最大的发展中国家以及第二大的能源消费国，中国也已经制定了“建设资源节约型和环境友好型社会”的国家战略。为了实现这个目标，信息技术责无旁贷，要求我们必须从能效优先的角度重新审视现有的信息系统。

经典无线通信系统主要关注发射功率与传输速率之间的关系。为了显著提高频谱效率，多天线技术得到广泛应用，该技术可以显著提高通信系统传输有效性及可靠性。同时为了降低传输设备的复杂度，天线选择策略得到广泛使用。该策略是从所有备选天线中，选择信道条件最好来用于发送或者接收，在保证通信质量及速率的前提下，它大大简化了发送及接收机的具体实现。然而，最优的天线选择方法是穷搜，即考虑每一种可能的天线组合情况，计算传输速率，再选择其中最好的一种。快速次优的天线选择算法在M.Gharavi-Alkhansari and A.B.Gershman,“Fast antenna subset selection in MIMO systems,”IEEE Trans.Signal Process.,vol.52,no.2,pp.339–347,2004.中提出，它能以多项式复杂度实现接近最优的性能。

但是，现有的天线选择技术在应用中造成了整个通信系统能量效率偏低的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种三维多天线传输中发射天线选择的优化方法，其考虑到天线链路的功耗，可优化所选择的发射天线的集合。此外，还提供了一种三维多天线传输中发射天线选择的优化系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三维多天线传输中发射天线选择的优化方法，包括：参数估计步骤，在三维空间内，基于所获取的导频信号在各个接收天线上对相应的导频信号发射天线进行信道估计；天线选定步骤，基于所有接收天线上的信道估计，获取对应的每根发射天线的信道空间向量，基于所述信道空间向量计算每根发射天线的速率增益，并根据所述速率增益来将相应的发射天线选定为待发射天线；确定步骤，计算所有待发射天线的集合对应的信道速率，基于所述信道速率确定最终优化后的待发射天线集合。

在一个实施例中，所述天线选定步骤还包括：基于信道估计的结果初始化相关参数，所述相关参数包括接收天线的数目N_r、给定系统总功率P、每根发射天线的链路功耗P_ct、每根接收天线的链路功耗P_cr以及其他部分功耗P_c0，并且基于所述相关参数根据如下表达式计算所允许的最大待发射天线数目N_max：

在一个实施例中，在所述天线选定步骤中，通过如下表达式计算所述速率增益Δ_s,n：

${\mathrm{\Δ}}_{s,n}=h_s^H{T}_n{h}_s$

其中，h_s为第s根发射天线所对应的信道空间向量，n为第n次选定待发射天线，

为对h_s取共轭转置，T_n为速率增量计算因子。

在一个实施例中，通过如下表达式计算T_n：

$T_n={(I_{N_r}\frac{n}{{\mathrm{\ρ}}_n}+H_{n-1}{H}_{n-1}^H)}^{-1}$

其中，H_n-1代表n-1次选择后的已选定的待发射天线组成的矩阵，

为H_n-1的共轭转置，为N_r×N_r单位矩阵，ρ_n代表在选择第n根待发射天线时信噪比。

在一个实施例中，进一步通过以下表达式计算所述信噪比ρ_n：

${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pa}}(P-P_{c0}-N_r{P}_{\mathrm{cr}}-n{P}_{\mathrm{ct}})}{N_0}$

其中，η_pa为所述信号发射端功率放大器的效率，N₀为噪声功率。

在一个实施例中，在所述确定步骤中，进一步通过以下表达式计算n次选择后所有待发射天线集合对应的信道速率C_n：

$C_n=\log \det (I_{N_r}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_n}{n}{H}_n{H}_n^H)$

其中，N_r为所述信号接收端天线的数目，ρ_n为在选择第n根待发射天线时信噪比，H_n代表n次选择后的已选定的待发射天线集合组成的矩阵，

为H_n的共轭转置。

在一个实施例中，选取速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线加入待发射天线集合，若所述待发射天线集合中的待发射天线数目超过N_max，则将待发射天线数目为N_max的待发射天线集合确定为优化后的待发射天线集合；否则计算n次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n与n-1次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n-1，若C_n＜C_n-1，则将n-1次选择后所确定的待发射天线的集合确定为优化后的待发射天线集合，若C_n＞C_n-1，则计算剩余发射天线的速率增益Δ_s,n，并继续将其中速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线。

根据本发明的另一方面，还提供了一种三维多天线传输中发射天线选择的优化系统，包括：参数估计模块，其用于在三维空间内，基于所获取的导频信号在各个接收天线上对相应的导频信号发射天线进行信道估计；天线选定模块，其基于所有接收天线上的信道估计，获取对应的每根发射天线的信道空间向量，基于所述信道空间向量计算每根发射天线的速率增益，并根据所述速率增益来将相应的发射天线选定为待发射天线；确定模块，其用于计算所有待发射天线的集合对应的信道速率，基于所述信道速率确定最终优化后的待发射天线集合。

在一个实施例中，所述天线选定模块还用于基于信道估计的结果初始化相关参数，所述相关参数包括接收天线的数目N_r、给定系统总功率P、每根发射天线的链路功耗P_ct、每根接收天线的链路功耗P_cr以及其他部分功耗P_c0，并且基于上述参数根据如下表达式计算允许激活的最大发射天线数目N_max：

在一个实施例中，所述天线选定模块进一步选取速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线加入待发射天线集合，若所述待发射天线集合中的待发射天线数目超过N_max，则将待发射天线数目为N_max的待发射天线集合确定为优化后的待发射天线集合；否则，所述确定模块进一步计算n次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n与n-1次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n-1，若C_n＜C_n-1，则将n-1次选择后所确定的待发射天线的集合确定为优化后的待发射天线集合，若C_n＞C_n-1，则计算剩余发射天线的速率增益Δ_s,n，并继续将其中速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明的方法基于每根发射天线的速率增益以及所有待发射天线的集合对应的信道速率等相关参数，确定最优的天线数目，同时选择最好的天线集合进行传输，这样在不影响系统性能的前提下，显著减少了整体的能耗，降低了传输设备的复杂性，提高了系统的能量效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的三维多天线传输中发射天线选择的优化方法的流程图；

图2是根据本发明一示例的三维多天线系统的示意图；

图3是根据本发明一实施例的三维多天线传输中发射天线选择的优化系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

图1是根据本发明一实施例的三维多天线传输中发射天线选择的优化方法的流程图，下面结合图1对本发明进行详细说明。

步骤S110，在三维空间内，基于所获取的导频信号在各个接收天线上对相应的导频信号发射天线进行信道估计。

步骤S120，进一步地，基于上述信道估计的结果，初始化相关参数，比如，信号接收端天线的数目N_r、给定系统总功率P、每根发射天线的链路功耗P_ct、每根接收天线的链路功耗P_cr以及其他部分功耗P_c0。

基于上述参数根据如下表达式计算允许激活的最大发射天线数目：

可以理解，最终优化后的待发射天线集合中发射天线的数目（详见下文）不超过最大发射天线数目N_max。

步骤S130，基于信道估计的结果，获取对应的每根发射天线的信道空间向量，基于该信道空间向量计算每根发射天线的速率增益，并根据计算得到的速率增益来将相应的发射天线选定为待发射天线。

详细地说，选取速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线加入待发射天线集合，通过如下表达式计算速率增益Δ_s,n：

${\mathrm{\Δ}}_{s,n}=h_s^H{T}_n{h}_s$

其中，h_s为第s根发射天线所对应的信道空间向量，n为第n次选定待发射天线，

为对h_s取共轭转置，T_n为速率增量计算因子。具体地，通过如下表达式计算T_n：

$T_n={(I_{N_r}\frac{n}{{\mathrm{\ρ}}_n}+H_{n-1}{H}_{n-1}^H)}^{-1}$

其中，H_n-1代表n-1次选择后的已选定的待发射天线组成的矩阵，为H_n-1的共轭转置，为N_r×N_r单位矩阵，ρ_n代表在选择第n根待发射天线时信噪比。进一步通过以下表达式计算ρ_n：

${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pa}}(P-P_{c0}-N_r{P}_{\mathrm{cr}}-n{P}_{\mathrm{ct}})}{N_0}$

其中，η_pa为信号发射端功率放大器的效率，N₀为噪声功率。

步骤S140，判断该待发射天线集合中的待发射天线数目是否超过N_max，如果没有，则进行步骤S150，否则进行步骤S160将待发射天线数目为N_max的待发射天线集合确定为优化后的待发射天线集合。

步骤S150，如果发射天线集合中的待发射天线数目没有超过N_max，则计算n次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n与n-1次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n-1。其中，若C_n＜C_n-1，则进行步骤S160将n-1次选择后确定所有待发射天线的集合确定为优化后的待发射天线集合；若C_n＞C_n-1，则继续计算下一个速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线。具体通过以下表达式计算C_n：

$C_n=\log \det (I_{N_r}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_n}{n}{H}_n{H}_n^H)$

其中，N_r为信号接收端天线的数目，ρ_n为在选择第n根待发射天线时信噪比，H_n代表n次选择后的已选定的待发射天线集合组成的矩阵，

为H_n的共轭转置。

示例

为了帮助理解本发明，下面结合图2对一示例进行详细说明。

图2是根据本发明一示例的三维多天线系统的示意图。本示例以图2所示的三维多天线发射/接收系统为例。其中Tx表示发射天线链路，Rx表示接收天线链路。

可以看出，图2中的总发射天线数目为8，接收天线总数也为8。同时，假设在一个处理周期内，信道不变或者变化缓慢。因此在接收端可以很方便估计得到各个子信道h_ij的值，h_ij代表发射端的第j根天线与接收端第i根天线间的信道，1≤i≤8，1≤j≤8。容易理解，h_j，1≤j≤8为相应的向量表示形式。

在无线通信中，广泛采用的信道模型为平坦瑞利衰落信道。因此，可以理解，h_ij符合复高斯分布，其均值为0，方差为1。本示例中的无线通信系统中，每根发射天线的链路功耗P_ct为120mW，每根接收天线的链路功耗P_cr为85mW，其它部分功耗P_c0为30mW，功率放大器效率为35%。

下面进一步详细的描述本示例的方法。

首先，在三维空间中，分别在信号的发射端和信号接收端布置多个天线，发射端首先在所有的发射天线上发射导频序列。信号接收端测量不同接收天线上得到的信号发射端各个发射天线的信道估计，同时基于信道估计结果初始化相关参数，并根据初始化数据计算最大允许天线数目。

例如，如果初始化数据为P=1450mW，P_cr＝85mW，P_ct＝120mW，P_ct＝30mW，η_pa＝0.35，N₀＝1以及N_r＝8。则经过下面公式计算得到所允许的最大发射天线数目N_max：

计算得到N_max＝6，即在给定的系统总能耗为1450mW时，最多只允许同时使用6根发射天线。

接下来计算待选天线的速率增益。当在第n次迭代选择中，第s根发射天线（即待选发射天线）带来的速率增益Δ_s,n通过下式计算：

${\mathrm{\Δ}}_{s,n}=h_s^H{T}_n{h}_s$

其中： $T_n={(I_{N_r}\frac{n}{{\mathrm{\ρ}}_n}+H_{n-1}{H}_{n-1}^H)}^{-1}$ 及 ${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pa}}(P-P_{c0}-N_r{P}_{\mathrm{cr}}-n{P}_{\mathrm{ct}})}{N_0},$ 相关参数含义不再赘述。

例如，当接收端估计出信道如下时：

$\begin{array}{c}H=\\ \begin{array}{cccccccc}0.7600& 1.3500& 0.8500& 0.2000& 1.5300& 0.9600& 1.0700& 0.5600\\ 2.0500& 1.5300& 0.9900& 0.8400& 0.9600& 1.0800& 0.9500& 1.0400\\ 0.3600& 1.0100& 1.2700& 1.8400& 1.1300& 1.4300& 0.5900& 1.3400\\ 1.1700& 0.4300& 1.7600& 0.2800& 2.5400& 2.3500& 0.8600& 1.2600\\ 2.2000& 0.1400& 2.1900& 1.2800& 1.6800& 1.4500& 1.3700& 0.7000\\ 0.6900& 0.5800& 1.0800& 2.1000& 0.5400& 3.0500& 1.6300& 0.4300\\ 0.3500& 1.7700& 0.8800& 1.2500& 1.3200& 0.6000& 0.8500& 0.4200\\ 0.6300& 0.9800& 1.1700& 0.6300& 1.5200& 1.3200& 1.6400& 0.3200\end{array}\end{array}$

进行第一次迭代选择时，n＝1，此时H_n-1为空，所以T_n为单位矩阵，此时8根待选天线的速率增量的大小可以简单地由向量的模长决定。通过计算矩阵H的各个列向量的模长，得到Δ_1,1＝3.48，Δ_2,1＝3.13，Δ_3,1＝3.81，Δ_4,1＝3.49，Δ_5,1＝4.26，Δ_6,1＝4.81，Δ_7,1＝3.32，Δ_8,1＝2.39。所以在第一次选择的结果是第6根天线，把它放入已选天线集合。

此时，计算此时的信道速率C₁，具体公式如下：

$C_n=\log \det (I_{N_r}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_n}{n}{H}_n{H}_n^H)$

此时，

H₁＝h₆，代入计算得到C₁＝12.29bits/s/Hz。

之后，继续进行下一次迭代选择，n＝2，从剩下待选的天线中，依次计算Δ_s,2，此时H_n-1=H₁=h₆， ${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pa}}(P-P_{c0}-N_r{P}_{\mathrm{cr}}-2\·P_{\mathrm{ct}})}{N_0}.$

经过计算可得使Δ_s,2最大的s等于2，即在第二次迭代过程中，第2根发射天线被放入已选结合，此时待选天线集合为{1，3，4，5，7，8}，已选天线集合（即待发射天线集合）为{6，2}。然后计算此时信道速率。

在满足待发射天线集合中的待发射天线数目不超过N_max，且C_n＞C_n-1时，继续在待选天线集合中选取相应的天线加入待发射天线集合。在本示例中，当进行到第6次选择时，得到的速率C₆小于C₅。此时，得到最终优化的发射天线集合为{6，2，1，5，4}。

之后，接收端将优化的天线集合反馈给发射端，最后发射端基于所接收到反馈信号，选择所对应的发射天线进行信号发射。

可以理解，该示例仅示出了本发明的一种情况，容易想到也可以在信号发射端获得优化后的接收天线集合。

综上所述，本实施例的方法基于每根发射天线的速率增益以及所有待发射的天线集合对应的信道速率等相关参数，确定最优的天线数目，同时选择最好的天线集合进行传输，这样在不影响系统性能的前提下，显著减少了整体的能耗，降低了传输设备的复杂性，提高了系统的能量效率。

第二实施例

图3根据本发明的第二实施例的三维多天线传输中发射天线选择的优化系统的示意图，下面参考图3来说明本实施例的各部分组成。

参考图3，本实施例的参数估计模块（31）执行第一实施例的步骤110的操作。在此不再详细展开。

天线选定模块（32）执行第一实施例的步骤S120、步骤S130和步骤140的操作。在此不再详细展开。

本实施例确定模块（33）执行第一实施例的步骤150和步骤160的操作。在此不再详细展开。

以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维多天线传输中发射天线选择的优化方法，包括：

参数估计步骤，在三维空间内，基于所获取的导频信号在各个接收天线上对相应的导频信号发射天线进行信道估计；

天线选定步骤，基于所有接收天线上的信道估计，获取对应的每根发射天线的信道空间向量，基于所述信道空间向量计算每根发射天线的速率增益，并根据所述速率增益来将相应的发射天线选定为待发射天线；

确定步骤，计算所有待发射天线的集合对应的信道速率，基于所述信道速率确定最终优化后的待发射天线集合。

2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述天线选定步骤还包括：

基于信道估计的结果初始化相关参数，所述相关参数包括接收天线的数目N_r、给定系统总功率P、每根发射天线的链路功耗P_ct、每根接收天线的链路功耗P_cr以及其他部分功耗P_c0，并且基于所述相关参数根据如下表达式计算所允许的最大待发射天线数目N_max：

3.根据权利要求2所述的优化方法，其特征在于，在所述天线选定步骤中，通过如下表达式计算所述速率增益Δ_s,n：

${\mathrm{\Δ}}_{s,n}=h_s^H{T}_n{h}_s$

其中，h_s为第s根发射天线所对应的信道空间向量，n为第n次选定待发射天线，为h_s的共轭转置，T_n为速率增量计算因子。

4.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，通过如下表达式计算T_n：

$T_n={(I_{N_r}\frac{n}{{\mathrm{\ρ}}_n}+H_{n-1}{H}_{n-1}^H)}^{-1}$

其中，H_n-1代表n-1次选择后的已选定的待发射天线组成的矩阵，

为H_n-1的共轭转置，

为N_r×N_r单位矩阵，ρ_n代表在选择第n根待发射天线时信噪比。

5.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于，进一步通过以下表达式计算所述信噪比ρ_n：

${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pa}}(P-P_{c0}-N_r{P}_{\mathrm{cr}}-n{P}_{\mathrm{ct}})}{N_0}$

其中，η_pa为所述信号发射端功率放大器的效率，N₀为噪声功率。

6.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，在所述确定步骤中，进一步通过以下表达式计算n次选择后所有待发射天线集合对应的信道速率C_n：

$C_n=\log \det (I_{N_r}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_n}{n}{H}_n{H}_n^H)$

其中，N_r为所述信号接收端天线的数目，ρ_n为在选择第n根待发射天线时信噪比，H_n代表n次选择后的已选定的待发射天线集合组成的矩阵，

为H_n的共轭转置。

7.根据权利要求2-6任一项所述的优化方法，其特征在于，

选取速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线加入待发射天线集合，若所述待发射天线集合中的待发射天线数目超过N_max，则将待发射天线数目为N_max的待发射天线集合确定为优化后的待发射天线集合；

否则计算n次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n与n-1次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n-1，若C_n＜C_n-1，则将n-1次选择后所确定的待发射天线的集合确定为优化后的待发射天线集合，若C_n＞C_n-1，则计算剩余发射天线的速率增益Δ_s,n，并继续将其中速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线。

8.一种三维多天线传输中发射天线选择的优化系统，包括：

参数估计模块，其用于在三维空间内，基于所获取的导频信号在各个接收天线上对相应的导频信号发射天线进行信道估计；

天线选定模块，其基于所有接收天线上的信道估计，获取对应的每根发射天线的信道空间向量，基于所述信道空间向量计算每根发射天线的速率增益，并根据所述速率增益来将相应的发射天线选定为待发射天线；

确定模块，其用于计算所有待发射天线的集合对应的信道速率，基于所述信道速率确定最终优化后的待发射天线集合。

9.根据权利要求8所述的发射天线选择系统，其特征在于，所述天线选定模块还用于基于信道估计的结果初始化相关参数，所述相关参数包括接收天线的数目N_r、给定系统总功率P、每根发射天线的链路功耗P_ct、每根接收天线的链路功耗P_cr以及其他部分功耗P_c0，并且基于上述参数根据如下表达式计算允许激活的最大发射天线数目N_max：

10.根据权利要求9所述的发射天线选择系统，其特征在于，

所述天线选定模块进一步选取速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线加入待发射天线集合，若所述待发射天线集合中的待发射天线数目超过N_max，则将待发射天线数目为N_max的待发射天线集合确定为优化后的待发射天线集合；

否则，所述确定模块进一步计算n次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n与n-1次选择后所有待发射天线的集合对应的信道速率C_n-1，若C_n＜C_n-1，则将n-1次选择后所确定的待发射天线的集合确定为优化后的待发射天线集合，若C_n＞C_n-1，则计算剩余发射天线的速率增益Δ_s,n，并继续将其中速率增益Δ_s,n最大的发射天线作为待发射天线。

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