CN104993853B - 基于大规模mimo系统的天线选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于大规模MIMO系统的天线选择方法：1)所有用户向基站反馈完整的信道状态信息；2)假设所有选择天线的功率分配是均匀的，计算每一根备选的天线所具有的信道容量，选出其中具有最大信道容量的天线，作为第一根选择天线；3)在选择第一根天线的基础上，根据矩阵空间的相关性质，再不断选择将空域资源利用最充分的天线，直至达到所需天线个数为止。该方法考虑空间自由度的充分利用，具有复杂度低，易于实现，保留系统较好性能的特点。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信大规模多输入多输出(Massive MIMO)系统，具体涉及一种基于大规模MIMO系统的天线选择方法。
背景技术
大规模MIMO技术可以显著地提升系统性能。但是，在实际系统中，由于考虑到实际物理限制和实现该系统的复杂度，基站端的服务天线数目不能武断地增加至无穷大。此外，系统实现的成本也应当考虑到。给基站增加更多的服务天线通常是非常廉价的，并且增加额外的数字信号处理单元也越来越便宜。然而，射频(Radio Frequency，RF)链路模块中的器件，例如：射频低噪声放大器，数字上/下变频转换器(Digital Frequency UpConverter，DUC/Digital Frequency Down Converter，DDC)，模数/数模转换器(Analog-to-digital Converter，ADC/Digital-to-analog Converter，DAC)，成本是相当高的。对于一个大规模MIMO系统，为基站所有的服务天线配置射频链路是非常昂贵的。
天线选择技术是可以有效降低系统复杂度和实现成本的信号处理技术，并且在选择天线后可以一定程度上保留系统绝大部分优良的性能。在传统的基站服务天线数目比较小的MIMO系统中，天线选择技术已经被广泛的研究和讨论。研究主要集中在如何从N根天线中选择Q根性能所谓最优的天线，然后上/下行传输信号，并加以处理。通过这个过程使得所需要的射频链路的数目由N个降至Q个，通过天线选择技术保留主要的天线，所以系统仍然保留了绝大部分MIMO技术的优良性质。
上述两种低复杂度的次优算法均需要迭代，并且在迭代过程中不断地计算信道容量，对于备选天线基数较大的大规模MIMO系统，复杂度仍然很大。
发明内容
本发明的目的在于降低系统复杂度的同时保留较好的大规模MIMO系统性能，提供一种基于大规模MIMO系统的天线选择方法。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
1)基站的所有服务用户向所述基站反馈信道状态信息；
2)经过步骤1)后，假设所有选择天线的功率分配是均匀的，计算每一根备选的服务天线所具有的信道容量，然后选出备选的服务天线中具有最大信道容量的天线，作为第一根选择天线；然后，根据矩阵空间的性质，从备选的服务天线中再不断选择将空域资源利用最充分的天线，直至达到所需天线个数为止。
所述步骤1)中，所述基站从所有服务用户反馈得到精确的下行信道状态信息。
所述所需天线个数与系统射频链路数相同。
所述所需天线个数≥2。
所述步骤2)具体包括以下步骤：
2.1)从备选服务天线集合中选出信道容量最大的天线作为第一根选择天线，并将第一根选择天线从备选服务天线集合移入到已选择天线集合中；
2.2)求出已选择天线集合的信道矩阵Htemp中所有列构成空间的零空间
2.3)求出空间的投影算子P；
2.4)根据投影算子P计算备选服务天线集合中所有天线的投影，取出具有最大投影模值的天线，作为选择天线，并将该天线从备选服务天线集合移入到已选择天线集合中；
2.5)如果已选择天线个数没有达到所需天线个数，则重复步骤2.2)至步骤2.4)；否则，天线选择过程结束。
本发明具有以下有益效果：
本发明在进行天线选择过程中，考虑大规模MIMO系统的基站配置有大量天线，在基站已知完整的信道状态信息(CSI)的条件下，通过选择空域资源利用最充分的天线集合，能够明显降低天线选择过程的复杂度，较好地保留大规模MIMO系统的性能。
附图说明
图1为本发明的系统模型图；
图2为本发明与随机选择天线的信道容量比较图；
图3为本发明与同样基于最大化信道容量的升序法的信道容量比较图；
图4为本发明与基于最大化信道容量准则的最优方法的信道容量比较图；
图5为本发明和基于最大化信道容量准则的最优方法的信道容量的差值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
本发明方法适用的系统模型参见图1。考虑下行单小区多用户MIMO系统的场景：基站配置有N根服务天线和Q个射频链路，同时同频为M个单天线用户服务，其中M≤Q≤N，如图1中所示。假设基站可以得到基站到所有服务用户完整的信道状态信息。基于完整的信道状态信息，依据最大化信道容量准则，从N根服务天线中选择出Q根所谓的最优天线。将这选择好的Q根天线通过交换器与Q个射频链路一一对应连接。
首先，表示所有备选服务天线的集合，不包括已选天线；为已选择天线集合。初始化和令为基站配置的所有服务天线的集合，为空集。
步骤一：选择第一根天线。需要为每一根备选的服务天线计算其单天线所具有的信道容量，信道容量为：
其中IM为M阶单位矩阵；N0为噪声功率；Ex表示基站发射总功率；halt,i表示第i根备选天线的信道状态信息，H表示共轭转置，det表示求矩阵行列式。
令H表示完整的信道状态信息(即信道矩阵)，那么从N根服务天线中选择Q根天线，等价于从矩阵H的全部N列中选择Q列，其中，列向量表示第i个备选天线对应的下行信道状态信息，也是矩阵H中所选的第i列。
当计算出所有单天线所具有的信道容量后，选出其中信道容量最大的那根天线，作为第一根所选择的天线，该天线所对应的信道状态信息为h1，表示为：
令已选择天线集合的信道矩阵Htemp＝h1，并且将第一根所选择的天线从备选服务天线集合移入到已选择天线集合中。
步骤二：根据已选择天线集合的信道矩阵Htemp，求出该矩阵中所有列构成空间的零空间的规范正交基：
U＝null(Htemp)
其中U表示规范正交基所构成的矩阵。
步骤三：计算投影算子P，过程如下：
P＝UUH
步骤四：计算此刻中所有备选天线的投影，过程如下：
其中palt,i表示投影向量。
根据投影计算结果，从中取出具有最大投影模值的天线，作为选择天线，并将该天线从备选服务天线集合移入到已选择天线集合中，并将该天线所对应的信道状态信息加入矩阵Htemp中。
步骤五：如果已选择天线个数没有达到所需天线个数，则回到步骤二；否则，已选择天线个数达到所需天线个数，天线选择过程结束。
复杂度是系统考虑的一个重要指标。表1给出了最优方法、升序法和本发明的复杂度计算结果。
表1 最优方法、升序法和本发明的复杂度
从表1可以看出，本发明的复杂度是三种方法中最小的。
所有的仿真均在Matlab软件环境下进行。通过各种仿真，观察各种方法特点，对比分析最优方法、升序法和本发明的不同，说明本发明的优势。仿真中主要的参数见表2。射频链路数Q是1至4的变量。
表2 主要参数表
从图2可以看出两种方法信道容量随信噪比(SNR)的变化。从仿真结果可以发现，本发明的信道容量明显好于随机选择的信道容量。并且，在选择天线数越多时，本发明的优势越明显。这是由于，本发明考虑了充分利用空间自由度，将空域资源利用相对更加完全，系统信道容量相对较高；随机选择并未采取任何措施提高信道容量，所以性能较差。并且，随着天线数的增加，两种算法的信道容量也越来越大。大规模MIMO系统采用天线选择技术在配置有相同数量的射频链路的情况下可以提高系统信道容量，说明天线选择技术是有意义的，对于整个系统是非常必要的。
从图3可以看出，本发明与升序法在选择天线为1根或2根时，信道容量几乎没有任何区别，两条性能曲线几乎重合。这是由于，升序法在选取第一根天线时，是选取所有服务天线中具有最大信道容量的一根天线，本发明选取第一根天线也是采用同样的标准。所以，在选择天线为1根时，两种算法完全等效。选择天线数为2根时，升序法是选择为系统容量贡献最大的一根天线，本发明是选择空间利用更充分的天线，由于大规模MIMO系统可选择的天线基数多，两种算法在此时都可以找到较为合适的天线，所以两种算法性能差距无几。随着选择天线数的增多，从图2可以看出，本发明的信道容量要高于升序法的信道容量。产生这种情况的原因是本发明较之于升序法更加充分的利用了空域资源，提高了系统信道容量。
从图4可以看出，本发明与最优方法在下行大规模MIMO系统中具有非常相近的系统性能，两种算法的信道容量仿真曲线几乎重合。产生这种现象的原因是在大规模MIMO系统中，具有足够大的备选天线基数，本发明可以很轻易地找到合适的天线，使得信道的空间自由度更大，提高空域资源利用率，进而获得较好的信道容量，逼近了最优方法。
为了能够直观的看出本发明和最优方法的差距，在选择天线数为3根和4根时，将最优方法的信道容量和本发明的信道容量的差值计算出来，并将其表示在图5中。
在选择天线数较少时，本发明与最优方法差异不大；选择天数越多，上述两种算法的性能差异就越大。这是由于，本发明在选取每一根天线时，没有考虑天线之间的相关性对系统信道容量的影响，仅凭借各个单天线的性质加以筛选天线；最优方法遍历了满足选择天线数的所有组合，计算出每个组合的信道容量，顾及到天线之间的相关性，这也是其系统性能可以做到最优的原因。
总之，本发明公开了一种基于大规模MIMO系统的天线选择方法：该方法利用所有服务用户向基站反馈完整的信道状态信息，并假设所有选择天线的功率分配是均匀的，在此基础上计算每一根备选的天线所具有的信道容量，选出其中具有最大信道容量的天线，作为第一根选择天线；在选择第一根天线的基础上，根据矩阵空间的相关性质，再不断选择将空域资源利用最充分的天线，直至达到所需天线个数为止。该方法考虑空间自由度的充分利用，具有复杂度低，易于实现，保留系统较好性能的特点。
Claims (4)
1.基于大规模MIMO系统的天线选择方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)基站的所有服务用户向所述基站反馈信道状态信息；
2)经过步骤1)后，假设所有选择天线的功率分配是均匀的，计算每一根备选的服务天线所具有的信道容量，然后选出备选的服务天线中具有最大信道容量的天线，作为第一根选择天线；然后，根据矩阵空间的性质，从备选的服务天线中再不断选择将空域资源利用最充分的天线，直至达到所需天线个数为止；
所述步骤2)具体包括以下步骤：
2.1)从备选服务天线集合中选出信道容量最大的天线作为第一根选择天线，并将第一根选择天线从备选服务天线集合移入到已选择天线集合中；
2.2)求出已选择天线集合的信道矩阵Htemp中所有列构成空间的零空间
2.3)求出空间的投影算子P；
2.4)根据投影算子P计算备选服务天线集合中所有天线的投影，取出具有最大投影模值的天线，作为选择天线，并将该天线从备选服务天线集合移入到已选择天线集合中；
2.5)如果已选择天线个数没有达到所需天线个数，则重复步骤2.2)至步骤2.4)；否则，天线选择过程结束。
2.根据权利要求1所述基于大规模MIMO系统的天线选择方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述基站从所有服务用户反馈得到精确的下行信道状态信息。
3.根据权利要求1所述基于大规模MIMO系统的天线选择方法，其特征在于：所述所需天线个数与系统射频链路数相同。
4.根据权利要求1所述基于大规模MIMO系统的天线选择方法，其特征在于：所述所需天线个数≥2。
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