CN105187104A - 大规模mimo系统的快速发送天线选择方法 - Google Patents

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居美艳
李岳衡
李黎
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    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0602—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using antenna switching
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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：基于MIMO系统平均功率分配时的信道容量公式，分析推导信道容量公式，再经过简化及分析，得到关于新增加的发送天线至各根接收天线的信道向量的关键表达式；步骤二：发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；步骤三：根据最大范数准则进行第一根天线的选择；以步骤1中的信道向量的关键表达式为基础，根据递推算法，进行所需天线数目的选择，以获得最佳的发送天线选择结果。本发明提供一种适用于大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，此方法简化了依据信道容量进行的遍历天线选择，采用递推法进行天线的最优选择，以低复杂度实现了好的系统性能。

Description

大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及大规模MIMO系统的天线选择方法。
背景技术
随着移动通信系统以及Internet的迅猛发展，未来移动通信系统的设计目标不仅要求通信速率的提高，还要求实现更大的系统容量和更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括语音、数据和图像等的多媒体业务。如何实现这个目标已成为世界通信和信息科学学术界研究的热点。为了在有限的频谱资源上提高传输速率，MIMO技术已成为一种重要的物理层传输技术。
近年来，智能终端的兴起及无线数据应用业务的丰富，对无线通信系统的容量提出了更高的要求，在能源紧缺及环境恶化日益严重的情况下，一种以面向并满足第五代移动通信系统各项性能指标为目标的“升级版”MIMO传输技术，亦即大规模MIMO技术近年来一经提出，就以其所具有的突出高容量、高可靠性、以及绿色低功耗等理论特性而迅速引起了国内外广大学术界学者和网络及移动设备制造商的高度关注。
所谓大规模MIMO，就是在基站端采用多达上百根乃至数百根的发射天线来高速传输数据的一种新型传输技术。与现有传统MIMO技术相比，大规模MIMO需要在基站端集中配置多达数百根天线。根据接收端所需信号质量的不同要求，完全可以在基站侧选择信道质量较好的若干个发送天线进行发射，即天线选择技术，从而节省无线链路资源，同时也降低了设备复杂度。通常以系统容量为目标进行天线选择，最容易想到的选择方法是根据所需天线数在所有天线中进行遍历选择，搜索到获得最大系统容量的最佳发送天线选择结果，但此遍历算法复杂度太大，不适于实际应用。现有技术还未解决这些问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，此方法简化了依据信道容量进行的遍历天线选择，采用递推法进行天线的最优选择，以低复杂度实现了好的系统性能。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：基于MIMO系统平均功率分配时的信道容量公式，分析推导信道容量公式，再经过简化及分析，得到关于新增加的发送天线至各根接收天线的信道向量的关键表达式；
步骤二：发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；
步骤三：根据最大范数准则进行第一根天线的选择；以步骤1中的信道向量的关键表达式为基础，根据递推算法，进行所需天线数目的选择，以获得最佳的发送天线选择结果。
前述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，步骤一包括如下内容：基于MIMO系统平均功率分配时的信道容量公式其中ρ为总的发送信噪比，Nt为发送天线数，Nr为接收天线数，为Nr×Nr的单位阵，H为Nr×Nt的信道矩阵，上标H表示共轭转置，det(·)表示行列式。假设已选择了Ln根最优的发送天线，此时的信道矩阵为Hn，其维数为Nr×Ln，则再增加一根天线后，可得新的信道矩阵为Hn+1＝[Hnhs]，其中，hs为新增加的发送天线至各根接收天线的信道向量，此时，对应的信道容量公式为：其中Ln+1＝Ln+1。对其进行简化及分析，得到关于hs的关键表达式为从可选天线集合中选择使其最大的hi，即为所选的最佳发送天线所对应的信道向量，即
前述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，步骤二包括如下内容：发送端发送一定的导频，接收端获得各发送天线与接收天线之间的信道信息并反馈至发送端；或者，根据信道互易性，发送端根据接收信号估计信道信息作为其信道矩阵。
前述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，步骤三包括如下内容：
A，将所有发送天线放入可选天线集合；
B，设定第一根发送天线的选择依据，进行选择，并从可选天线集合中删去已选的第一根发送天线；
C，基于步骤一所得的递推公式，搜索使得相应表达式达到最大值的发送天线信道向量，该发送天线即为所选的第2根天线，并从可选天线集合中删去已选的天线；
D，重复步骤C，进行第3根、以及后续发送天线的选择，达到终止条件时，结束此过程；
E，确定最优的发送天线选择结果。
前述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，步骤B中第一根发送天线的选择依据是选择信道向量范数最大的发送天线。
前述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，步骤D中终止条件为达到所需的发送天线数目。
本发明的有益之处在于：本发明针对大规模MIMO系统下行链路设计了一种快速发送天线选择算法，此方法简化了依据信道容量进行的遍历天线选择，采用递推法进行天线的最优选择，以低复杂度实现了好的系统性能。
附图说明
图1是本发明一种实施例的系统结构图；
图2是本发明一种实施例的流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
系统结构图参见图1，发送端输入信号经过信号处理以后，依据发送天线选择算法进行发送天线的选择后，完成信号的发送过程，接收端对信号进行接收处理，最终恢复出原始信号。
本发明的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法的具体实现过程参见附图2，叙述如下：
(1)对MIMO系统的容量进行数学分析，得出与天线选择有关的递推算法；
(2)发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；
(3)根据递推算法，进行所需天线数目的选择，以获得最佳的发送天线选择结果；
步骤1：基于MIMO系统平均功率分配时的信道容量公式其中ρ为总的发送信噪比，Nt为发送天线数，Nr为接收天线数，为Nr×Nr的单位阵，H为Nr×Nt的信道矩阵，上标H表示共轭转置，det(·)表示行列式。假设已选择了Ln根最优的发送天线，此时的信道矩阵为Hn，其维数为Nr×Ln，则再增加一根天线后，可得新的信道矩阵为Hn+1＝[Hnhs]，其中，hs为新增加的发送天线至各根接收天线的信道向量，此时，对应的信道容量公式为：其中Ln+1＝Ln+1。对其进行简化及分析，得到关于hs的关键表达式为从可选天线集合中选择使其最大的hi，即为所选的最佳发送天线所对应的信道向量，即
步骤2：发送端发送一定的导频，接收端获得各发送天线与接收天线之间的信道信息并反馈至发送端；或者，根据信道互易性，发送端根据接收信号估计信道信息作为其信道矩阵；
步骤3：根据递推算法，进行所需天线数目的选择，以获得最佳的发送天线选择结果。
首先设定可选发送天线集合，即基站侧的所有发送天线，以及所需选择的发送天线数目Lt；依据最大范数准则选出第一根发送天线，即某发送天线所对应的信道向量hi范数最大，即为选中的第一根发送天线，从可选天线集合中删去已选的第一根天线；根据步骤1中的发送天线选择关键表达式进行计算，从可选天线集合中选择出第2根发送天线，同时从可选天线集合中删去已选的第2根天线，重复此过程，进行第3根以及后续天线的选择，直至选择了Lt根发送天线，选择过程结束。
本发明的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，适用于各类调制系统。移动用户可采用单根或多根天线，实现下行链路中基站侧发送天线的最佳选择过程。为实现本发明，首先要建立关于发送天线更新选择的依据，即相应的数学表达式，然后以此递推表达式逐次进行发送天线的选择，直到所选择的发送天线数目达到系统设定的数目。
本发明采用的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，依据等功率分配时的信道容量公式，分析推导了下一根天线选择与已选择天线之间的关系，充分利用已有的信道信息，以递推公式为准则，依次进行发送天线的选择，简化了选择算法，获得了较好的系统容量性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：基于MIMO系统平均功率分配时的信道容量公式，分析推导信道容量公式，再经过简化及分析，得到关于新增加的发送天线至各根接收天线的信道向量的关键表达式；
步骤二：发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；
步骤三：根据最大范数准则进行第一根天线的选择；以步骤1中的信道向量的关键表达式为基础，根据递推算法，进行所需天线数目的选择，以获得最佳的发送天线选择结果。
2.根据权利要求1所述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，其特征在于，步骤一包括如下内容：基于MIMO系统平均功率分配时的信道容量公式其中ρ为总的发送信噪比，Nt为发送天线数，Nr为接收天线数，为Nr×Nr的单位阵，H为Nr×Nt的信道矩阵，上标H表示共轭转置，det(·)表示行列式。假设已选择了Ln根最优的发送天线，此时的信道矩阵为Hn，其维数为Nr×Ln，则再增加一根天线后，可得新的信道矩阵为Hn+1＝[Hnhs]，其中，hs为新增加的发送天线至各根接收天线的信道向量，此时，对应的信道容量公式为： C ( H n + 1 ) = log 2 det ( I N r + ρ L n + 1 H n + 1 H n + 1 H ) = log 2 det { I N r + ρ L n · ( 1 - 1 L n + 1 ) H n h s H n h s H } , 其中Ln+1＝Ln+1。对其进行简化及分析，得到关于hs的关键表达式为 J ( i ) = 1 + ρ ( L n + 1 - 1 ) L n L n + 1 h i H ( I N r + ρ L n H n H n H ) - 1 h i , 从可选天线集合中选择使其最大的hi，即为所选的最佳发送天线所对应的信道向量，即
3.根据权利要求1所述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，其特征在于，上述步骤二包括如下内容：发送端发送一定的导频，接收端获得各发送天线与接收天线之间的信道信息并反馈至发送端；或者，根据信道互易性，发送端根据接收信号估计信道信息作为其信道矩阵。
4.根据权利要求2所述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，其特征在于，上述步骤三包括如下内容：
A，将所有发送天线放入可选天线集合；
B，设定第一根发送天线的选择依据，进行选择，并从可选天线集合中删去已选的第一根发送天线；
C，基于步骤一所得的递推公式，搜索使得相应表达式达到最大值的发送天线信道向量，该发送天线即为所选的第2根天线，并从可选天线集合中删去已选的天线；
D，重复步骤C，进行第3根、以及后续发送天线的选择，达到终止条件时，结束此过程；
E，确定最优的发送天线选择结果。
5.根据权利要求4所述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，其特征在于，上述步骤B中第一根发送天线的选择依据是选择信道向量范数最大的发送天线。
6.根据权利要求4所述的大规模MIMO系统的快速发送天线选择方法，其特征在于，上述步骤D中终止条件为达到所需的发送天线数目。
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