CN108540186A - 大规模mimo二层用户导向选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大规模MIMO二层用户导向天线选择方法，包括如下步骤：步骤一：对大规模MIMO建模，发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；步骤二：根据信道矩阵得到迫零线性预编码矩阵，利用得到的预编码矩阵对发射信号进行预编码；步骤三：获取不同等级用户集合，建立目标函数；步骤四：对目标函数进行求解，以获得最佳的发送天线选择结果。本发明的有益效果是：本发明基于用户服务质量进行天线选择，弥补了现有的方法中没有考虑不同的用户对服务质量的不同要求的缺陷问题，实现了优先用户比普通用户拥有更高服务质量。

Description

大规模MIMO二层用户导向选择方法

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二层用户导向选择方法。

背景技术

多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)技术是第五代(5G，fifth-generation)移动通信核心技术，具有高容量、高可靠性、以及绿色低功耗等优点，且不需要额外増加发射功率和频谱资源。MIMO系统由多天线发射机和多天线接收机组成。通过添加更多天线，在无线信道中可以提供更大的自由度(除了时间和频率维度)用以适用更多的信息数据。

在通信中，多用户MIMO(Multi-userMIMO,MU-MIMO)指配有多天线的基站，同时为多个用户提供通信服务，其中每个用户配置单根或少量多天线。通过在基站采用多天线,多个用户可以利用空间信道的差异共享同一信道资源,即空分多址。空分多址允许小区内的频率复用,因此能提高系统的频谱利用率,从而在有限的频带内增加系统的数据吞吐量。但是多个用户共享同一时频资源,进一步提高了系统的频谱利用率但同时也导致了用户间的干扰。用户干扰的抑制主要通过基站端的预编码技术来实现。

然而,MMO系统在带来显著优点的同时也伴随着一个主要缺点,就是需要较大数量的射频(RF)模块,而RF模块的成本往往比较高。通常,RF模块包含低噪放大器(LNA)、下变频器和模/数转换器(ADC)。为了降低多RF模块的成本,我们采用天线选择技术,使用比发射天线数少的RF模块。天线选择作为一种强有力的信号处理技术,在保证系统性能的同时降低系统复杂度以及实施成本。

传统天线选择技术主要分为最优天线选择技术和次优天线选择技术,其中最优天线选择以系统容量为目标进行天线选择，通过穷举法来得到，但是，穷举法的计算复杂度随着可用天线数目的增加成指数级增长，不适于实际应用；次优选择主要包括递増/递减天线选择、基于最大范数天线选择、基于相关度天线选择以及随机选择等技术。

随着信息技术的发展，人们更希冀获得如多媒体信息交流及无线因特网等的高速率服务。但是不同的用户对服务质量的要求很可能不同，例如，用户观看高清晰度视频需要高的服务质量，而用户接收文本邮件只需要较低的传输速率。因此我们把用户划分为两个等级：优先用户和普通用户，其中优先用户拥有更高质量服务，而普通用户拥有较低的服务质量。例如中国的国防军队，医疗团队等特殊群体必须成为优先用户，以保证更高的服务质量。

发明内容

本发明提供了一种大规模MIMO二层用户导向选择方法，包括如下步骤：步骤一：对大规模MIMO进行建模，发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；步骤二：根据信道矩阵得到破零线性预编码矩阵，利用得到的预编码矩阵对发射信号进行预编码；步骤三：获取不同等级用户集合，基于范数进行用户导向天线选择，建立目标函数；步骤四：对目标函数进行求解，以获得最佳的发送天线选择结。

作为本发明进一步改进，步骤一包括如下内容：

A1:假设在多用户MIMO中，基站只使用N_T个RF链路支持N根天线，服务的单天线用户数为K(K≤N_T)，则用户接收到的信号矢量为：

y＝Hx+v

其中信道为独立同分布平坦瑞利信道，为信道矩阵，H的每个元素为独立同分布的复高斯分布CN(0,1)随机变量，实部虚部方差均为0.5，为经过调制的发送信号向量，为加性噪声向量，每个元素服从复高斯分布CN(0,1)，实部虚部方差均为0.5；

A2：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。

作为本发明进一步改进，步骤二包括如下内容：

根据信道矩阵H得到破零预编码矩阵G_ZF＝H^H(HH^H)^-1，为了满足总的发射功率不变，将预编码矩阵G_zf归一化，令则经过归一化后的预编码矩阵G＝[g₁,g₂,…,g_k]^T，因此天线发射信号向量表示为：

x＝Gs

其中s＝[s₁,s₂,…,s_K]^T，为通过PSK调制或者QAM调制的用户数据向量。

作为本发明进一步改进，步骤三包括如下内容：

假设所有通信用户、优先用户、普通用户分别用集合为U＝{1,2,…,K}、U_P、U_C表示，那么U＝U_P∪U_C。优先用户的个数K_P＝|U_P|，K_C＝|U_C|，其中|·|表示集合的基数，且有K_P+K_C＝K，

若K_P＞0，则大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法选择的优化算法目标函数为：

其中代表的第i行第j列元素。

作为本发明进一步改进，所述步骤四包括：

对信道矩阵每个元素求范数，令

其中h_ij为信道矩阵H第i行第j列的元素，

D2:依据优先用户集合U_P，对|H|特定行求和，即

D3：对m_max＝[m₁,m₂,…m_N]向量进行从小到大排序，得到选择最大的前N_T个值，其对应于m_max的序号就是选择的导向优先用户的天线的序号，序号对应信道矩阵H相应的行构成了天线选择后的子集H_sub。

本发明的有益效果是：本发明对大规模MIMO进行建模，发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；根据信道矩阵得到破零线性预编码矩阵；利用得到的预编码矩阵对发射信号进行预编码；获取不同等级用户集合，基于范数进行用户导向天线选择，建立目标函数；对目标函数进行求解，以获得最佳的发送天线选择结果。本发明通过用户导向天线选择，弥补了现有的方法中没有考虑不同的用户对服务质量的不同要求的缺陷问题，实现了优先用户比普通用户拥有更高服务质量。

附图说明

图1是本发明大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法选择的系统模型图；

图2是本发明大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法选择的流程示意图；

图3为本发明大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法选择的具体实施例中，固定通信用户数为8，改变优先用户数K_P和普通用户数K_C，输出误码率-输入信噪比曲线图；

图4为本发明大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法选择的具体实施例中，固定通信用户数为8，改变优先用户数K_P和普通用户数K_C，输出容量-输入信噪比曲线图；

图5为本发明大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法选择的具体实施例中，输出容量-输入信噪比曲线图；

图6为本发明大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法选择的具体实施例中，输出总容量-输入信噪比曲线图。

具体实施方式

本发明公开了一种大规模MIMO二层用户导向选择方法，此方法能够实现优先用户的传输速率一定高于普通用户。

为了实现上述目标，如图1所示，本发明采用如下的技术方案：

大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法，包括以下几个步骤：

步骤S100：对大规模MIMO进行建模，发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；

步骤S200：根据信道矩阵得到破零(zero-forcing，ZF)线性预编码矩阵；利用得到的预编码矩阵对发射信号进行预编码；

步骤S300：获取不同等级用户集合，基于范数进行用户导向天线选择，建立目标函数；

步骤S400：对目标函数进行求解，以获得最佳的发送天线选择结果。

所述的大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法，步骤S100包括如下内容：

步骤S101：假设在多用户MIMO中，基站只使用N_T个RF链路支持N根天线，服务的单天线用户数为K(K≤N_T)，则用户接收到的信号矢量为：

y＝Hx+v

其中信道为独立同分布平坦瑞利信道，为信道矩阵，H的每个元素为独立同分布的复高斯分布CN(0,1)随机变量，实部虚部方差均为0.5，为经过调制的发送信号向量，为加性噪声向量，每个元素服从高斯分布CN(0，1)，实部虚部方差均为0.5。

步骤S102：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S200具体包括：

根据信道矩阵H得到破零预编码矩阵G_ZF＝H^H(HH^H)^-1，为了满足总的发射功率不变，将预编码矩阵G_zf归一化，令则经过归一化后的预编码矩阵G＝[g₁,g₂,…,g_k]^T，因此天线发射信号向量表示为：

x＝Gs

其中s＝[s₁,s₂,…,s_K]^T，为通过PSK调制或者QAM调制的用户数据向量。

步骤S300具体包括：

假设所有通信用户、优先用户、普通用户分别用集合为U＝{1,2,…,K}、U_P、U_C表示，那么U＝U_P∪U_C。优先用户的个数K_P＝|U_P|，K_C＝|U_C|，其中|·|表示集合的基数，且有K_P+K_C＝K。

若K_P＞0，则大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法选择的优化算法目标函数为：

其中代表的第i行第j列元素。

步骤S400具体包括：

步骤S401:对信道矩阵每个元素求范数，令

其中h_ij为信道矩阵H第i行第j列的元素，

步骤S402:依据优先用户集合U_P，对|H|特定行求和，即

步骤S403：对m_max＝[m₁,m₂,…m_N]向量进行从小到大排序，得到选择最大的前N_T个值，其对应于m_max的序号就是选择的导向优先用户的天线的序号，序号对应信道矩阵H相应的行构成了天线选择后的子集H_sub。

本发明还提供了一种具体应用实例的仿真结果，所有的仿真均在Matlab软件环境下进行。仿真采用16-QAM调制，10000个信道实现(channel realizations)，信道估计为理想估计，通过各种仿真，观察优先用户、普通用户的性能以及系统的性能。

综上所述，本发明提供了大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法，方法包括：对大规模MIMO进行建模，发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；根据信道矩阵得到破零线性预编码矩阵；利用得到的预编码矩阵对发射信号进行预编码；获取不同等级用户集合，基于范数进行用户导向天线选择，建立目标函数；对目标函数进行求解，以获得最佳的发送天线选择结果。本发明通过用户导向天线选择，弥补了现有的方法中没有考虑不同的用户对服务质量的不同要求的缺陷问题，实现了优先用户比普通用户拥有更高服务质量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大规模MIMO二层用户导向选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：对大规模MIMO进行建模，发送端获取发送天线与接收天线之间的信道信息；

步骤二：根据信道矩阵得到破零线性预编码矩阵，利用得到的预编码矩阵对发射信号进行预编码；

步骤三：获取不同等级用户集合，基于范数进行用户导向天线选择，建立目标函数；

步骤四：对目标函数进行求解，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二层用户导向选择方法，其特征在于,步骤一包括如下内容：

A1:假设在多用户MIMO中，基站只使用N_T个RF链路支持N根天线，服务的单天线用户数为K(K≤N_T)，则用户接收到的信号矢量为：

y＝Hx+v

其中信道为独立同分布平坦瑞利信道，为信道矩阵，H的每个元素为独立同分布的复高斯分布CN(0,1)随机变量，实部虚部方差均为0.5，为经过调制的发送信号向量，为加性噪声向量，每个元素服从复高斯分布CN(0,1)，实部虚部方差均为0.5；

A2：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。

3.根据权利要求1所述的大规模MIMO二层用户导向选择方法，其特征在于,步骤二包括如下内容：

根据信道矩阵H得到破零预编码矩阵G_ZF＝H^H(HH^H)^-1，为了满足总的发射功率不变，将预编码矩阵G_zf归一化，令则经过归一化后的预编码矩阵G＝[g₁,g₂,…,g_k]^T，因此天线发射信号向量表示为：

x＝Gs

其中s＝[s₁,s₂,…,s_K]^T，为通过PSK调制或者QAM调制的用户数据向量。

4.根据权利要求1所述的大规模MIMO二层用户导向选择方法，其特征在于,步骤三包括如下内容：

假设所有通信用户、优先用户、普通用户分别用集合为U＝{1,2,…,K}、U_P、U_C表示，那么U＝U_P∪U_C。优先用户的个数K_P＝|U_P|，K_C＝|U_C|，其中|·|表示集合的基数，且有K_P+K_C＝K，

若K_P＞0，则大规模MIMO二层多用户导向天线选择方法选择的优化算法目标函数为：

其中代表的第i行第j列元素。

5.根据权利要求1所述的大规模MIMO二层用户导向选择方法，其特征在于,所述步骤四包括：

对信道矩阵每个元素求范数，令

其中h_ij为信道矩阵H第i行第j列的元素，

D2:依据优先用户集合U_P，对|H|特定行求和，即

D3：对m_max＝[m₁,m₂,…m_N]向量进行从小到大排序，得到选择最大的前N_T个值，其对应于m_max的序号就是选择的导向优先用户的天线的序号，序号对应信道矩阵H相应的行构成了天线选择后的子集H_sub。