CN108923832A - 多小区分布式mimo系统中优化能效的天线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多小区分布式MIMO系统的天线选择方法，所述方法基于大尺度信道信息选择端口单元和能效递增准则，先选端口后选天线，因此缩小了天线选择范围，降低了算法复杂度，有效提升了系统的能效。发送端仅需获取各小区大尺度信道信息和小尺度衰落的相关矩阵，因大尺度信道变化缓慢且易于获取，因此降低了系统反馈开销，更易于工程实现。

Description

多小区分布式MIMO系统中优化能效的天线选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及多小区分布式MIMO系统的天线选择方法。

背景技术

通信系统的高效性通常是通过系统容量或者频谱效率来衡量，而在“绿色通信”的倡导下还需要关注系统的能量效率。有文献公开了分布式天线频谱共享系统中的天线选择问题，在完全信道状态信息条件下，通过优化搜索方式得到最佳的天线选择方案。还有文献公开了仅适用于单小区分布式天线场景的有限反馈天线选择策略，不能直接推广至存在干扰的多小区系统。还有文献公开了在分布式天线系统的基站仅能获得大尺度信道信息时提供了基于大尺度信道信息的功率分配方案，但是分布式天线系统的端口单元只配置一根天线，不适用于分布式MIMO系统。

发明内容

本发明提供了在多小区分布式MIMO系统中，基于大尺度信道信息选择端口单元、基于能效递增选择天线的天线选择方法，发送端仅需获取各小区大尺度信道信息和小尺度衰落的相关矩阵，因大尺度信道变化缓慢且易于获取，因此降低了系统反馈开销，更易于工程实现。

本方案采用如下的技术方案：将小区k内天线端口单元n的天线相关矩阵B_i和大尺度信道信息矩阵的內积矩阵Q_n ^k按各列元素模值和的大小降序排列；k为小区序号，n为天线端口单元序号，m为被选天线端口单元序号。将內积矩阵Q_n ^k各列模值和的平均值记为若第n个天线端口单元的分别小于剩余天线端口单元的天线相关矩阵和大尺度信道信息矩阵的內积矩阵的最后一列元素模值的和，则舍弃该天线端口单元，最终剩余的天线端口即为被选中的天线端口单元；记被选中的天线端口单元m的內积矩阵为Q_m ^k，从Q_m ^k中删除小于的列，删除后的被选天线端口单元m的內积矩阵为Q'_m ^k；然后根据系统能效选出使系统能效η_EE最优的列，其对应的天线即为小区k的传输天线。

附图说明

图1为本发明的系统模型。

具体实施方式

多小区分布式MIMO系统的参数为(M,N,L,K)，其参数意义为多小区分布式MIMO系统中有K个小区，每个小区有一个用户(第k个小区用户记为用户k)终端且该用户终端配置M根天线，每一个小区包含N个配置了L根天线的相隔较远的天线端口单元，该系统模型如图1所示。

多用户分布式MIMO系统等功率分配时下行用户k(k＝1,2，…，K)的接收信号可表示为：

其中xⁱ为NL×1维基站向用户i(i＝1,2,…,K)发送的信号；H^k,i为M×NL维用户k与小区i各个天线端口单元间的信道矩阵；z^k为M×1维加性高斯白噪声矢量。信道矩阵可分解为包含小尺度信道信息W与大尺度信道信息G，考虑天线相关时第i个小区的天线到用户k的信道矩阵的模型可表示为：

其中W^k,i为M×NL维小尺度信道信息矩阵；B_i为各天线历经衰落后的NL×NL维对角发射相关矩阵， 为L×L维小区i中第n(n＝1,2,…,N)个天线端口单元天线间的相关矩阵；G^k,i为M×NL维大尺度信道信息矩阵， 小区i中第n个天线端口单元与用户k之间的大尺度信道信息，可建模成由阴影衰落和平均路径损耗构成，即式中γ是路径损耗因子，和分别表示小区i内第n个天线端口单元到用户k的距离和阴影衰落，是独立的随机变量，通常将其概率密度函数描述为对数正态分布即：

式中σ_s表示阴影衰落的标准差，

下面将分解后的信道矩阵带入系统下行信道容量公式，则可写为

式中P_T为一个小区的发射功率。由于基站端只能获取大尺度信道信息及发送天线相关特性，那么遍历容量可通过对小尺度信道信息求期望值获得：

因小尺度信道信息在求取容量期望运算时会被平均掉，其过程描述如下：

对于小区k来说来自其它小区的天线的干扰方差可表示为：

若令 是小区k的噪声功率；令矩阵Q^k＝B^kHG^k,k，此时Q^k为第k个小区的天线相关矩阵与大尺度信道信息的內积矩阵，则多个小区的遍历容量表达式为：

式中I_M表示M×M维单位矩阵；q^k,n,l为Q^k的第l列的非零元素。在满足遍历容量需求时，选择Q^k较大的那些发送天线，可一定程度上降低传输功率，那么在等功率分配条件下，选择具有较大Q^k的天线传输则可优化系统容量。

多小区分布式MIMO下行系统中小区k的发送端总功耗为考虑其包含该小区参与传输的天线的功率损耗P_t ^k和静态电路功率损耗P_c ^k，可建模为：

其中η为功率放大器系数，P_l ^k为每根参与传输的天线的功率。衡量多小区分布式MIMO系统下行能效的表达式为：

将小区k内天线端口单元n的天线相关矩阵和大尺度信道信息矩阵的內积矩阵按各列元素模值和的大小降序排列，将矩阵Q_n ^k各列元素模值和的平均值记为若分别小于剩余天线端口单元的天线相关矩阵和大尺度信道信息矩阵的內积矩阵的最后一列元素模值的和，则舍弃该天线端口单元；最终剩余的天线端口即为被选中的天线端口单元。这样做一方面是为了避免在搜索时陷入局部最优，另一方面节约了贡献较小的天线端口单元的功耗，同时也减小了候选天线数量。然后记被选中的天线端口单元m的內积矩阵为Q_m ^k，从Q_m ^k中删除小于的列，删除后的被选天线端口单元m的內积矩阵为Q'_m ^k；m为被选中天线端口单元序号,m＝1,2,…,N。然后根据系统能效选出使系统能效η_EE最优的列，其对应的天线即为小区k的传输天线。

Claims (1)

1.一种多小区分布式MIMO系统中优化能效的天线选择方法，所述方法包括如下步骤：

(1)多小区分布式MIMO系统的每个小区至少有一个用户终端且该用户终端配置了M根天线，每个小区包含N个配置了L根天线的天线端口单元；将小区k内的天线端口单元n的天线相关矩阵和大尺度信道信息矩阵的內积矩阵Q_n ^k按各列元素模值和的大小降序排列；n为天线端口单元序号，n＝1,2,…,N；K为小区数量，k为小区序号，k＝1,2,…,K；

(2)将內积矩阵Q_n ^k各列元素模值和的平均值记为若分别小于剩余天线端口单元的天线相关矩阵和大尺度信道信息矩阵的內积矩阵的最后一列元素模值的和，则舍弃该天线端口单元；最终剩余的天线端口即为被选中的天线端口单元；

(3)记被选中的天线端口单元m的內积矩阵为Q_m ^k，从Q_m ^k中删除小于的列，删除后的被选天线端口单元m的內积矩阵为Q'_m ^k；m为被选中天线端口单元序号,m＝1,2,…,N；然后根据系统能效选出使系统能效η_EE最优的列，其对应的天线即为小区k的传输天线；其中：为小区k发送端的消耗功率；l表示被选天线端口单元m的第l根天线，l＝1,2,…,L；I_M表示M×M维单位矩阵,q^k,m,l为Q'_m ^k的第l列的非零元素；P_T为小区k的发射功率；是小区k的噪声功率，是来自其它小区的天线的干扰方差,为M×NL维大尺度信道信息矩阵。