適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇方法及系統(tǒng)技術方案

本發(fā)明專利技術公開了一種適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇方法及系統(tǒng)，其中，所述方法包括如下步驟：在接收端估計信道參數(shù)，建立信道矩陣，并獲得待選信道子矩陣和剩余信道矩陣；基于所述待選信道子矩陣和剩余信道矩陣之間的列交換，計算并獲得符合條件的優(yōu)選信道矩陣；將所述優(yōu)選信道矩陣所標示的發(fā)射天線編號反饋到發(fā)射端。本發(fā)明專利技術顯著降低了計算的復雜度，明顯節(jié)約了計算空間，具有優(yōu)異的使用性能，非常適合在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中應用。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇方法及系統(tǒng)
本專利技術涉及無線多天線通信領域，尤其是一種能夠適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇方法和系統(tǒng)
技術介紹
大規(guī)模MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)具有更高的傳輸速率，更強的鏈路可靠性，并能夠顯著地降低功率消耗，因此引起了人們的廣泛關注，并成為下一代移動通信網(wǎng)絡(5G)的候選技術之一。由于它能夠在基站部署成千上百根的天線，一度困擾常規(guī)MIMO技術的難題，比如豐富的散射環(huán)境，對大規(guī)模MIMO來說已經(jīng)不再是個問題，因為在這么巨大的信道空間中(用戶天線數(shù)目的)獨立信道一定會存在。但是，隨著天線數(shù)目的增加，系統(tǒng)的造價以及相應信號處理的負擔也越來越無法承受。為了降低造價，并減少相應的信號處理負擔，同時最大限度地保留巨大數(shù)目的天線所帶來的性能增益，使用發(fā)射天線選擇技術就顯得必不可少。使用發(fā)射天線選擇技術，可以降低所需要的射頻(RF)模塊的數(shù)量，從而降低系統(tǒng)的造價，功率損耗，以及龐大的數(shù)字信號處理負擔。雖然最優(yōu)的發(fā)射天線子集可以通過窮舉法來得到，但是，窮舉法的計算復雜度隨著可用天線數(shù)目的增加成指數(shù)級增長。所以說，在大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，由于可用的天線數(shù)目過于龐大，窮舉法是不實用的，有時甚至是無法使用的。在常規(guī)的MIMO系統(tǒng)中，也有很多低復雜度的，以獲取一個次優(yōu)解為目標的算法。但是，這些算法并不適合在大規(guī)模MIMO中實時應用。例如，有文獻提出的算法受制于其“局部搜索”的特點，在一些極端的例子下會遭受可觀的性能損失。另一些技術在實施的過程中存在很多的矩陣操作，并需要很大的計算空間，這同樣不太適合在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中實時應用。算法能夠在系統(tǒng)中實時應用需要相當?shù)目煽啃裕⑶倚枰谝?guī)定的時間和計算空間中完成。
技術實現(xiàn)思路
專利技術目的：一個目的是提供一種適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇方法，以解決現(xiàn)有技術的上述問題，降低復雜度和計算空間。另一個目的是提供一種適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇系統(tǒng)。技術方案：一種適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇方法，包括如下步驟：步驟1、估計信道參數(shù)，建立信道矩陣，并獲得待選信道子矩陣和剩余信道矩陣；步驟2、基于所述待選信道子矩陣和剩余信道矩陣，計算并獲得符合條件的優(yōu)選信道矩陣；步驟3、將所述優(yōu)選信道矩陣反饋到發(fā)射端。在進一步的實施例中，獲得待選信道子矩陣包括：采用隨機排列的方式從可用的發(fā)射天線中選擇天線并建立選擇矢量π＝randperm(Nt)；根據(jù)選擇矢量π建立待選信道子矩陣Hsel＝H(：，π(1：Nr))和剩余信道矩陣Hleft＝H(：，(π(Nr+1：Nt)))；其中，Nt為可用的發(fā)射天線數(shù)量，H表示信道矩陣；Nr為接收天線數(shù)量；H(：，π)對矩陣H的列矢量根據(jù)向量π被重新排列后的矩陣，Hsel是矩陣H(：，π)的前Nr列，Hleft是其余的部分。在進一步的實施例中，所述步驟2具體為：計算判決矩陣計算W(i，：)×Hleft(：，j)；i＝1，2，…Nr；j＝1,2…Nt-Nr；如果|對任意的i，j；均有W(i，：)×Hleft(：，j)|大于1,則交換π(i)和π(j+Nr)的值,即交換Hsel的i列和Hleft的j列，并重新根據(jù)選擇矢量π建立待選信道子矩陣和剩余信道矩陣；否則輸出該矩陣，即為優(yōu)選信道矩陣。在進一步的實施例中，迭代更新判決矩陣的步驟進一步為：其中ei表示第i個單位向量，Wn表示W(wǎng)第n次迭代時得到的矩陣，表示Hleft第n次迭代時得到的矩陣。一種適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇系統(tǒng)，包括：第一模塊，用于估計信道參數(shù)，建立信道矩陣，并獲得待選信道子矩陣和剩余信道矩陣；第二模塊，用于基于所述待選信道子矩陣和剩余信道矩陣，計算并獲得符合條件的優(yōu)選信道矩陣；第三模塊，用于將所述優(yōu)選信道矩陣反饋到發(fā)射端。在進一步的實施例中，所述第一模塊包括待選信道子矩陣確定模塊，其采用隨機排列的方式從可用的發(fā)射天線中選擇天線并建立選擇矢量π＝randperm(Nt)；根據(jù)選擇矢量π建立待選信道子矩陣Hsel＝H(：，π(1：Nr))和剩余信道矩陣Hleft＝H(：，(π(Nr+1：Nt)))；其中，Nt為可用的發(fā)射天線數(shù)量，H表示信道矩陣；Nr為接收天線數(shù)量；H(：，π)對矩陣H的列矢量根據(jù)向量π被重新排列后的矩陣，Hsel是矩陣H(：，π)的前Nr列，Hleft是其余的部分。所述第二模塊具體用于：計算判決矩陣計算W(i，：)×Hleft(：，j)；i＝1，2，…Nr；j＝1,2…Nt-Nr；如果|對任意的i，j；均有W(i，：)×Hleft(：，j)|大于1,則交換π(i)和π(j+Nr)的值,即交換Hsel的i列和Hleft的j列，并重新根據(jù)選擇矢量π建立待選信道子矩陣和剩余信道矩陣；否則輸出該矩陣，即為優(yōu)選信道矩陣。所述第二模塊采用如下方法迭代更新判決矩陣的步驟進一步為：其中ei表示第i個單位向量，Wn表示W(wǎng)第n次迭代時得到的矩陣，表示Hleft第n次迭代時得到的矩陣。有益效果：本專利技術顯著降低了計算的復雜度，明顯節(jié)約了計算空間，具有優(yōu)異的使用性能，非常適合在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中應用。附圖說明圖1示出了本專利技術與現(xiàn)有技術所需的計算空間。圖2示出了本專利技術的收斂速度。圖3示出了本專利技術與現(xiàn)有技術的信道容量。圖4示出了本專利技術與現(xiàn)有技術的遍歷容量。具體實施方式本專利技術的適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇方法，包括如下步驟：建立一具有Nt根發(fā)射天線和Nr根接收天線的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，其具有豐富散射特性和準靜態(tài)的衰落信道環(huán)境，其輸入輸出關系可以表示為：其中，r(t)為接收信號向量，rNr(t)表示該向量的第Nr個元素，s(t)為發(fā)射信號向量，sNr(t)表示該向量的第Nr個元素，w(t)為圓對稱復高斯噪聲向量，wNr(t)表示該向量的第Nr個元素，為信道矩陣，ρ為接收端的平均信噪比；由設定發(fā)射端沒有瞬時的信道狀態(tài)信息，發(fā)射機把它所能用的功率平均分配到各個發(fā)射天線上，對于一個給定的信道H，其信道容量可以表示為假設有Ns根天線從可用的Nt根天線中選出，且信道為準靜態(tài)信道，因此準確的信道狀態(tài)信息可以在接收端準確無誤地獲取。所以，在接收端進行的發(fā)射端天線選擇可以有相當?shù)臏蚀_度。在接收端，天線選擇完成之后，所選擇的天線的編號被通過一個有限速率的信道反饋到接收端。假設信道選擇矢量π被定義為所有發(fā)射天線編號的一個排列。因此，被選擇的信道矩陣和剩下的矩陣可以以matlab語言的方式寫為Ｈsel＝H(：，π(1：Nr))，Hleft＝H(：，π(Nr+1：Nt))這里矩陣H(：，π）是對矩陣H的列矢量根據(jù)向量π被重新排列后的矩陣。顯然被選擇的矩陣Hsel是矩陣H(：，π）的前Nr列，Hleft是其余的部分。所以，經(jīng)過發(fā)射天線選擇之后的信道容量為對于基于信道容量最大化的發(fā)射天線選擇方法來說，其目標就是找到一個最優(yōu)的子矩陣Hopt，使得信道容量C(Hsel)達到最大。這個問題可以表述為問題(P1)在上式中，S(H)指矩陣H所有列數(shù)為Nr行數(shù)也為Nr的子矩陣。對于兩個非負定矩陣A，B，我們有下列的關系式：det(A+B)≥det(A)+det(B)，顯然，矩陣是非負定的，可以得到：因此，在信噪比ρ＞0dB時，我們可以通過求解下面的問題(P2)來求得問題(P1)的一個本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1、在接收端估計信道參數(shù)，建立信道矩陣，并獲得待選信道子矩陣和剩余信道矩陣；步驟2、基于所述待選信道子矩陣和剩余信道矩陣之間的列交換，計算并獲得符合條件的優(yōu)選信道矩陣；步驟3、將所述優(yōu)選信道矩陣所標示的發(fā)射天線編號反饋到發(fā)射端。

【技術特征摘要】
1.一種適用于大規(guī)模MIMO的天線選擇方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1、在接收端估計信道參數(shù)，建立信道矩陣，并獲得待選信道子矩陣和剩余信道矩陣；步驟2、基于所述待選信道子矩陣和剩余信道矩陣之間的列交換，計算并獲得符合條件的優(yōu)選信道矩陣；步驟3、將所述優(yōu)選信道矩陣所標示的發(fā)射天線編號反饋到發(fā)射端；獲得待選信道子矩陣包括：采用隨機排列的方式從可用的發(fā)射天線中選擇天線并建立選擇矢量π＝randperm(Nt)；根據(jù)選擇矢量π建立待選信道子矩陣Hsel＝H(：，π(1：Nr))和剩余信道矩陣Hleft＝H(：，(π(Nr+1：Nt)))；其中，Nt為可用的發(fā)射天線數(shù)量，H表示信道矩陣；Nr為接收天線數(shù)量；H(：，π)為對矩陣H的列矢量根據(jù)向量π重新排列后的矩陣，Hsel是矩陣H(：，π)的前Nr列，Hleft是其余的部分；所述步驟2具體為：計算判決矩陣計算W(i，：)Hleft(：，j)；i＝1，2，…Nr；j＝1,2…Nt-Nr；如果對任意的i，j，有|W(i，：)Hleft(：，j)|大于1,則交換π(i)和π(j+Nr)的值,即交換Hsel的i列和Hleft的j列，并重新根據(jù)選擇矢量π建立待選信道子矩陣和剩余信道矩陣；否則輸出該待選信道子矩陣，即為優(yōu)選信道矩陣；迭代更新判決矩陣的步驟進一步為：其中ei表示第i個元素為1的單位向量，Wn表示W(wǎng)第n次迭代時得到的矩陣，表示Hleft第n次迭代時得到的矩陣。2.一種適用于大規(guī)模...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：方冰，錢祖平，邵尉，鐘衛(wèi)，
申請(專利權)人：中國人民解放軍理工大學，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32