一種基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合 選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展，微型電腦、智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用，人們更希望任何時(shí)間 任何地點(diǎn)都能夠接入互聯(lián)網(wǎng)來(lái)獲取信息。該要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的傳輸速率和更好的服 務(wù)質(zhì)量。傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)（SIS0)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。大規(guī)模的多輸入多輸 出系統(tǒng)（又稱多發(fā)射天線多接收天線系統(tǒng)，MIM0)是無(wú)線通信系統(tǒng)重大的技術(shù)突破，它在發(fā) 射端和接收端配置大量的天線。與傳統(tǒng)的SIS0系統(tǒng)相比，在不增加系統(tǒng)帶寬和發(fā)射功率的 情況下，MIM0系統(tǒng)的容量和可靠性有很大的改善。由于MIM0通信系統(tǒng)有著較大的性能優(yōu) 勢(shì)，已經(jīng)引起了該領(lǐng)域?qū)＜摇W(xué)者和運(yùn)營(yíng)商的廣泛興趣。更重要的是第=代移動(dòng)通信系統(tǒng) (3GP巧已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中已部分引入了MIM0技術(shù)。目前，MIM0技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于超3G和4G 標(biāo)準(zhǔn)中?？蒞預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)勢(shì)必大規(guī)模地采用MIM0技術(shù)。
[000引MIM0系統(tǒng)可W通過(guò)空間復(fù)用或者空間分集來(lái)提高系統(tǒng)的容量和降低誤比特率，改 善通信系統(tǒng)的性能。采用MIM0技術(shù)的通信系統(tǒng)設(shè)備需要與天線數(shù)相同的射頻鏈路（主要 包括放大器、上下頻轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)/模轉(zhuǎn)換器），導(dǎo)致系統(tǒng)的硬件成本和復(fù)雜度較大。因 此，如何保持MIM0系統(tǒng)性能優(yōu)越性同時(shí)降低系統(tǒng)的復(fù)雜度是一個(gè)重要的研究課題。天線選 擇是一種可W保持系統(tǒng)性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低系統(tǒng)復(fù)雜度和硬件成本的有效方法。天線選擇 的思想是用有限的射頻鏈路來(lái)匹配較多的天線，它可W有效地降低通信設(shè)備的射頻鏈路數(shù) 目，同時(shí)保持系統(tǒng)復(fù)用增益和分集增益。
[0004] 基于綜上所述原因，天線選擇技術(shù)已經(jīng)引起了廣泛的研究興趣。天線選擇可W有 效的降低MIM0系統(tǒng)的復(fù)雜度和硬件成本，同時(shí)有效地改善MIM0通信系統(tǒng)的性能。為了選 擇適當(dāng)?shù)奶炀€子集，近年來(lái)MIM0系統(tǒng)中的天線選擇算法在大量的文獻(xiàn)中被深入研究。很大 一部分的天線選擇技術(shù)都是基于發(fā)射端或接收端，收發(fā)聯(lián)合天線選擇算法很少被研究。給 定發(fā)射和接收端天線數(shù)目，為了找到最優(yōu)的發(fā)射和接收天線子集，最優(yōu)的天線子集選擇算 法（本發(fā)明簡(jiǎn)稱，最優(yōu)算法）計(jì)算所有可能的天線子集組合，從中選擇出能夠使系統(tǒng)性能最 優(yōu)的天線子集。雖然最優(yōu)算法能夠取得最好的系統(tǒng)性能，但是，由于最優(yōu)算法計(jì)算復(fù)雜度過(guò) 大，算法的復(fù)雜度隨著天線數(shù)目的增加成指數(shù)增長(zhǎng)，特別是在快變信道中，天線選擇需要快 速估計(jì)出信道，而最優(yōu)算法的復(fù)雜度大，很難達(dá)到實(shí)時(shí)性要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法，旨在解 決現(xiàn)有的收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法存在的操作復(fù)雜，工作量較大，實(shí)用性較低的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明是該樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法，該基于 空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法在起始時(shí)對(duì)應(yīng)用于天線選擇的發(fā)射接收天線信道 集合為滿集，在每一次選擇過(guò)程中選擇出對(duì)信道容量貢獻(xiàn)最小的一對(duì)收發(fā)天線。
[0007] 進(jìn)一步，該基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法包括W下步驟：
[000引第一步：天線選擇初始化，設(shè)置多天線通信系統(tǒng)的參數(shù)P、Nc、Nt、Lt、L,大小，按 圖2所示描述系統(tǒng)生成起始滿集信道矩陣H，清零選擇步長(zhǎng)n= 0 ;
[000引 第二步：計(jì)算
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法，其特征在于，該基于空間復(fù)用的 新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法建議的新型收發(fā)聯(lián)合天線選擇算法很好地在多發(fā)射天線多接 收天線（ΜΙΜΟ)通信系統(tǒng)的信道容量性能與系統(tǒng)復(fù)雜度之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)；建議的新型 算法是基于信道容量最大化準(zhǔn)則的收發(fā)聯(lián)合天線選擇；在起始時(shí)，所有用于天線選擇的發(fā) 射端天線與接收端天線間的信道矩陣是滿集；每一步選擇執(zhí)行刪除對(duì)系統(tǒng)信道容量貢獻(xiàn)最 小的某一行或者某一列。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法，其特征在于，該 基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法包括以下步驟： 第一步：天線選擇初始化，設(shè)置MMO通信系統(tǒng)的參數(shù)P、NK、NT、Lt山大小，描述系統(tǒng) 生成起始滿集信道矩陣Η，清零選擇步長(zhǎng)η = 0 ; 第二步：計(jì)算 第三步：從發(fā)射天線集廠..-沐./?:_…V丨中選擇某一個(gè)列向量，使得Jn= min (hxHDnHhx)最小，從發(fā)射天線集中刪除 = _屺； for i = I: Nt-η Jrhi=K1Dlli^ end Jn= argmax Jn i F Νγ(η+1) ^ ^γ·-η 第四步：對(duì)發(fā)射天線選擇后，信道矩陣更新為< 第五步：計(jì)算K <?)"<)); 第六步：并從接收天線集…k丨中選擇某一個(gè)行向量心使得 Λ = 最小，并從接收天線集中刪除7Vw1, =/V" -貧; for j = I: NR-n K1 =sXsl end λη= arg max λ n j· 尸Aift-(fi+l) _ Mxy 第七步：對(duì)接收天線選擇后，信道矩陣更新為; 第八步：如果n〈 = min{NK-Lr，NT-Lt}則返回至第2步；如果n>min{N K-Lr，NT-Lt}，那么 發(fā)射端和接收端中具有最小值的一端將停止天線選擇，而另外一端將繼續(xù)執(zhí)行天線選擇， 直到n = max{NK-Lr, NT-Lt}時(shí)天線選擇結(jié)束。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法，其特征在于，在 發(fā)射端和接收端分別配置乂和N ,根天線；發(fā)射端和接收端分別配置L t和k個(gè)射頻鏈路； 所有的發(fā)射天線和接收天線都參與天線選擇；接收端從Nk天線中選擇k接收天線，發(fā)射端 從乂天線中選擇Lt發(fā)射天線；在發(fā)射端天線和接收端天線之間的所有無(wú)線信道是相互獨(dú)立 的、且衰落信道服從平坦的瑞利分布，用隨機(jī)信道矩陣H表示；這樣，經(jīng)過(guò)匹配濾波器后，接 收端接收到的復(fù)包絡(luò)信號(hào)為： y = Hx+n ； 其中發(fā)送信號(hào)X是選自于復(fù)星座數(shù)字調(diào)制的Nt維符號(hào)，每發(fā)送符號(hào)的平均功率滿足 E [xHx] = Es;n是一個(gè)具有N κ維的復(fù)高斯噪聲矢量，均值為0,方差為N /2, Ntl是單邊高斯噪 聲的功率譜密度，信道矩陣H定義為：
其中元素= 1，2,…NK;j = 1，2，···ΝΤ)代表第i根接收天線和第j根發(fā)射天線 之間衰落信道的增益大小，它是服從均值為0,實(shí)部和虛部每維的方差為0. 5的循環(huán)對(duì)稱的 復(fù)高斯隨機(jī)變量；接收端已知信道狀態(tài)信息（CSI)，且發(fā)射端所有天線采用等功率分配；那 么，N kXNt MMO系統(tǒng)的信道容量大小為： C = Iog2 det(/,Vs +1冊(cè));當(dāng) 乂彡 Ν τ 或者=+?//〃//);當(dāng)~彡 Nτ 其中，p =EsZX表示接收符號(hào)的平均信噪比，天線選擇時(shí)，接收端已知CSI，而發(fā)射端 根據(jù)接收端反饋通道取到CSI，發(fā)射端的從Nt天線中選擇L t發(fā)射天線與L t射頻鏈路相連 接，接收端的從Nk天線中選擇k發(fā)射天線與k射頻鏈路相連接；定義Θ作為所有可能的 聯(lián)合收發(fā)天線選擇集，大小為Θ = Ct. X G.,;設(shè)Hsel為接收端選擇k根天線發(fā)射端選擇L t 根天線后的矩陣；那么，MMO系統(tǒng)經(jīng)過(guò)天線選擇后的信道容量大小為： C(Arsrf) = log2Ldet(/￡ ； Hsel的維數(shù)是由發(fā)射端和接收端的射頻鏈路數(shù)決定；由于各信道不相關(guān)，那么，聯(lián)合收 發(fā)天線選擇的信道容量表示為： Hsel :arg max {log.tdetC/, ； 其中，Hsel定義為被選信道矩陣子集，L t和Lr分別是發(fā)射端和接收端的被選天線數(shù)目。
4.如權(quán)利要求2所述的基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法，其特征在于，該 基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法的容量分析包括： 發(fā)射天線滿集為=汍為，…，接收天線滿集為心s =以名，…;執(zhí)行到第η步 天線選擇時(shí)，第X根發(fā)射天線對(duì)信道容量貢獻(xiàn)最小的，hx是對(duì)應(yīng)到信道矩陣中的第X列向 量；因此，匕從發(fā)射天線集合/V中刪除，被選發(fā)射天線子集表示為 F NT-(n+1) - F NT-n_hx; 在 接收端也采用類似天線選擇策略；第y根接收天線是對(duì)信道容量貢獻(xiàn)最小的，gxy是對(duì)應(yīng)到 信道矩陣中的第y行向量；因此，g xy從接收天線集合As中刪除，被選接收天線子集表示 為/\>11=1^-?-心；選擇后的信道矩陣凡表示為一個(gè)（、-11)\機(jī)-11)的矩陣，其中，11 = min {NK-I^，Nt-LJ，表示已刪除了 η根發(fā)射天線和η根接收天線；這樣，選擇后的信道矩陣Hn 保留信道矩陣H中的Νκ-η行向量和Ντ-η列向量；在每一步天線選擇執(zhí)行中，對(duì)信道容量C 貢獻(xiàn)最小的一對(duì)發(fā)射接收天線被挑選出來(lái)，hx是對(duì)信道容量C貢獻(xiàn)最小的一個(gè)（NK-n) Xl 的列向量，gxy是對(duì)信道容量C貢獻(xiàn)最小的一個(gè)IX (Ντ-η-1)行向量；那么，在第（η+1)步執(zhí) 行中，被選擇后的信道矩陣Ηη+1表示為： Hn' (Hn' )H+hx QOh= Hn(Hn)11; (Hn+1)HHn+1+(gxy)Hg xy= (H/ )\，； 其中，Hn'是一個(gè)（Νκ-η) X (Ντ-η-1)矩陣，Hn+1 是一個(gè)（Νκ-η-1) X (Ντ-η-1)矩陣； 那么，第（η+1)步信道容量C (Ηη+1)表示為： C(//"+1) =log2[det(/VT_("+1) +-^Ηη+ιΗΗη+ι)]； 以τ 應(yīng)用謝爾莫行列式公式，上式寫(xiě)成： C(^1) =log2[det(/Vr_(,!+11 Hn+l)]； =C?) + log2[l-^^.(/Vr_("Tl) +^{H；)hH；yl(gJH}； 又C(Hn')寫(xiě)成： C(H,；) = Iog2 [det(/Ws_H (/Zjif)]； R Isr =αΗα) + \οΒι[\-^ΚΗ{ΙΝκ_η+^Η η{ΗΛ)ΗγιΚ}； 第（n+1)步信道容量C(Hn+1)重新表示為： C(//"+1) = CW") + Iog2(I-^心晃-? + l〇g2(l[/〇 ; 其中 C(Hn) = log2[det(/Vi_" +^-H Hf )3 ； Dn=(hR-n+^H"{Hn)H)·, 由于C(Hn)是由之前的第n步?jīng)Q定的，因此，信道容量C(Hn+1)的減少量是由等式的后兩 項(xiàng)決定，而這兩項(xiàng)都是遞減函數(shù)；那么天線選擇算法重新寫(xiě)為： argmax^fti {[^,(/^_(Β+1) +^-{Η：γH；ylgl} + ^{ΙΝ^η +^-ΗηΗηΗγ?,χ]}； =argmax%Αι (gxyB；'g^, + l^D；'hx)； 在第n+1步執(zhí)行中，通過(guò)聯(lián)合更新對(duì)信道容量貢獻(xiàn)最小的發(fā)射和接收天線對(duì)gxy和h x， 并刪除之。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法，該基于空間復(fù)用的新型收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法，該選擇算法起始于滿集，即包含所有用于天線選擇的發(fā)射端多天線與接收端多天線間的信道集合，在每一次選擇過(guò)程中選擇出對(duì)信道容量貢獻(xiàn)最小的一對(duì)收發(fā)天線進(jìn)行刪除。本發(fā)明的性能優(yōu)于基于范數(shù)的天線選擇算法和貪婪的收發(fā)聯(lián)合天線選擇算法，在不犧牲系統(tǒng)性能的情況下可大大降低了天線選擇器的復(fù)雜度，較好地解決了現(xiàn)有的收發(fā)天線聯(lián)合選擇方法存在的計(jì)算復(fù)雜度高、工作量較大、實(shí)用性較低的問(wèn)題。
【IPC分類】H04B7-08, H04B7-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104836605
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510148054
【發(fā)明人】莊銘杰, 林毅松, 張育釗, 劉永煒, 林芳明, 劉寶珍, 梁美燕
【申請(qǐng)人】華僑大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年3月31日