本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)導(dǎo)頻輔助的信道估計(jì)和導(dǎo)頻設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)壓縮感知信道估計(jì)的導(dǎo)頻優(yōu)化方法。
背景技術(shù):
現(xiàn)代無線通信中,大規(guī)模mimo系統(tǒng)自由度增加,多天線帶來的分集和復(fù)用增益,能夠顯著提高頻譜效率和能量效率?;緸榱双@取空間復(fù)用增益和陣列增益,基站發(fā)送端或用戶接收端需已知信道狀態(tài)信息(csi,channelstateinformation),這就需要通過信道估計(jì)獲取。fdd大規(guī)模mimo系統(tǒng)的一個(gè)挑戰(zhàn)就是導(dǎo)頻數(shù)目隨著發(fā)射天線數(shù)目增長而線性增長,導(dǎo)致導(dǎo)頻開銷巨大,降低通信系統(tǒng)效率,而且精確估計(jì)下行鏈路的csi不是很容易。由于fdd對于延遲敏感型系統(tǒng)更有效率且目前大多數(shù)蜂窩網(wǎng)都在使用采用了fdd,因此研究fdd下更為有效的信道估計(jì)很有必要。
基站大量的發(fā)射天線造成有限局部散射。隨著發(fā)射天線的增加,信道呈現(xiàn)稀疏性質(zhì)。利用信道隱含的稀疏性質(zhì)進(jìn)行信道估計(jì),可以減少導(dǎo)頻的數(shù)目,從而提高系統(tǒng)的有效性。
壓縮感知理論與傳統(tǒng)奈奎斯特理論不同,它是將稀疏信號(hào)采樣和壓縮同時(shí)進(jìn)行。它指出,只要信號(hào)是可壓縮的或在某個(gè)變換域是稀疏的,那么可以用一個(gè)與變換基不相關(guān)的觀測矩陣將變換所得的高維信號(hào)投影到一個(gè)低維空間上,然后通過求解一個(gè)優(yōu)化問題從這些少量的投影中以高概率重構(gòu)出原信號(hào)。在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中,可以利用壓縮感知重建算法進(jìn)行信道估計(jì),從而減少導(dǎo)頻的數(shù)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷,提供一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)壓縮感知信道估計(jì)的導(dǎo)頻優(yōu)化方法,使得獲取的最優(yōu)導(dǎo)頻矩陣顯著降低信道估計(jì)的mse,提高信道估計(jì)的性能。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
大規(guī)模mimo系統(tǒng)壓縮感知信道估計(jì)的導(dǎo)頻優(yōu)化方法,包括如下步驟:
步驟1),將部分傅里葉矩陣作為導(dǎo)頻矩陣:
記
從m×m的傅里葉矩陣
以最小化互相關(guān)準(zhǔn)則為出發(fā)點(diǎn),根據(jù)以下優(yōu)化公式確定抽取哪t行構(gòu)成最優(yōu)導(dǎo)頻矩陣
其中,
步驟2),初始化遺傳算法參數(shù):
令種群尺寸為ps,個(gè)體長度len=t-1,遺傳代數(shù)g=1,最大遺傳代數(shù)mg,定義個(gè)體φ為行索引集合λ對應(yīng)的行索引間隔集合:
φ與行索引集合λ={k1,k2,...,kt}中元素的對應(yīng)關(guān)系是
隨機(jī)生成一個(gè)初始種群{φi,i=1,2,...,ps};
步驟3),對每個(gè)個(gè)體φi,根據(jù)下式計(jì)算其適應(yīng)值:
其中,
步驟4),在當(dāng)前種群{φi,i=1,2,...,ps}中以預(yù)設(shè)的概率s采用隨機(jī)通用采樣選出適應(yīng)值最高的ps×s個(gè)個(gè)體;
步驟5),對步驟4)得到的ps×s個(gè)個(gè)體以預(yù)設(shè)的概率r進(jìn)行離散重組操作,從而產(chǎn)生新的ps×s個(gè)個(gè)體;
步驟6),對步驟5)得到的ps×s個(gè)個(gè)體以預(yù)設(shè)的概率v進(jìn)行基因變異操作,基因的邊界為
步驟7),根據(jù)步驟2)中的遺傳算法參數(shù)和步驟3)中個(gè)體適應(yīng)值的計(jì)算公式計(jì)算步驟6)得到的種群數(shù)量為ps×s的新一代個(gè)體的適應(yīng)值,并用他們?nèi)〈蟹N群中適應(yīng)值最低的ps×s個(gè)個(gè)體,從而獲得新的種群;
步驟8),對步驟7)獲得的種群執(zhí)行完善操作,以獲取具有更高適應(yīng)度值的個(gè)體;
步驟9),遺傳代數(shù)g增加1;
步驟10),重復(fù)執(zhí)行步驟4)至步驟9),直到遺傳代數(shù)g達(dá)到最大遺傳代數(shù)mg;
步驟11),根據(jù)現(xiàn)有種群中具有最大適應(yīng)值的個(gè)體φopt計(jì)算出最優(yōu)的行索引集合λopt,行索引集合λopt中的元素通過如下公式計(jì)算:
步驟12),根據(jù)最優(yōu)的行索引集合λopt得到傅里葉矩陣
步驟13),根據(jù)公式
作為本發(fā)明大規(guī)模mimo系統(tǒng)壓縮感知信道估計(jì)的導(dǎo)頻優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案,步驟8)的詳細(xì)步驟如下:
步驟8.1),從現(xiàn)有群體里選擇出具有最大適應(yīng)值的10個(gè)個(gè)體;
步驟8.2),針對步驟8.1)中選擇出的每個(gè)個(gè)體,隨機(jī)選擇出4個(gè)基因,對這4個(gè)基因分別進(jìn)行同時(shí)增加1、2、3和同時(shí)減小1、2、3的操作,以獲得6個(gè)新的個(gè)體;
步驟8.3),針對步驟8.1)中選擇出的每個(gè)個(gè)體以及其對應(yīng)的6個(gè)新的個(gè)體,選擇其中適應(yīng)值最大的個(gè)體取代原先個(gè)體。
作為本發(fā)明大規(guī)模mimo系統(tǒng)壓縮感知信道估計(jì)的導(dǎo)頻優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案,步驟4)中個(gè)體被選擇的概率s=0.9。
作為本發(fā)明大規(guī)模mimo系統(tǒng)壓縮感知信道估計(jì)的導(dǎo)頻優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案,步驟5)中執(zhí)行概率r=0.7。
作為本發(fā)明大規(guī)模mimo系統(tǒng)壓縮感知信道估計(jì)的導(dǎo)頻優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案,步驟6)中進(jìn)行概率v=0.6。
本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下技術(shù)效果:
在fdd大規(guī)模mimo系統(tǒng)的基于壓縮感知信道估計(jì)中,與使用隨機(jī)生成的導(dǎo)頻矩陣相比,使用本發(fā)明獲得的局部傅里葉矩陣能夠顯著地降低信道估計(jì)的均方誤差(meansquareerror,mse),提高信道估計(jì)的性能。
附圖說明
圖1是不同發(fā)射天線數(shù)目的導(dǎo)頻矩陣優(yōu)化與非優(yōu)化對重建性能的影響;
圖2是不同導(dǎo)頻數(shù)目的導(dǎo)頻矩陣優(yōu)化與非優(yōu)化對重建性能的影響。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
本發(fā)明大規(guī)模mimo系統(tǒng)壓縮感知信道估計(jì)的導(dǎo)頻優(yōu)化方法包含兩個(gè)主要技術(shù)問題,一個(gè)是將信道估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為壓縮感知問題,從而將導(dǎo)頻優(yōu)化問題建模為一壓縮感知中恢復(fù)矩陣優(yōu)化問題;另一個(gè)是提出導(dǎo)頻優(yōu)化算法,求解該恢復(fù)矩陣優(yōu)化問題,從而獲得最優(yōu)的導(dǎo)頻矩陣。下面分別介紹這兩個(gè)部分的實(shí)施方式,并通過仿真說明本導(dǎo)頻分配方法對提高基于壓縮感知信道估計(jì)性能的有益效果。
(一)導(dǎo)頻優(yōu)化準(zhǔn)則的獲取
考慮fdd模式下一個(gè)大規(guī)模mimo系統(tǒng),其信道為平坦衰落信道,基站有m個(gè)間隔半波長的均勻發(fā)射天線,小區(qū)內(nèi)每個(gè)用戶只有一根天線?;景l(fā)射長度為t的導(dǎo)頻訓(xùn)練序列。記第i個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)頻信號(hào)為xi∈cm×1,i=1,2,...,t,c為復(fù)數(shù)集,則n根天線上接收到的信號(hào)yi為:
yi=hxi+ni,i=1,2,...,t(1)
信道矩陣hi∈c1×m為準(zhǔn)靜態(tài)信道,ni∈cn×1為加性高斯噪聲。記x=[x1,x2,...,xt]∈cm×t,y=[y1,y2,..,yt]∈c1×t,n=[n1,n2,...,nt]∈c1×t有:
y=hx+n(2)
每導(dǎo)頻時(shí)隙信噪比記為p,t個(gè)導(dǎo)頻時(shí)隙總的信噪比為tr(xhx)=pt。
實(shí)際使用中,虛擬角域表示能夠使非線性的信道模型參數(shù)近似線性,對信道進(jìn)行虛擬表示處理以便于進(jìn)行分析和估計(jì)。非選擇性mimo信道的虛擬表示為:
其中,ar∈cn×n,at∈cm×m是酉矩陣,m是發(fā)射天線數(shù)目,n是接收天線數(shù)目,t為導(dǎo)頻數(shù)目,hω∈cn×m是角度域信道矩陣。hω是稀疏的,h為共軛轉(zhuǎn)置符號(hào)。
將式(2)轉(zhuǎn)換為壓縮感知模型,將
和
式(6)與有噪的壓縮感知模型(7)相對應(yīng):
y=ds+n(7)
其中m×1的s是稀疏信號(hào),d∈ct×m為恢復(fù)矩陣,n∈ct×1為加性高斯噪聲,y∈ct×1為有噪的觀測向量。稀疏信號(hào)s求解問題可轉(zhuǎn)化為:
ε為接近零的正常數(shù)。
可以得到:虛擬角域變換后的導(dǎo)頻矩陣
為了對壓縮感知問題求解,若恢復(fù)矩陣d滿足互相關(guān)性,此時(shí)就能以很大的概率準(zhǔn)確重建稀疏信號(hào)。因此,測量矩陣優(yōu)化問題能夠以互相關(guān)性為依據(jù)。部分傅里葉矩陣滿足互相關(guān)特性,可以將其作為虛擬角域變換后的導(dǎo)頻矩陣
a為傅里葉矩陣的行序號(hào),b為傅里葉矩陣的列序號(hào)。從
按列將導(dǎo)頻矩陣
則gamma矩陣的最小的互相關(guān)值可表示為:
根據(jù)互相關(guān)的定義,矩陣γ不同兩列內(nèi)積的最大值即為
其中,ka為集合λ中的第a個(gè)元素且a=1,2,...,t,i,j為傅里葉矩陣
(二)導(dǎo)頻矩陣優(yōu)化算法
由于遺傳算法(geneticalgorithm,ga)中的離散性,ga非常適合解決組合優(yōu)化問題。下面我們就提出一種ga算法去獲得最優(yōu)的行索引集合。
選擇來自所有發(fā)射天線的行索引的方法如下:確定核心行索引集合λ={k1,k2,...,kt},使其具有盡可能小的互相關(guān)值。
在遺傳算法中,定義的個(gè)體不是行索引集合本身λ={k1,k2,...,kt},而是λ對應(yīng)的行索引間隔集合:
其中
我們提出的ga算法中采用的隨機(jī)通用采樣選擇操作、離散重組操作和基因變異操作與傳統(tǒng)的ga算法中操作類似。在隨機(jī)通用采樣選擇操作中,當(dāng)前種群中的適應(yīng)值最高的ps×s個(gè)個(gè)體被選擇出來,其中s為個(gè)體被選擇的概率,ps為種群尺寸。對選擇出來的ps×s個(gè)個(gè)體,再進(jìn)行下面的離散重組操作和基因變異操作。離散重組操作又稱為交叉操作,即以概率r從群體中選擇個(gè)體,每兩個(gè)一組,交換兩個(gè)個(gè)體的某些位(序列間隔隨機(jī)生成)從而產(chǎn)生兩個(gè)新的個(gè)體;基因變異操作是以較小的概率v對個(gè)體編碼串上的多個(gè)基因的值進(jìn)行改變,其中概率v定義為(改變數(shù)值的基因個(gè)數(shù))/(ps×s×len)。進(jìn)行完離散重組和基因變異操作后,得到了新的ps×s個(gè)個(gè)體,這些個(gè)體將取代當(dāng)前種群中適應(yīng)值最低的ps×s個(gè)個(gè)體,從而獲得下一代新的種群。
與傳統(tǒng)的ga算法相比,我們的ga算法引入了完善操作,它能夠改進(jìn)ga算法的局部搜索能力并加速算法收斂的速率。其過程為從現(xiàn)有群體里選擇出具有最大適應(yīng)值的10個(gè)個(gè)體,并對每個(gè)個(gè)體進(jìn)行如下的操作:1)每個(gè)個(gè)體中隨機(jī)選擇出4個(gè)元素,對這4個(gè)元素同時(shí)增加1、2、3,或者同時(shí)減小1、2、3,從而獲得6個(gè)新的個(gè)體;2)在原個(gè)體和新的6個(gè)個(gè)體中,選擇出適應(yīng)值最大的個(gè)體取代原先選擇出來的個(gè)體。詳細(xì)的解決式(13)的ga算法如下述的算法1所示。
算法1使用ga算法搜索優(yōu)化的行索引λopt
(a)初始化,設(shè)置參數(shù):種群尺寸ps,個(gè)體長度len=t-1,遺傳代數(shù)g=1,最大遺傳代數(shù)mg=10000,定義個(gè)體φ為行索引λ對應(yīng)的行索引間隔集合:
(b)執(zhí)行隨機(jī)通用采樣選擇操作,個(gè)體被選擇的概率為s=0.9;執(zhí)行離散重組操作,個(gè)體對間重組的概率為r=0.7;進(jìn)行概率為v=0.6的基因變異操作,基因的邊界為
(c)計(jì)算步驟(b)產(chǎn)生的種群數(shù)量為ps×s的新一代個(gè)體的適應(yīng)值,并用他們?nèi)〈蟹N群中適應(yīng)值最低的ps×s個(gè)個(gè)體,從而獲得新的種群。
(d)對步驟(c)獲得的種群執(zhí)行完善操作去獲取具有更高適應(yīng)值的個(gè)體。
(e)如果目前的遺傳代數(shù)g達(dá)到了預(yù)先定義的最大遺傳代數(shù)mg,則停止此算法;否則進(jìn)入步驟(b)。
(f)輸出:根據(jù)現(xiàn)有種群中具有最大適應(yīng)值的個(gè)體(行索引間隔)φopt計(jì)算出最優(yōu)的行索引集合λopt,行索引集合λopt中的元素通過
(三)仿真結(jié)果
基于仿真需要,仿真中使用的虛擬角域信道矩陣hω采用3gpp的空間信道模型(spatialchannelmodelscm)并基于城市微蜂窩場景生成。導(dǎo)頻長度為t,基站發(fā)射天線數(shù)目為m,信號(hào)稀疏度k。仿真中,導(dǎo)頻序列采用時(shí)分方式發(fā)送。信道矩陣hω是稀疏的,令稀疏度k為6。如式(2)所示,基站發(fā)射信號(hào)y至用戶,根據(jù)式(4)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合壓縮感知模型形式的
mse定義為:
其中
1)我們研究基站發(fā)射天線數(shù)目不同時(shí),導(dǎo)頻矩陣優(yōu)化對信道估計(jì)mse的改善情況。將通過ga算法優(yōu)化得到的導(dǎo)頻和用隨機(jī)生成方式獲得的未優(yōu)化導(dǎo)頻分別用于系統(tǒng)中來比較起信道估計(jì)mse性能??紤]導(dǎo)頻數(shù)目t=30,基站發(fā)射天線數(shù)目m分別為100,200。由圖1可以看出,隨著基站發(fā)射天線數(shù)目的增加,信道矩陣的估計(jì)性能變差,即m=100時(shí)的信道估計(jì)性能比m=200好。由圖1可知,優(yōu)化導(dǎo)頻能大大改善mse性能,如:在snr為25db-30db時(shí),當(dāng)發(fā)送天線數(shù)m=200時(shí),與使用未優(yōu)化導(dǎo)頻相比,使用ga優(yōu)化的導(dǎo)頻能夠降低信道估計(jì)的mse約2db-3db;在snr為25db-30db時(shí),當(dāng)發(fā)送天線數(shù)m=100時(shí),與未優(yōu)化隨機(jī)生成的導(dǎo)頻相比,使用ga優(yōu)化的導(dǎo)頻能夠降低信道估計(jì)的mse約4.5db-6db。因此,用ga優(yōu)化的導(dǎo)頻比未優(yōu)化隨機(jī)生成的導(dǎo)頻對信道估計(jì)mse的改善更明顯,效果更好。
2)研究不同導(dǎo)頻數(shù)目情況下的優(yōu)化導(dǎo)頻矩陣對信道估計(jì)性能的影響?;景l(fā)射天線數(shù)目m選為100,選取導(dǎo)頻數(shù)t目分別為20,30。由圖2可以看出,隨著導(dǎo)頻數(shù)目的增加,信道矩陣的性能得到改善,即t=30時(shí)的信道估計(jì)性能比t=20好。圖2結(jié)果還表明,不同導(dǎo)頻符號(hào)數(shù)目下,導(dǎo)頻的優(yōu)化與不優(yōu)化之間的性能均存在很明顯的差異。在snr為25db時(shí),當(dāng)導(dǎo)頻t=20時(shí),與未優(yōu)化的隨機(jī)生成導(dǎo)頻相比,使用ga優(yōu)化的導(dǎo)頻可以使得mse降低約4.5db;當(dāng)t=30時(shí),與未優(yōu)化的隨機(jī)生成導(dǎo)頻相比,使用ga優(yōu)化的導(dǎo)頻可以使得mse降低6.5db。
從仿真中可以看出,在高信噪比時(shí),即snr大于15db時(shí),無論是導(dǎo)頻數(shù)目變化還是基站發(fā)射天線變化,使用優(yōu)化的導(dǎo)頻矩陣都能有效的降低信道估計(jì)的mse。
本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是,除非另外定義,這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是,諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義,并且除非像這里一樣定義,不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。
以上所述的具體實(shí)施方式,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。