基于大規(guī)模mimo系統(tǒng)的天線選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MM0)系統(tǒng)，具體涉及一種基 于大規(guī)模MMO系統(tǒng)的天線選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大規(guī)模MMO技術(shù)可以顯著地提升系統(tǒng)性能。但是，在實(shí)際系統(tǒng)中，由于考慮到 實(shí)際物理限制和實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的復(fù)雜度，基站端的服務(wù)天線數(shù)目不能武斷地增加至無窮大。 此外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本也應(yīng)當(dāng)考慮到。給基站增加更多的服務(wù)天線通常是非常廉價(jià)的，并 且增加額外的數(shù)字信號處理單元也越來越便宜。然而，射頻（Radio Frequency，RF)鏈 路模塊中的器件，例如：射頻低噪聲放大器，數(shù)字上/下變頻轉(zhuǎn)換器（Digital Frequency Up Converter，DUC/Digital Frequency Down Converter，DDC)，模數(shù) / 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (Analog-t〇-digital Converter，ADC/Digital-to-analog Converter，DAC)，成本是相當(dāng) 高的。對于一個(gè)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，為基站所有的服務(wù)天線配置射頻鏈路是非常昂貴的。
[0003] 天線選擇技術(shù)是可以有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本的信號處理技術(shù)，并且在選 擇天線后可以一定程度上保留系統(tǒng)絕大部分優(yōu)良的性能。在傳統(tǒng)的基站服務(wù)天線數(shù)目比較 小的MMO系統(tǒng)中，天線選擇技術(shù)已經(jīng)被廣泛的研宄和討論。研宄主要集中在如何從N根天 線中選擇Q根性能所謂最優(yōu)的天線，然后上/下行傳輸信號，并加以處理。通過這個(gè)過程使 得所需要的射頻鏈路的數(shù)目由N個(gè)降至Q個(gè)，通過天線選擇技術(shù)保留主要的天線，所以系統(tǒng) 仍然保留了絕大部分MMO技術(shù)的優(yōu)良性質(zhì)。
[0004] 天線選擇技術(shù)必須有選擇天線的標(biāo)準(zhǔn)，可以是最大化信道容量準(zhǔn)則，接收機(jī)信噪 比最大化準(zhǔn)則，最小化特征值展開，或者最小化誤碼率。當(dāng)選取最大化信道容量為天線選擇 標(biāo)準(zhǔn)，天線選擇的最優(yōu)方法通過窮舉法將所有可能的服務(wù)天線組合的信道容量計(jì)算出來， 從N根服務(wù)天線中選擇Q根具有最大信道容量的天線組合。此時(shí)需要計(jì)算的組合數(shù)等于
>隨著服務(wù)天線數(shù)目的增加，采用最優(yōu)方法將導(dǎo)致復(fù)雜度和系統(tǒng)時(shí)延的大幅增加。一 種次優(yōu)的天線選擇算法可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度和時(shí)延，稱之為降序法（Descending Order)。 初始時(shí)，該算法將可選服務(wù)天線的整個(gè)集合的信道容量計(jì)算得到，然后在每一步中刪除掉 一根天線，所以稱為降序法。在迭代的每一步中，為系統(tǒng)容量貢獻(xiàn)最少的天線將被刪除，直 至剩余天線數(shù)達(dá)到所需要求，則迭代結(jié)束。降序法具有較高的選擇精確度。另一種次優(yōu)的 天線選擇算法與降序法相對，稱之為升序法（Ascending Order)。該算法首先選擇具有最高 信道容量的一根天線，然后在迭代的每一步中，選擇為系統(tǒng)容量貢獻(xiàn)最大的一根天線，直至 所選天線數(shù)達(dá)到所需要求則迭代結(jié)束。
[0005] 上述兩種低復(fù)雜度的次優(yōu)算法均需要迭代，并且在迭代過程中不斷地計(jì)算信道容 量，對于備選天線基數(shù)較大的大規(guī)模MMO系統(tǒng)，復(fù)雜度仍然很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于降低系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)保留較好的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能，提 供一種基于大規(guī)模MMO系統(tǒng)的天線選擇方法。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0008] 1)基站的所有服務(wù)用戶向所述基站反饋信道狀態(tài)信息；
[0009] 2)經(jīng)過步驟1)后，假設(shè)所有選擇天線的功率分配是均勻的，計(jì)算每一根備選的服 務(wù)天線所具有的信道容量，然后選出備選的服務(wù)天線中具有最大信道容量的天線，作為第 一根選擇天線；然后，根據(jù)矩陣空間的性質(zhì)，從備選的服務(wù)天線中再不斷選擇將空域資源利 用最充分的天線，直至達(dá)到所需天線個(gè)數(shù)為止。
[0010] 所述步驟1)中，所述基站從所有服務(wù)用戶反饋得到精確的下行信道狀態(tài)信息。
[0011] 所述所需天線個(gè)數(shù)與系統(tǒng)射頻鏈路數(shù)相同。
[0012] 所述所需天線個(gè)數(shù)彡2。
[0013] 所述步驟2)具體包括以下步驟：
[0014] 2. 1)從備選服務(wù)天線集合^lt中選出信道容量最大的天線作為第一根選擇天線， 并將第一根選擇天線從備選服務(wù)天線集合^C lt :移入到已選擇天線集合^Cel中；
[0015] 2. 2)求出已選擇天線集合的信道矩陣Htemp中所有列構(gòu)成空間零空間 S? temp'O,
[0016] 2. 3)求出空間在u的投影算子P ;
[0017] 2. 4)根據(jù)投影算子P計(jì)算備選服務(wù)天線集合^lt中所有天線的投影，取出具有最 大投影模值的天線，作為選擇天線，并將該天線從備選服務(wù)天線集合? ^clt移入到已選擇天 線集合中；
[0018] 2. 5)如果已選擇天線個(gè)數(shù)沒有達(dá)到所需天線個(gè)數(shù)，則重復(fù)步驟2. 2)至步驟2. 4); 否則，天線選擇過程結(jié)束。
[0019] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0020] 本發(fā)明在進(jìn)行天線選擇過程中，考慮大規(guī)模MMO系統(tǒng)的基站配置有大量天線，在 基站已知完整的信道狀態(tài)信息（CSI)的條件下，通過選擇空域資源利用最充分的天線集 合，能夠明顯降低天線選擇過程的復(fù)雜度，較好地保留大規(guī)模MMO系統(tǒng)的性能。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明與隨機(jī)選擇天線的信道容量比較圖；
[0023]圖3為本發(fā)明與同樣基于最大化信道容量的升序法的信道容量比較圖；
[0024]圖4為本發(fā)明與基于最大化信道容量準(zhǔn)則的最優(yōu)方法的信道容量比較圖；
[0025]圖5為本發(fā)明和基于最大化信道容量準(zhǔn)則的最優(yōu)方法的信道容量的差值。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0027] 本發(fā)明方法適用的系統(tǒng)模型參見圖1?？紤]下行單小區(qū)多用戶MIMO系統(tǒng)的場 景：基站配置有N根服務(wù)天線和Q個(gè)射頻鏈路，同時(shí)同頻為M個(gè)單天線用戶服務(wù)，其中 Q <N，如圖1中所示。假設(shè)基站可以得到基站到所有服務(wù)用戶完整的信道狀態(tài)信息。 基于完整的信道狀態(tài)信息，依據(jù)最大化信道容量準(zhǔn)則，從N根服務(wù)天線中選擇出Q根所謂的 最優(yōu)天線。將這選擇好的Q根天線通過交換器與Q個(gè)射頻鏈路一一對應(yīng)連接。
[0028] 首先，^^表示所有備選服務(wù)天線的集合，不包括已選天線；^el為已選擇天線集 合。初始化^lt和^61，令^CltS基站配置的所有服務(wù)天線的集合，為空集。
[0029] 步驟一：選擇第一根天線。需要為每一根備選的服務(wù)天線計(jì)算其單天線所具有的 信道容量，信道容量為：
[0031] 其中Im為M階單位矩陣；Ntl為噪聲功率；E ,表示基站發(fā)射總功率；h alt;i表示第i 根備選天線的信道狀態(tài)信息，H表示共軛轉(zhuǎn)置，det表示求矩陣行列式。
[0032] 令H表示完整的信道狀態(tài)信息（即信道矩陣），那么從N根服務(wù)天線中選擇Q根天 線，等價(jià)于從矩陣H的全部N列中選擇Q列，其中，列向量halt/ G CMxl (I <纟< 表示第i 個(gè)備選天線對應(yīng)的下行信道狀態(tài)信息，也是矩陣H中所選的第i列。
[0033] 當(dāng)計(jì)算出所有單天線所具有的信道容量后，選出其中信道容量最大的那根天線， 作為第一根所選擇的天線，該天線所對應(yīng)的信道狀態(tài)信息為h，表示為：
[0035]令已選擇天