适用于大规模MIMO的天线选择方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于大规模MIMO的天线选择方法及系统，其中，所述方法包括如下步骤：在接收端估计信道参数，建立信道矩阵，并获得待选信道子矩阵和剩余信道矩阵；基于所述待选信道子矩阵和剩余信道矩阵之间的列交换，计算并获得符合条件的优选信道矩阵；将所述优选信道矩阵所标示的发射天线编号反馈到发射端。本发明专利技术显著降低了计算的复杂度，明显节约了计算空间，具有优异的使用性能，非常适合在大规模MIMO系统中应用。

【技术实现步骤摘要】
适用于大规模MIMO的天线选择方法及系统
本专利技术涉及无线多天线通信领域，尤其是一种能够适用于大规模MIMO的天线选择方法和系统
技术介绍
大规模MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)具有更高的传输速率，更强的链路可靠性，并能够显著地降低功率消耗，因此引起了人们的广泛关注，并成为下一代移动通信网络(5G)的候选技术之一。由于它能够在基站部署成千上百根的天线，一度困扰常规MIMO技术的难题，比如丰富的散射环境，对大规模MIMO来说已经不再是个问题，因为在这么巨大的信道空间中(用户天线数目的)独立信道一定会存在。但是，随着天线数目的增加，系统的造价以及相应信号处理的负担也越来越无法承受。为了降低造价，并减少相应的信号处理负担，同时最大限度地保留巨大数目的天线所带来的性能增益，使用发射天线选择技术就显得必不可少。使用发射天线选择技术，可以降低所需要的射频(RF)模块的数量，从而降低系统的造价，功率损耗，以及庞大的数字信号处理负担。虽然最优的发射天线子集可以通过穷举法来得到，但是，穷举法的计算复杂度随着可用天线数目的增加成指数级增长。所以说，在大规模的MIMO系统中，由于可用的天线数目过于庞大，穷举法是不实用的，有时甚至是无法使用的。在常规的MIMO系统中，也有很多低复杂度的，以获取一个次优解为目标的算法。但是，这些算法并不适合在大规模MIMO中实时应用。例如，有文献提出的算法受制于其“局部搜索”的特点，在一些极端的例子下会遭受可观的性能损失。另一些技术在实施的过程中存在很多的矩阵操作，并需要很大的计算空间，这同样不太适合在大规模MIMO系统中实时应用。算法能够在系统中实时应用需要相当的可靠性，并且需要在规定的时间和计算空间中完成。
技术实现思路
专利技术目的：一个目的是提供一种适用于大规模MIMO的天线选择方法，以解决现有技术的上述问题，降低复杂度和计算空间。另一个目的是提供一种适用于大规模MIMO的天线选择系统。技术方案：一种适用于大规模MIMO的天线选择方法，包括如下步骤：步骤1、估计信道参数，建立信道矩阵，并获得待选信道子矩阵和剩余信道矩阵；步骤2、基于所述待选信道子矩阵和剩余信道矩阵，计算并获得符合条件的优选信道矩阵；步骤3、将所述优选信道矩阵反馈到发射端。在进一步的实施例中，获得待选信道子矩阵包括：采用随机排列的方式从可用的发射天线中选择天线并建立选择矢量π＝randperm(Nt)；根据选择矢量π建立待选信道子矩阵Hsel＝H(：，π(1：Nr))和剩余信道矩阵Hleft＝H(：，(π(Nr+1：Nt)))；其中，Nt为可用的发射天线数量，H表示信道矩阵；Nr为接收天线数量；H(：，π)对矩阵H的列矢量根据向量π被重新排列后的矩阵，Hsel是矩阵H(：，π)的前Nr列，Hleft是其余的部分。在进一步的实施例中，所述步骤2具体为：计算判决矩阵计算W(i，：)×Hleft(：，j)；i＝1，2，…Nr；j＝1,2…Nt-Nr；如果|对任意的i，j；均有W(i，：)×Hleft(：，j)|大于1,则交换π(i)和π(j+Nr)的值,即交换Hsel的i列和Hleft的j列，并重新根据选择矢量π建立待选信道子矩阵和剩余信道矩阵；否则输出该矩阵，即为优选信道矩阵。在进一步的实施例中，迭代更新判决矩阵的步骤进一步为：其中ei表示第i个单位向量，Wn表示W第n次迭代时得到的矩阵，表示Hleft第n次迭代时得到的矩阵。一种适用于大规模MIMO的天线选择系统，包括：第一模块，用于估计信道参数，建立信道矩阵，并获得待选信道子矩阵和剩余信道矩阵；第二模块，用于基于所述待选信道子矩阵和剩余信道矩阵，计算并获得符合条件的优选信道矩阵；第三模块，用于将所述优选信道矩阵反馈到发射端。在进一步的实施例中，所述第一模块包括待选信道子矩阵确定模块，其采用随机排列的方式从可用的发射天线中选择天线并建立选择矢量π＝randperm(Nt)；根据选择矢量π建立待选信道子矩阵Hsel＝H(：，π(1：Nr))和剩余信道矩阵Hleft＝H(：，(π(Nr+1：Nt)))；其中，Nt为可用的发射天线数量，H表示信道矩阵；Nr为接收天线数量；H(：，π)对矩阵H的列矢量根据向量π被重新排列后的矩阵，Hsel是矩阵H(：，π)的前Nr列，Hleft是其余的部分。所述第二模块具体用于：计算判决矩阵计算W(i，：)×Hleft(：，j)；i＝1，2，…Nr；j＝1,2…Nt-Nr；如果|对任意的i，j；均有W(i，：)×Hleft(：，j)|大于1,则交换π(i)和π(j+Nr)的值,即交换Hsel的i列和Hleft的j列，并重新根据选择矢量π建立待选信道子矩阵和剩余信道矩阵；否则输出该矩阵，即为优选信道矩阵。所述第二模块采用如下方法迭代更新判决矩阵的步骤进一步为：其中ei表示第i个单位向量，Wn表示W第n次迭代时得到的矩阵，表示Hleft第n次迭代时得到的矩阵。有益效果：本专利技术显著降低了计算的复杂度，明显节约了计算空间，具有优异的使用性能，非常适合在大规模MIMO系统中应用。附图说明图1示出了本专利技术与现有技术所需的计算空间。图2示出了本专利技术的收敛速度。图3示出了本专利技术与现有技术的信道容量。图4示出了本专利技术与现有技术的遍历容量。具体实施方式本专利技术的适用于大规模MIMO的天线选择方法，包括如下步骤：建立一具有Nt根发射天线和Nr根接收天线的大规模MIMO系统，其具有丰富散射特性和准静态的衰落信道环境，其输入输出关系可以表示为：其中，r(t)为接收信号向量，rNr(t)表示该向量的第Nr个元素，s(t)为发射信号向量，sNr(t)表示该向量的第Nr个元素，w(t)为圆对称复高斯噪声向量，wNr(t)表示该向量的第Nr个元素，为信道矩阵，ρ为接收端的平均信噪比；由设定发射端没有瞬时的信道状态信息，发射机把它所能用的功率平均分配到各个发射天线上，对于一个给定的信道H，其信道容量可以表示为假设有Ns根天线从可用的Nt根天线中选出，且信道为准静态信道，因此准确的信道状态信息可以在接收端准确无误地获取。所以，在接收端进行的发射端天线选择可以有相当的准确度。在接收端，天线选择完成之后，所选择的天线的编号被通过一个有限速率的信道反馈到接收端。假设信道选择矢量π被定义为所有发射天线编号的一个排列。因此，被选择的信道矩阵和剩下的矩阵可以以matlab语言的方式写为Ｈsel＝H(：，π(1：Nr))，Hleft＝H(：，π(Nr+1：Nt))这里矩阵H(：，π）是对矩阵H的列矢量根据向量π被重新排列后的矩阵。显然被选择的矩阵Hsel是矩阵H(：，π）的前Nr列，Hleft是其余的部分。所以，经过发射天线选择之后的信道容量为对于基于信道容量最大化的发射天线选择方法来说，其目标就是找到一个最优的子矩阵Hopt，使得信道容量C(Hsel)达到最大。这个问题可以表述为问题(P1)在上式中，S(H)指矩阵H所有列数为Nr行数也为Nr的子矩阵。对于两个非负定矩阵A，B，我们有下列的关系式：det(A+B)≥det(A)+det(B)，显然，矩阵是非负定的，可以得到：因此，在信噪比ρ＞0dB时，我们可以通过求解下面的问题(P2)来求得问题(P1)的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于大规模MIMO的天线选择方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、在接收端估计信道参数，建立信道矩阵，并获得待选信道子矩阵和剩余信道矩阵；步骤2、基于所述待选信道子矩阵和剩余信道矩阵之间的列交换，计算并获得符合条件的优选信道矩阵；步骤3、将所述优选信道矩阵所标示的发射天线编号反馈到发射端。

【技术特征摘要】
1.一种适用于大规模MIMO的天线选择方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、在接收端估计信道参数，建立信道矩阵，并获得待选信道子矩阵和剩余信道矩阵；步骤2、基于所述待选信道子矩阵和剩余信道矩阵之间的列交换，计算并获得符合条件的优选信道矩阵；步骤3、将所述优选信道矩阵所标示的发射天线编号反馈到发射端；获得待选信道子矩阵包括：采用随机排列的方式从可用的发射天线中选择天线并建立选择矢量π＝randperm(Nt)；根据选择矢量π建立待选信道子矩阵Hsel＝H(：，π(1：Nr))和剩余信道矩阵Hleft＝H(：，(π(Nr+1：Nt)))；其中，Nt为可用的发射天线数量，H表示信道矩阵；Nr为接收天线数量；H(：，π)为对矩阵H的列矢量根据向量π重新排列后的矩阵，Hsel是矩阵H(：，π)的前Nr列，Hleft是其余的部分；所述步骤2具体为：计算判决矩阵计算W(i，：)Hleft(：，j)；i＝1，2，…Nr；j＝1,2…Nt-Nr；如果对任意的i，j，有|W(i，：)Hleft(：，j)|大于1,则交换π(i)和π(j+Nr)的值,即交换Hsel的i列和Hleft的j列，并重新根据选择矢量π建立待选信道子矩阵和剩余信道矩阵；否则输出该待选信道子矩阵，即为优选信道矩阵；迭代更新判决矩阵的步骤进一步为：其中ei表示第i个元素为1的单位向量，Wn表示W第n次迭代时得到的矩阵，表示Hleft第n次迭代时得到的矩阵。2.一种适用于大规模...

【专利技术属性】
技术研发人员：方冰，钱祖平，邵尉，钟卫，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32