一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法，包括以下步骤：首先获取多输入多输出(MIMO)系统的参数，建立MIMO系统天线选择问题的数学模型；接着利用光滑近似(SA)思想将MIMO系统天线选择问题转化为光滑问题，迭代求解该问题，完成天线选择；最后，对所选择的MIMO子系统进行最优预编码设计。本发明专利技术利用光滑近似思想设计MIMO系统联合预编码和天线选择，能够在获得良好系统信噪比的情况下实现快速的天线选择。

A method of joint precoding and antenna selection for MIMO systems based on smooth approximation

The invention discloses a selection method combined pre MIMO system encoding and antenna approximation based on the idea, which comprises the following steps: first acquiring multiple input multiple output (MIMO) system parameters, the establishment of MIMO system with antenna selection mathematical model of the problem; then use the smooth approximation (SA) theory MIMO system antenna selection problem into a smooth, iterative solution of the problem, complete the antenna selection; finally, the optimal design of pre encoding of MIMO subsystem selected. The invention uses the idea of smooth approximation to design joint precoding and antenna selection of a MIMO system, and enables rapid antenna selection in the case of a good system signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法
本专利技术涉及移动通信
，具体涉及一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法。
技术介绍
近年来，人们对无线通信的需求日益增高，而现有无线系统已逐渐难以满足需求，下一代无线系统(5G)的研究愈发迫切。作为下一代无线通信系统的关键技术之一，大规模多输入多输出系统(massiveMIMO)的研究吸引了越来越多的研究者。大规模MIMO天线数量增多会增加射频链路数量，这极大的增加了系统成本和复杂度。解决该问题的一个有效方案就是天线选择。该技术在保留MIMO系统大多数优点的前提下有效地降低了系统成本和复杂度。然而，天线选择问题本身是一个NP-hard问题，求解该问题需要依赖遍历搜索方法，否则无法得到全局最优解。而遍历搜索方法会使得计算时间复杂度随天线数量指数增加，在大规模MIMO中难以在相干时间内计算出最佳的天线选择方案，因此降低时间复杂度的天线选择算法在大规模MIMO中极为重要。因此本专利技术利用光滑近似(SA)思想解决天线选择中的NP-hard问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法，本专利技术考虑了MIMO系统天线选择中NP-hard问题以及遍历搜索计算复杂度过高的问题，可以保证在获得良好系统信噪比的情况下实现快速的天线选择。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法，该方法包括如下步骤：(1)：获取多输入多输出(MIMO)系统参数：基站(BS)发射天线数N、移动终端接收天线数M、发射机从N个发射天线中选择的发射天线数K、最大发射功率P；(2)：利用导频方法进行信道估计得到信道矩阵初始化收敛阈值ε、功率约束向量x、近似光滑系数β；(3)：利用光滑近似思想，得到光滑的MIMO系统天线选择优化问题：其中x为优化变量，ρ为对偶优化变量，hi为信道矩阵H的第i列；(4)：近似求解问题(1a)的内层优化问题，得到启发式解ρ*：其中(|xHhi|2)K为所有|xHhi|2(i＝1，…，N)中第K大的元素；然后根据下述迭代式子更新x；其中，xk为第k次迭代中x的值，如果满足条件||xk-xk+1||2≤ε，执行步骤5，否则重复步骤4；(5)：根据步骤4得到x，计算|xHhi|2，取最大的K个值对应的索引号作为天线选择集合I：(6)：根据步骤5得到天线选择集合I，形成相应的MIMO子系统进行预编码处理即HI＝H(：，I)，对HI进行特征值分解，令最大特征值对应的特征向量为v，取作为预编码向量。与现有技术相比，本专利技术有益效果：本专利技术首先利用光滑近似(SA)思想将天线选择中的NP-hard问题转化成光滑问题，然后迭代求解该问题，完成天线选择；最后对所选择的MIMO子系统进行最优预编码设计。本专利技术利用SA，能够在获得良好系统信噪比的情况下实现快速的天线选择。附图说明图1是本专利技术实施例多输入多输出(MIMO)系统模型图。图2是本专利技术实施例采用光滑近似(SA)的具体流程图。图3是本专利技术实施例最大信噪比和天线规模关系图。图4是本专利技术实施例算法运行时间和天线规模关系图。具体实施方式为了使本专利技术的目的和效果更加清楚，下面结合附图对本专利技术方法的具体实施方式进行详细说明。如图1所示，考虑多输入多输出(MIMO)系统，该系统信号从一个包含N个发射天线的基站(BS)传输到一个有M个接收天线的移动终端，假设任意发射天线和接收天线间的信道是平坦衰落的，则M×N基带信道复矩阵记作G＝[g1g2…gM]H(1)其中是一个包含N个发射天线和第m个接收天线间信道系数的复数行向量，m＝1，2，…，M。接收机有信道矩阵G的信息。基于接收机的反馈，发射机选择K(从N个中)个发射天线并使用总功率约束来进行预编码，并传输信号我们可以等价地说它使用一个预编码向量v∈VN，服从约束||v||0＝K，其中VN＝{v∈CN：||v||≤1}(2)那么下变频的脉冲匹配滤波接收到的M×1的向量为：其中是一个零均值加性有色复噪声向量，它的自相关矩阵记作R。由于y代表一个在有色噪声干扰下的未知信号向量，最大化信噪比滤波器就是最小均方差(MMSE)滤波器其输出为那么输出信噪比就是其中是M×N的变换后的信道矩阵。等式(6)显示了先验信噪比与预编码向量的关系。我们的目标是选择K个基站天线并优化预编码向量v以最大化先验信噪比(6)。也就是，我们寻找下面问题的解v由于问题(7)中存在||v||0＝K约束项，导致问题(7)为一个NP-hard问题。求解该问题需要依赖遍历搜索方法，否则无法得到全局最优解。而遍历搜索方法会使得计算时间复杂度随天线数量指数增加，在MIMO中难以在相干时间内计算出最佳的天线选择方案。因此，本专利技术利用光滑近似(SA)思想求解天线选择问题。下面介绍SA具体转化方法：用hi表示H的第i列，对于任何向量u∈RN×1，定义Du为以u中元素为对角元素的对角阵。于是问题(7)转化为：其中λmax(A)表示A的最大的奇异值。由于λ(AB)＝λ(BA)，并且DuDu＝Du，问题(8)可以写成：考虑到Du是对角元素由K个1和N-K个0构成的对角阵，可以得到：根据拉格朗日对偶定理，有：其中(a)+＝max(a，0)，将上式代入问题(10)可得：问题(12)等价于问题(8)，但是问题(12)不是光滑问题，利用光滑近似思想将该问题转化为一个光滑问题，其中β为近似光滑系数：因此，根据上述转化步骤利用光滑近似思想可以将原NP-hard问题(7)转化为光滑问题：图2给出了上述光滑近似(SA)思想的算法流程图。具体地，可以描述如下：一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法包括如下步骤：(1)：获取多输入多输出(MIMO)系统参数：基站(BS)发射天线数N、移动终端接收天线数M、发射机从N个发射天线中选择的发射天线数K、最大发射功率P；(2)：利用导频方法进行信道估计得到信道矩阵初始化收敛阈值ε、功率约束向量x、近似光滑系数β；(3)：利用光滑近似思想，得到光滑的MIMO系统天线选择优化问题：其中x为优化变量，ρ为对偶优化变量，hi为信道矩阵H的第i列；(4)：近似求解问题(1a)的内层优化问题，得到启发式解ρ*：其中(|xHhi|2)K为所有|xHhi|2(i＝1，…，N)中第K大的元素；然后根据下述迭代式子更新x；其中，xk为第k次迭代中x的值，如果满足条件||xk-xk+1||2≤ε，执行步骤5，否则重复步骤4；(5)：根据步骤4得到x，计算|xHhi|2，取最大的K个值对应的索引号作为天线选择集合I：(6)：根据步骤5得到天线选择集合I，形成相应的MIMO子系统进行预编码处理即HI＝H(：，I)，对HI进行特征值分解，令最大特征值对应的特征向量为v，取作为预编码向量。下面通过具体实例对本专利技术的技术方案进行进一步阐述。实验中，采用10-2(10根发射天线，2根接收天线和选择发射天线数量)，20-2，30-2，40-2，50-2，60-2，70-2，80-2，90-2，100-2，进行算法验证。具体地，使用下面的实验参数：收敛阈值ε取值范围0.0001-0.1，功率约束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)：获取多输入多输出(MIMO)系统参数：基站(BS)发射天线数N、移动终端接收天线数M、发射机从N个发射天线中选择的发射天线数K、最大发射功率P；(2)：利用导频方法进行信道估计得到信道矩阵

【技术特征摘要】
1.一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)：获取多输入多输出(MIMO)系统参数：基站(BS)发射天线数N、移动终端接收天线数M、发射机从N个发射天线中选择的发射天线数K、最大发射功率P；(2)：利用导频方法进行信道估计得到信道矩阵初始化收敛阈值ε、功率约束向量x、近似光滑系数β；(3)：利用光滑近似思想，得到光滑的MIMO系统天线选择优化问题：其中x为优化变量，ρ为对偶优化变量，hi为信道矩阵H的第i列；(4)：近似求解问...

【专利技术属性】
技术研发人员：王维维，赵明杰，史清江，徐伟强，吴呈瑜，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33