基于大规模mimo系统的天线选择方法

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基于大规模mimo系统的天线选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信大规模多输入多输出(Massive MM0)系统,具体涉及一种基 于大规模MMO系统的天线选择方法。
【背景技术】
[0002] 大规模MMO技术可以显著地提升系统性能。但是,在实际系统中,由于考虑到 实际物理限制和实现该系统的复杂度,基站端的服务天线数目不能武断地增加至无穷大。 此外,系统实现的成本也应当考虑到。给基站增加更多的服务天线通常是非常廉价的,并 且增加额外的数字信号处理单元也越来越便宜。然而,射频(Radio Frequency,RF)链 路模块中的器件,例如:射频低噪声放大器,数字上/下变频转换器(Digital Frequency Up Converter,DUC/Digital Frequency Down Converter,DDC),模数 / 数模转换器 (Analog-t〇-digital Converter,ADC/Digital-to-analog Converter,DAC),成本是相当 高的。对于一个大规模MIMO系统,为基站所有的服务天线配置射频链路是非常昂贵的。
[0003] 天线选择技术是可以有效降低系统复杂度和实现成本的信号处理技术,并且在选 择天线后可以一定程度上保留系统绝大部分优良的性能。在传统的基站服务天线数目比较 小的MMO系统中,天线选择技术已经被广泛的研宄和讨论。研宄主要集中在如何从N根天 线中选择Q根性能所谓最优的天线,然后上/下行传输信号,并加以处理。通过这个过程使 得所需要的射频链路的数目由N个降至Q个,通过天线选择技术保留主要的天线,所以系统 仍然保留了绝大部分MMO技术的优良性质。
[0004] 天线选择技术必须有选择天线的标准,可以是最大化信道容量准则,接收机信噪 比最大化准则,最小化特征值展开,或者最小化误码率。当选取最大化信道容量为天线选择 标准,天线选择的最优方法通过穷举法将所有可能的服务天线组合的信道容量计算出来, 从N根服务天线中选择Q根具有最大信道容量的天线组合。此时需要计算的组合数等于
>随着服务天线数目的增加,采用最优方法将导致复杂度和系统时延的大幅增加。一 种次优的天线选择算法可以降低系统复杂度和时延,称之为降序法(Descending Order)。 初始时,该算法将可选服务天线的整个集合的信道容量计算得到,然后在每一步中删除掉 一根天线,所以称为降序法。在迭代的每一步中,为系统容量贡献最少的天线将被删除,直 至剩余天线数达到所需要求,则迭代结束。降序法具有较高的选择精确度。另一种次优的 天线选择算法与降序法相对,称之为升序法(Ascending Order)。该算法首先选择具有最高 信道容量的一根天线,然后在迭代的每一步中,选择为系统容量贡献最大的一根天线,直至 所选天线数达到所需要求则迭代结束。
[0005] 上述两种低复杂度的次优算法均需要迭代,并且在迭代过程中不断地计算信道容 量,对于备选天线基数较大的大规模MMO系统,复杂度仍然很大。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于降低系统复杂度的同时保留较好的大规模MIMO系统性能,提 供一种基于大规模MMO系统的天线选择方法。
[0007] 为达到上述目的,本发明采用了以下技术方案:
[0008] 1)基站的所有服务用户向所述基站反馈信道状态信息;
[0009] 2)经过步骤1)后,假设所有选择天线的功率分配是均匀的,计算每一根备选的服 务天线所具有的信道容量,然后选出备选的服务天线中具有最大信道容量的天线,作为第 一根选择天线;然后,根据矩阵空间的性质,从备选的服务天线中再不断选择将空域资源利 用最充分的天线,直至达到所需天线个数为止。
[0010] 所述步骤1)中,所述基站从所有服务用户反馈得到精确的下行信道状态信息。
[0011] 所述所需天线个数与系统射频链路数相同。
[0012] 所述所需天线个数彡2。
[0013] 所述步骤2)具体包括以下步骤:
[0014] 2. 1)从备选服务天线集合^lt中选出信道容量最大的天线作为第一根选择天线, 并将第一根选择天线从备选服务天线集合^C lt :移入到已选择天线集合^Cel中;
[0015] 2. 2)求出已选择天线集合的信道矩阵Htemp中所有列构成空间零空间 S? temp'O,
[0016] 2. 3)求出空间在u的投影算子P ;
[0017] 2. 4)根据投影算子P计算备选服务天线集合^lt中所有天线的投影,取出具有最 大投影模值的天线,作为选择天线,并将该天线从备选服务天线集合? ^clt移入到已选择天 线集合中;
[0018] 2. 5)如果已选择天线个数没有达到所需天线个数,则重复步骤2. 2)至步骤2. 4); 否则,天线选择过程结束。
[0019] 本发明具有以下有益效果:
[0020] 本发明在进行天线选择过程中,考虑大规模MMO系统的基站配置有大量天线,在 基站已知完整的信道状态信息(CSI)的条件下,通过选择空域资源利用最充分的天线集 合,能够明显降低天线选择过程的复杂度,较好地保留大规模MMO系统的性能。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的系统模型图;
[0022] 图2为本发明与随机选择天线的信道容量比较图;
[0023]图3为本发明与同样基于最大化信道容量的升序法的信道容量比较图;
[0024]图4为本发明与基于最大化信道容量准则的最优方法的信道容量比较图;
[0025]图5为本发明和基于最大化信道容量准则的最优方法的信道容量的差值。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
[0027] 本发明方法适用的系统模型参见图1。考虑下行单小区多用户MIMO系统的场 景:基站配置有N根服务天线和Q个射频链路,同时同频为M个单天线用户服务,其中 Q <N,如图1中所示。假设基站可以得到基站到所有服务用户完整的信道状态信息。 基于完整的信道状态信息,依据最大化信道容量准则,从N根服务天线中选择出Q根所谓的 最优天线。将这选择好的Q根天线通过交换器与Q个射频链路一一对应连接。
[0028] 首先,^^表示所有备选服务天线的集合,不包括已选天线;^el为已选择天线集 合。初始化^lt和^61,令^CltS基站配置的所有服务天线的集合,为空集。
[0029] 步骤一:选择第一根天线。需要为每一根备选的服务天线计算其单天线所具有的 信道容量,信道容量为:
[0031] 其中Im为M阶单位矩阵;Ntl为噪声功率;E ,表示基站发射总功率;h alt;i表示第i 根备选天线的信道状态信息,H表示共轭转置,det表示求矩阵行列式。
[0032] 令H表示完整的信道状态信息(即信道矩阵),那么从N根服务天线中选择Q根天 线,等价于从矩阵H的全部N列中选择Q列,其中,列向量halt/ G CMxl (I <纟< 表示第i 个备选天线对应的下行信道状态信息,也是矩阵H中所选的第i列。
[0033] 当计算出所有单天线所具有的信道容量后,选出其中信道容量最大的那根天线, 作为第一根所选择的天线,该天线所对应的信道状态信息为h,表示为:
[0035]令已选择天
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