基于全双工双向mimo通信系统的发送天线选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信技术领域，特别是指一种基于全双工双向ΜΜ0通信系统的发送 天线选择方法。
【背景技术】
[0002] 日益增长的高速数据速率需求以及频谱资源的短缺促使现代通信技术朝着提升 无线资源利用率的方向发展。在众多新技术当中，全双工技术因其具有将频谱资源利用率 提升一倍的潜力而得到了广泛的关注。相比于传统的半双工技术（例如时分双工和频分双 工），全双工技术能够在相同的频率资源上同时传输上下行信息。但是，由于同端的发送信 号会对接收信号产生强烈的自干扰，系统的容量并不能得到理想地提升。这一问题促进了 自干扰消除技术的发展，当前的消除技术主要包括空间消除，模拟消除和数字消除。这些技 术的发展为全双工技术的实际应用奠定了基础。此外，ΜΙΜΟ技术能够在不增加发送功率的 条件下提升链路可靠性以及频谱利用率，因而在进十几年来一直是研究的热点问题。全双 工技术和ΜΙΜΟ技术的相同点为均采用多根天线，其二者的结合能够有效提升系统容量并 能简化自干扰消除技术的流程。
[0003] 随着ΜΜ0系统天线数目的增加，多射频链（包括低噪放大器、混频器以及模数转 换器）的成本成为系统主要的限制因素。天线选择技术能够在保证系统分集增益或是复用 增益的条件下，有效地减少所需射频链的数量。采用天线选择技术，有限的射频链能够动态 地被天线使用。对于全双工双向Μπω通信系统，天线数目的增加提升了自干扰消除设备的 成本和复杂度，因此，天线选择技术对于全双工收发设备具有重要意义。
[0004] 穷举搜索方法是现有技术中普遍使用的天线选择方法，其通过遍历所有可能的天 线子集获得最优的天线选择方案，但是其算法复杂度随着天线数目的增多按指数增长，该 方法在天线数目比较多时基本是不可实现的，实用性很差。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于全双工双向ΜΜ0通信系统的发送天 线选择方法，在保证系统容量的同时，有效地降低了算法的复杂度，具有很强的实用性。
[0006] 基于上述目的本发明提供的一种基于全双工双向ΜΜ0通信系统的发送天线选择 方法，包括步骤：
[0007] 根据全双工双向ΜΜ0系统建立其系统模型，并得出所述全双工双向ΜΜ0系统的 系统容量方程；
[0008] 构建以天线选择向量为参数，以天线选择后的系统容量方程为目标函数的优化问 题；
[0009] 利用logdet( ·)函数的一阶泰勒展开式得到系统容量的下界，所述系统容量的下 界为天线选择向量的凸函数；
[0010] 通过迭代的方式求解天线选择向量，在每一次迭代的过程中求解一次凸优化问 题，直至优化的天线选择向量收敛，得到最终的天线选择方案。
[0011] 优选的，所述系统模型包括：两个节点通过双向ΜΙΜΟ链路同时发送和接收信息； 第一节点配置Mt根发送天线Μ^根接收天线，第二节点配置Nt根发送天线Ν^根接收天线，第 一节点的发送和接收射频链数目分别为"和Lp第二节点的发送和接收射频链数目分别为 心和K其中，Μ,和N,分别大于L,和Kt，Mr和Nr分别与Lr和Kr相等。
[0012] 优选的，所述系统容量方程为：
[0014] 其中，信道矩阵taje{1，2})的元素服从零均值单位方差独立同分布的复高 斯分布 __
__ v是节点间通信信道，eC'^^PH22 表示同 端发送天线对接收天线的自干扰信道；ρ 〇和αη 〇(ie{1，2})表示节点i接收 端的信号噪声比和干扰噪声比，其中α是自干扰消除系数。
[0015] 优选的，构建所述优化问题的步骤进一步包括：
[0016] 定义发送天线选择标识为Au，它满足：
[0017]
[0018] 第一节点的发送天线选择矩阵~为一个MtXMt维对角矩阵，其对角线元素为 Auk;第一节点的发送天线选择矩阵Δ2 '与Λ渴有相似的构造形式；
[0019] 则，所述系统容量方程能够表示为：
[0020]
[0021] 其中，
[0022] 进一步的，以Δ$优化变量以系统容量Ctotal (ΔΔ2)为目标函数的优化问题构 造为如下的形式：
[0023]
[0024] 优选的，获得所述系统容量的下界的步骤进一步包括：
[0025] 通过logdet(I+X)函数在X。处的一阶泰勒展开式，得到所述系统容量的下界的等 价优化函数：
[0026]
[0028] 贝1J，所述优化问题转化为：
[0029]
[0030] 优选的，所述迭代求解天线选择向量的步骤进一步包括：
[0031] 将第η次凸优化的结果赋值给Af，ΔΡ,带入到第n+1次优化中去，直至优 化结果收敛。
[0032] 优选的，在每一次迭代中采用障碍法来解凸优化问题。
[0033] 从上面所述可以看出，本发明提供的基于全双工双向ΜΜ0通信系统的发送天线 选择方法，基于迭代凸优化的方式实现，通过本发明的方法能够有效地抑制由于天线数目 增多带来的全双工收发机射频链成本以及自干扰消除设备复杂度的上升，并能有效地利用 全双工技术和多天线技术带来的频谱利用率增益；相比于计算复杂度随着天线数目按指数 增长的穷举搜索天线选择方法，本发明提出的方法能以较低的计算法复杂度获得由穷举方 法逼近的系统容量，具有较强的实用性。
【附图说明】
[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0035] 图1为本发明实施例的基于全双工双向ΜΙΜΟ通信系统的发送天线选择方法流程 图；
[0036] 图2为本发明实施例中全双工双向ΜΜ0系统模型的示意图；
[0037] 图3为本发明实施例中迭代求解凸优化问题的方法流程图；
[0038] 图4为穷举搜索方法和本发明所述方法随着本发明所提算法的迭代次数的容量 变化曲线。
【具体实施方式】
[0039] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0040] 参考图1，为本发明实施例的基于全双工双向ΜΜ0通信系统的发送天线选择方法 流程图。
[0041] 本发明实施例提供了一种基于全双工双向Μπω通信系统的发送天线选择方法， 包括步骤：
[0042] 步骤101、根据全双工双向ΜΜ0系统建立其系统模型，并得出所述全双工双向 ΜΠΚ)系统的系统容量方程。
[0043] 本步骤中，首先建立全双工双向ΜΜ0系统的系统模型，参考图2,为本发明实施例 中全双工双向ΜΜ0系统模型的示意图。所述系统模型中，包括第一节点和第二节点两个节 点，即图2中的节点1和节点2,两个节点通过双向ΜΙΜΟ链路同时发送和接收信息。节点1 配置Mt根发送天线I根接收天线，节点2配置Nt根发送天线&根接收天线，节点1的发送 和接收射频链数目分别为"和Lp节点2的发送和接收射频链数目分别为&和K」其中，Mt 和队分别大于1^和1^，1^和^分别与1^和1^相等。信道矩阵!1^(1，_]_￡{1，2})的元素服 从零均值单位方差独立同分布的复高斯分布，H21 和H12 是节点间通信信 道，eC^'u4PH22 表示同端发送天线对接收天线的自干扰信道。
[0044] 节点1和节点2的发送信号分别记作S(i)eCM<xl和c(〇eC'VlXl，接收信号分别为 y}(t)eCA/,xlfPy,(t)eCA,xl ：
[0045]
[0046]
[0047] 其中，和!!#：^!^1为加性高斯白噪声向量，并满足如下条件
、代表XM3隹单位矩阵，与1麵类似。 Ρι>〇和aniXKie{1，2})表示节点i接收端的信号噪声比和干扰噪声比，其中α 是自干扰消除系数。
[0048] 节点1和