专利名称：一种基于全交叉权重遗传算法的天线选择方法
技术领域：
本发明涉及一种基于全交叉权重遗传算法的天线选择方法，尤其涉及一种基于全交叉权重遗传算法的LTE-A天线选择方法，属于无线移动通信领域。
背景技术：
TD-LTE是移动通信技术发展的一个里程碑，已经在瑞典、日本得到商业推广。作为准4G技术，LTE在传输速率、延迟、终端体验、运营成本等指标上都做出了显著的进步。随着技术的进步，新一代移动通信网络具有更完备的网络覆盖、更高速率的数据服务能力及综合实时多媒体业务，以及在更复杂的无线环境下为用户提供更优良的网络服务。多输入多输出MIMO技术是LTE的一个关键部分。运用MIMO技术，通信系统可以在不增加通信带宽以及发送功率的情况下，通过空分复用或者利用空间多样性等方法，大幅度提升系统的传输速率或者降低误比特率。然而阻碍MIMO技术推广的一大难题是随着总天线数量的增加，包含放大器转换器等元件的射频链路也要逐渐增加，因此会增加通信系统的成本。为了克服这个问题，研究者们提出了多种天线选择算法，力求在少量损失性能的情况下有效降低所需射频链路数， 从而节约通信系统成本。常用的天线选择算法有以下几类遍历搜索天线选择这种方法找寻所有可能的收发天线组合，通过计算每种组合对应子集的信道容量，选出拥有最高信道容量的天线组合。这种方法可达到最优选择结果， 但同时计算复杂度也随着天线数量的增加指数上升，在天线数量较大时复杂度将变得极大。解耦式发送端/接收端天线选择这类天线选择方法在发送端和接收端分别计算最优天线选择方案，能够大量的减少计算复杂度。但同时这类算法的性能损失也很大。快速联合收发天线选择此类算法是解耦式收发天线选择算法的拓展，能够针对收发端天线一起进行天线选择，是一种连续选择机制。此类算法同样有着较低的运算复杂度，可与最优天线选择算法相比，性能损失还是很大。遗传算法天线选择遗传算法在工程学中经常被用于解决复杂的最优化问题，当天线阵规模较大时在天线选择时很有优势。遗传算法用带有权值的染色体来表示每根天线在选取时的优先级，并用交叉、变异等一系列操作来在解空间里进行搜索。能够提供接近于最优解的结果。在已有遗传算法中，简单遗传算法天线选择在进行完交叉、变异操作后，会出现选出的天线数量与目标天线数量不同的问题。随后研究者们提出了权重遗传算法，该算法通过赋予天线对应的染色体基因以不同的权重，选出优先权最高的若干根天线作为目标天线；然而此算法中权重都是取整数值，很容易在交叉操作后出现多根天线拥有相同优先级数值的问题，需要额外增加排序重填操作，增加了系统的复杂度。此后，又有研究者提出了实值权重遗传算法，通过将基因的优先级数值设为实数，解决了此问题，在降低复杂度的同时也对选择效果有一定提高，然而其性能和最优方法——穷举搜索相比，还是有一定差距。
发明内容
本发明的目的是为了提高现有遗传算法应用于天线选择方面的性能，降低系统的计算复杂度以及硬件复杂度，针对LTE-A中的MIMO无线通信系统提出一种基于全交叉权重遗传算法的天线选择方法。本发明是通过以下技术方案实现的。本发明一种基于全交叉权重遗传算法的天线选择方法，采用基于实数权值的遗传算法对LTE-A中的MIMO系统天线进行选择，将一条染色体表示所有天线的优先权，并且每根天线对应一个带有权值的基因，通过遗传算法中的交叉、变异、优胜劣汰等操作，对可能的天线选择方式进行搜索，具体步骤如下1) LTE-A中的MIMO系统生成Q根染色体，Q为每一代的种群数量，每一根染色体均包含(Νκ+Ντ)个基因，其中NK、Nt分别为LTE-A中的MIMO系统的接收天线和发送天线的数量；每个基因都有一个零均值标准正态分布的变量ρ做优先级，每个基因的优先级用式(1) 给出；
权利要求
1. 一种基于全交叉权重遗传算法的天线选择方法，其特征在于其具体步骤为1)LTE-A中的MIMO系统生成Q根染色体，Q为每一代的种群数量，每一根染色体均包含 (Ne+Nt)个基因，其中NK、Nt分别为LTE-A中的MIMO系统的接收天线和发送天线的数量；每个基因都有一个零均值标准正态分布的变量P做优先级，每个基因的优先级用下式给出；P = Ν(0，σ2)其中ο2是P的方差；2)对每根染色体用下面下式计算适应度值，即计算出每根染色体对应天线矩阵的信道容量c^ga表示为—E —H —Cacga = max Iog2 det(/^ +-^-Hacga(ρ)Hacga(ρ))P^*^ LtN0其中，acga代表本发明提出的全交叉权重遗传算法，是从总信道矩阵H中选出的Lk行、Lt列的子块矩阵，互的优先权向量P = [A,凡,...,/ ,Ap1,…,；^+ ]，表示与 Nk根接收天线和Nt根发送天线相匹配的优先级数值向量，P中前 个元素中，优先级按从大到小顺序排列的前Lk个元素对应的接收天线被选出作为Iaega矩阵的行，P中后Nt个元素中，优先级按从大到小顺序排列的前Lt个元素对应的发送天线被选出作为Iaega矩阵的列；R为实数域，I为单位矩阵，N0为单边噪声功率谱密度，Es为每比特内的发送信号功率， Lt为发送端预期选出的天线数，Ieir/表示^aega的Hermit矩阵；3)将这Q根染色体中适应度值最高的T根染色体放入交配池等待进行下一步交配繁衍，T为交配池的规模；4)为适应度值越高的染色体分配越高的被选出概率，然后从交配池里随机抽取染色体进行两两交配；要进行交配的两个染色体所有基因的权重都以随机变量r为比例交换，r服从W，1.5]的正态分布，具体为设定P1和P2是随机抽取的两个父代染色体，而α i和β i分别为P1和P2上对应位置的基因，则子代染色体第i个基因分别变为r · α i+(l-r) · β i和r · β ^(1-r) -Qi55)构建一个IX(NK+NT)的序列作为变异字罩，由以rm概率生成的“1”和以(l_rm)概率生成的“O”组成，rm为每个基因的变异概率；变异字罩中的元素为“1”时，染色体中相应位置的基因会改变，相应的变异字罩中的元素为“O”时，染色体中相应位置的基因保持不变；当优先权向量P中的第i个元素Pi被选出发生变异时，产生新的Pi为利用式Pi = 1. 3ΧΝ(0, σ 2)；6)重复步骤幻到步骤幻，直至繁衍了G代，G为设置的算法繁衍代数，最终拥有最高适应度值的染色体将被选取作为结果；然后，染色体前Nk个基因中数值最高的Lk个天线以及后Nt个基因中数值最高的Lt个天线将被选取出来作为所求的天线子块矩阵。
全文摘要
本发明涉及一种用于LTE-A的基于全交叉权重遗传算法的天线选择方法，属于无线移动通信领域。采用基于实数权值的遗传算法对LTE-A中的MIMO系统天线进行选择，将一条染色体表示所有天线的优先权，并且每根天线对应一个带有权值的基因，通过遗传算法中的交叉、变异、优胜劣汰等操作，对可能的天线选择方式进行搜索。相对于原有简单遗传算法，本发明解决了在交叉操作后出现多根天线拥有相同优先级数值的问题，且在复杂度基本相同的情况下，有更接近最优天线选择结果的表现，能提供更高的信道容量；取消了交叉字罩生成步骤，减少了系统的硬件复杂度；拥有良好的收敛性，能够更快的找到更好的解。
文档编号H04B7/08GK102208934SQ201110171768
公开日2011年10月5日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者卜祥元, 卢继华, 安建平, 黎悟渊 申请人:北京理工大学