一种基于动态天线选择的多跳协作传输方法与流程

本发明涉及大规模MIMO下行链路系统中，一种基于动态天线选择的多跳协作传输方法，属于无线通信技术领域。

背景技术：

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术对无线通信系统容量和数据传输可靠性的提升，已得到广泛的证实和验证。第四代(4G)移动通信中，MIMO技术部署的多天线数目通常在8根以内。

为适应能效最大化动态结构的天线子集协作传输系统，固定码率的编码协作方法，例如低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check,LDPC)协作等，基站和用户端都需要提前存储大量的信道编译码矩阵。较高的系统成本及实现复杂度对于便携式用户终端而言，是不现实的。尤其是在大规模MIMO系统中，随着服务用户数的增加，也大大加重了基站的负担。

无比率编码协作是一种将无比率编码方法引入到协作通信系统中的技术。无比率编译码的基本原理是：在发送端，使用无比率编码方法将K个信源数据包编码成半无穷的数据包序列再进行发送。接收端只要能正确接收到K个编码数据包(或略大于K个编码数据包)即可解出发送端发送的K个信源数据包，实现成功译码。依据无比率编译码原理，无比率编码协作技术的码率由接收端决定。将无比率编码协作技术应用在MIMO下行链路系统中，信道状态好(信噪比高于一定值时)的天线，将协助信道状态差(信噪比低于一定值时)的天线进行协作数据传输，提高传输速率。

随着网络技术的蓬勃发展和智能终端的推陈出新，移动数据业务量呈爆炸式增长，移动数据业务的需求也呈现出多样化的态势。仅能支撑数百兆比特每秒传输速率的4G移动通信系统，难以满足未来海量数据通信的需求。为此，贝尔实验室的Marzetta提出部署超大规模阵列天线的大规模MIMO系统。理论研究证实，大规模MIMO系统将系统容量提升了数十倍，已被公认为第五代(5G)移动通信技术的主流技术之一。相比于4G中MIMO技术的8根天线，5G中大规模MIMO技术将在基站侧安装上百根天线。当使用所有天线进行无线数据传输时，大规模MIMO系统中的基站需要使用与天线数相同的射频链路，导致系统的射频链路硬件成本和实现复杂度大大增加。

如专利号为CN104967469A的中国专利：一种基于无比率编码的大规模MIMO传输方法中，利用无比率编码的码率无率性，自适应与各用户的链路状态，以及无比率编码的译码原理，只需将错误的编码数据包丢弃即可，虽然通过这种方式降低了实现复杂度，但是在发射端和接收端之间的射频链路需要与基站的天线一一对应，由于射频链路的成本要远远高于天线的成本，这就增大了系统成本。

固定数量的发送天线，如4G中MIMO技术的8根天线，采用无比率编码技术进行传输，虽然这种方法提高了系统的可靠性，但是在未来通信技术向5G发展普及的情况下，基站端的天线数增幅较大，而射频链路若与基站的天线完全对应，不仅实现复杂度高，还增加了系统成本。

技术实现要素：

本发明的目的是在大规模MIMO下行链路多跳系统中，提出一种基于动态天线选择的多跳协作传输方法，解决在5G通信技术下，数据传输系统实现复杂度高的问题。为实现上述目的，本发明设计了一种基于动态天线选择的协作传输方法，基站侧配备大规模阵列的天线，并按照设定准则选取最优发送天线子集，将待传输的信源数据包经无比率编码后协作分配到相应的发送天线上；协作端保留正确的编码数据包，并发送给接收端；接收端确定收到设定数量的编码数据包后，依据所述无比率编码对收到的编码数据包进行译码。

所述最优发送天线子集的数目小于或等于发送天线和接收端之间的射频链路的数目。

所述选取最优发送天线的准则是：信噪比低于设定下限阈值时，向所述发送天线子集中添加天线；信噪比高于设定上限阈值时，向所述发送天线子集中去除天线。

所述信噪比低于设定下限阈值时，添加的天线是能提供系统容量最大的天线；所述信噪比高于设定上限阈值时，去除的天线是能提供系统容量最小的天线。

本发明的有益效果在于：

1)在5G通信环境下，根据信道特性动态进行天线选择并确定最优发送天线数，使之与射频链路的数目相适应，降低了设备的实现复杂度和成本；

2)采用无比率编码协作技术中码率的无率性，能够适应天线协作系统的动态结构变化，提高了数据传输的可靠性和数据传输的效率。

附图说明

图1为在大规模MIMO下行链路中基于动态天线选择的多跳协作传输方法流程图；

图2为基站侧动态天线选择技术方框图；

图3为多跳协作传输方法中基站端实施方案；

图4为多跳协作传输方法中协作端实施方案；

图5为多跳协作传输方法中接收端实施方案。

具体实施方式

天线选择技术是在发射/接收端配置比射频链路更多的天线，通过一定的准则选择与射频链路数目相同(或小于)的天线组成天线子集，并将射频链路自适应地切换到天线子集上发送/接收信号的技术。蜂窝移动通信系统中，各个用户端离基站间的距离是不同的。为使能效最大化，各用户端在不同信道状态下经天线选择技术后所需的最优天线数是不同的。尤其是在随机时变的无线信道中，由于用户端的移动性，每个用户所需的最优天线数也是动态变化的，即为动态协作传输系统。目前，国内外在天线选择方面的研究主要有以下几种技术：最优天线选择法、递减天线选择法、递增天线选择法、基于范数的天线选择法、随机天线选择法。但这些方法大多适用于“静态”模型，即不考虑发送端或接收端天线阵列的变化。在这种情况下，对收/发天线进行优化选择能够大幅度提高容量性能。因此，本发明基于动态天线选择的方法，动态调整通信系统结构，并利用无比率编码协作技术，降低了5G通信下，大规模MIMO系统的实现复杂度。

本发明的技术方案是：在5G通信环境下，基站侧配备大规模阵列的天线，并按照一定准则选取数目小于发送天线和接收端之间射频链路数据的最优发送天线子集，将待传输的信源数据包经无比率编码后协作分配到相应的发送天线上；协作端依据循环冗余校验保留正确的编码数据包，并发送给接收端；接收端确定收到设定数量的编码数据包后，依据无比率编码的译码原理对收到的编码数据包进行译码。

信噪比低于设定下限阈值时，向预选天线子集中添加能增大系统容量的天线；信噪比高于设定上限阈值时，去除系统容量最小的天线。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，将待发送的K个信源数据包，构成一个待发送的报文，经协作端协助传输到用户端(接收端)。其中，每个信源数据包包含N个q进制符号，q等于2^m，m为自然数，K,N为整数。具体实施过程如下：

1.构建大规模MIMO下行链路多跳协作系统模型；

大规模MIMO下行链路多跳系统中，协作端和接收端的接收信号可以分别表示为：

式中，G_b,p、G_p,d分别为基站与协作端，协作端与接收端间的信道矩阵；分别为基站端及协作端的发送信号；其中，p_b,p、p_p,d为相应的发送功率；n是均值为零，方差为1的加性高斯白噪声。

式(1)、(2)给出了大规模MIMO下行链路多跳传输系统的一个初步描述。

本发明为进一步提高传输效率，协作端的个数可扩展至多个。

2.动态天线选择；

本实施例从无线衰落信道随机时变性入手，采用能效最大化且兼顾复杂度的动态天线选择方法，如图2所示。

在传输时间一定的通信系统中，信道特性较好的用户，所需的最优天线数较少。由于用户的移动性，信道特性有可能变差，此时所需的最优天线数变多。选取规则是：通过每次向预选天线子集(基站端有大规模天线，为一个天线集，每次最优天线数，是总天线数的一部分，故为天线子集，天线子集可表示为一个矩阵)中添加最大化系统容量性能(能提供系统容量最大)的天线。相反，若用户的信道特性变好，此时所需的最优天线数变少。选取规则是：通过每次去除最小化系统容量性能的一列，进行动态天线选择方法。

一般情况而言，无线信道中接收信噪比(衡量通信系统可靠性的指标)随着距离的增加，呈指数衰减。因此，距离基站越近的用户，接收信噪比值越高，信道特性越好；信噪比值越低，信道特性越差。

3.确定最优发送天线数；

大规模MIMO下行链路多跳系统中，基站端到协作端的无线信道具有随机时变性。基于能效最大化准则，采用动态天线选择方法的基础上，分析并确定最优的发送天线数目，如图1所示，最优天线数目假定为L。

4.基于天线选择的无比率编码协作方法；

如图3所示，每K个信源数据包共K·N个q进制符号构成一个待发送的报文。一个信源包的长度为N。基站将K个信源包(a₀,a₁,…,a_N-1)，(b₀,b₁,…,b_N-1)，…，(f₀,f₁,…,f_N-1)重新排序成数据包(a₀,b₀,…,f₀)，(a₁,b₁,…,f₁)，…，(a_N-1,b_N-1,…,f_N-1)。重新排序后的第i个数据包(a_i,b_i,…,f_i)经无比率编码协作输出半无限序列(A_i,B_i,…,F_i,…)，i＝0,1,…,N-1。最终得到无比率编码数据包序列(A₀,A₁,…,A_N-1)，(B₀,B₁,…,B_N-1)，…，(F₀,F₁,…,F_N-1)，…。

在此基础上，依据协作传输分配方案，将待传输的无比率编码数据包序列分配到相应的发送天线上。

实际所使用的无比率编码可以是喷泉码、Reed-Solomon码、或者是扩展的非规则重复累积(Extended Irregular Repeat-Accumulate,eIRA)码等。

5.协作端协助传输编码数据包；

大规模MIMO下行链系统中，距离基站端较远的用户端，信道特性较差，需要协作端协助传输编码数据包，即为多跳传输系统。本实施例采取的措施是协作端接收到基站端发送的编码数据包后，依据循环冗余校验等措施将错误的编码数据包丢弃，保留正确的编码数据包，并转发给用户端(接收端)，如图4所示。

6.接收端译码判决；

接收端判断是否正确接收到所需数目M的正确编码数据包，如图5所示，如果已经正确接收到所需数目M的编码数据包，此时，接收端反馈一个“停止发送”信号，基站端和协作端将停止发送无比率编码数据包序列；否则，接收端继续接收编码数据包；

其中，所需接收到的正确编码数据包的数目M取决于所使用的无比率编码协作方式。实际上，所需接收到的正确编码数据包的数目M通常设置为略大于K(或者等于K(1+ε),其中ε是实际无比率编码的开销，一般取值在0％-5％之间，由实际的无比率编码协作方式而定)。

7.发送端停止报文发送；

发送端(基站端和协作端)接收到用户端(接收端)反馈的“停止发送”信号后，立刻停止本报文的无比率编码数据包的发送。同时，用户端(接收端)对接收到的无比率编码数据包进行无比率译码(译码原理与步骤4中无比率编码原理相对应)，正确恢复出原始的K个信源数据包。

本发明中无比率编码协作技术的码率由接收端决定，自适应于动态协作天线子集的结构变化，降低实现复杂度。因此，无比率编码协作技术是处理动态协作系统数据传输问题的一种有力工具，为优化大规模MIMO下行链路系统中基于动态天线选择的协作传输问题提供了新的处理方法。5G中采用天线选择技术能够在获得较高能效的同时降低大规模MIMO系统的成本和实现复杂度。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。