随机天线选择方法、装置与大规模MIMO系统与流程

本发明属于宽带无线通信
技术领域：
，具体涉及随机天线选择方法、装置与大规模mimo系统。
背景技术：
：大规模mimo作为5g通信的关键技术，受到了国内外学者的广泛关注。大规模mimo通过在基站配置几十甚至几百根天线，充分利用了空间自由度，提高了通信系统的频谱效率和数据传输速率。但是，随着全球气候变暖造成的环境问题不断加剧，人们对绿色通信的呼声也越发高涨。虽然大规模mimo可以利用大量天线提高系统容量，但是相应的硬件成本和信号处理复杂度也随天线的增加而增加。因此，找到一个不仅降低成本而且能发挥大规模mimo系统优点的有效方法至关重要。天线选择技术，是按照一定的准则从发射\接收天线中选择几个最优天线组成发射\接收天线子集，使在发射端或接收端的射频链路数少于配置的天线元件数，并将这些射频链路自适应地转换到天线子集上发射或接收信号，可以有效地减少系统成本，提高大规模mimo系统的性能。mimo系统包括发射机，接收机，分别在发射机和接收机上配置的射频链路，以及信号处理芯片，发射机的发射端和接收机的接收端均安装有天线元件，传统的mimo系统配置的射频链路数等于天线元件数，而采用天线选择技术的mimo系统，其配置的射频链路数小于天线元件数，该技术降低了mimo系统的复杂性和成本。现有的随机天线选择方法的原理是在所有的发送天线中随机的选出期望的天线数目，实现步骤如下：(1)通过信道估计获取信道状态信息；(2)从信道矩阵中随机的选出期望数目的列，作为选择后的信道矩阵。该方法的优点是计算复杂度极低，缺点是没有考虑信道状态信息，会造成性能的下降。穷举算法是在发送天线的所有可能候选子集中进行穷尽的搜索，从中找出具有最大系统容量的天线子集，该方法能最大限度的提高系统性能，但对于具有上百条的天线的大规模mimo系统，该方法的计算速度很慢。技术实现要素：本发明的目的是提供了一种随机天线选择方法、装置与大规模mimo系统，用于解决现有随机天线选择技术没有考虑信道状态信息，造成性能下降的问题。为解决上述技术问题，本发明提出一种随机天线选择方法，包括以下步骤：1)建立mimo系统的信号模型，通过信道估计获取所述mimo系统的信道状态信息；2)随机选取s1组天线集合，s1≥2，根据信道容量最大原则对每组天线集合进行更新；每组天线集合更新的方式包括依次更新天线集合中的每个元素，并重复此更新的方式直至达到设定次数s2，或者更新后的天线集合不再变化；3)对更新后的s1组天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为最优天线集合。进一步，所述每组天线集合更新的方式具体包括以下步骤：a.将步骤2)中需要更新的每组天线集合作为初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中设有q个元素，每个元素表示一根天线；b.依次更新初始集合p中的每个元素p(k)，其中k＝1,…,q；将剩余未被选取的天线集合和第k个元素的并集中的每个元素依次代替初始集合p中的第k个元素，并求出新组成的每个天线集合所对应的信道容量，用其中具有最大信道容量的天线集合更新集合p，然后更新下一个元素，当全部q个元素更新完成后，得到最新的天线集合；c.将所述最新的天线集合作为初始集合，重复步骤b，直至达到设定次数s2，或者更新后的天线集合不再变化，此时获得的天线集合为最终更新的天线集合。为解决上述技术问题，本发明还提出一种随机天线选择方法，包括以下步骤：(1)建立mimo系统的信号模型，通过信道估计获取所述mimo系统的信道状态信息；(2)从所有发送天线中随机选取一组天线集合，根据信道容量最大原则对该组天线集合进行更新，更新的方式包括依次更新所述一组天线集合中的每个元素，并重复此更新方式直至达到设定次数s3或者更新后的天线组合不再变化，将更新后的天线集合作为第一最优天线集合；(3)从所有发送天线中再随机选取一组天线集合，按照所述更新的方式对重新选取的天线集合进行更新，将更新后的天线集合与所述第一最优天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为第二最优天线集合；(4)再选出下一个最优天线集合，直到随机选取天线集合的次数达到设定次数s4时，将当前的最优天线集合作为最终的最优天线集合。进一步，每组随机选取的天线集合进行更新的方式具体包括以下步骤：a.将步骤(2)中随机选取的一组天线集合作为初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中设有q个元素，每个元素表示一根天线；b.依次更新初始集合p中的每个元素p(k)，其中k＝1,…,q；将剩余未被选取的天线集合和第k个元素的并集中的每个元素依次代替初始集合p中的第k个元素，并求出新组成的每个天线集合所对应的信道容量，用其中具有最大信道容量的天线集合更新集合p，然后更新下一个元素，当全部q个元素更新完成后，得到最新的天线集合；c.将所述最新的天线集合作为初始集合，重复步骤b，直至达到设定次数s3，或者更新后的天线集合不再变化，此时获得的天线集合为最终更新后的天线集合。为解决上述技术问题，本发明还提出一种大规模mimo系统，包括发射机，接收机，分别在发射机和接收机上配置的射频链路，以及用于选择天线集合的处理器，所述处理器用于执行以下指令：1)建立mimo系统的信号模型，通过信道估计获取所述mimo系统的信道状态信息；2)随机选取s1组天线集合，s1≥2，根据信道容量最大原则对每组天线集合进行更新；每组天线集合更新的方式包括依次更新天线集合中的每个元素，并重复此更新的方式直至达到设定次数s2，或者更新后的天线集合不再变化；3)对更新后的s1组天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为最优天线集合。进一步，所述处理器还用于执行以下指令：a.将步骤2)中需要更新的每组天线集合作为初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中设有q个元素，每个元素表示一根天线；b.依次更新初始集合p中的每个元素p(k)，其中k＝1,…,q；将剩余未被选取的天线集合和第k个元素的并集中的每个元素依次代替初始集合p中的第k个元素，并求出新组成的每个天线集合所对应的信道容量，用其中具有最大信道容量的天线集合更新集合p，然后更新下一个元素，当全部q个元素更新完成后，得到最新的天线集合；c.将所述最新的天线集合作为初始集合，重复步骤b，直至达到设定次数s2，或者更新后的天线集合不再变化，此时获得的天线集合为最终更新的天线集合。为解决上述技术问题，本发明还提出一种大规模mimo系统，包括发射机，接收机，分别在发射机和接收机上配置的射频链路，以及用于选择天线集合的处理器，所述处理器用于执行以下指令：(1)建立mimo系统的信号模型，通过信道估计获取所述mimo系统的信道状态信息；(2)从所有发送天线中随机选取一组天线集合，根据信道容量最大原则对该组天线集合进行更新，更新的方式包括依次更新所述一组天线集合中的每个元素，并重复此更新方式直至达到设定次数s3或者更新后的天线组合不再变化，将更新后的天线集合作为第一最优天线集合；(3)从所有发送天线中再随机选取一组天线集合，按照所述更新的方式对重新选取的天线集合进行更新，将更新后的天线集合与所述第一最优天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为第二最优天线集合；(4)再选出下一个最优天线集合，直到随机选取天线集合的次数达到设定次数s4时，将当前的最优天线集合作为最终的最优天线集合。进一步，所述处理器还用于执行以下指令：a.将步骤(2)中随机选取的一组天线集合作为初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中设有q个元素，每个元素表示一根天线；b.依次更新初始集合p中的每个元素p(k)，其中k＝1,…,q；将剩余未被选取的天线集合和第k个元素的并集中的每个元素依次代替初始集合p中的第k个元素，并求出新组成的每个天线集合所对应的信道容量，用其中具有最大信道容量的天线集合更新集合p，然后更新下一个元素，当全部q个元素更新完成后，得到最新的天线集合；c.将所述最新的天线集合作为初始集合，重复步骤b，直至达到设定次数s3，或者更新后的天线集合不再变化，此时获得的天线集合为最终更新后的天线集合。为解决上述技术问题，本发明还提出一种天线选择装置，包括用于选择天线集合的处理器，所述处理器用于执行以下指令：1)建立mimo系统的信号模型，通过信道估计获取所述mimo系统的信道状态信息；2)随机选取s1组天线集合，s1≥2，根据信道容量最大原则对每组天线集合进行更新；每组天线集合更新的方式包括依次更新天线集合中的每个元素，并重复此更新的方式直至达到设定次数s2，或者更新后的天线集合不再变化；3)对更新后的s1组天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为最优天线集合。进一步，所述处理器还用于执行以下指令：a.将步骤2)中需要更新的每组天线集合作为初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中设有q个元素，每个元素表示一根天线；b.依次更新初始集合p中的每个元素p(k)，其中k＝1,…,q；将剩余未被选取的天线集合和第k个元素的并集中的每个元素依次代替初始集合p中的第k个元素，并求出新组成的每个天线集合所对应的信道容量，用其中具有最大信道容量的天线集合更新集合p，然后更新下一个元素，当全部q个元素更新完成后，得到最新的天线集合；c.将所述最新的天线集合作为初始集合，重复步骤b，直至达到设定次数s2，或者更新后的天线集合不再变化，此时获得的天线集合为最终更新的天线集合。为解决上述技术问题，本发明还提出一种天线选择装置，包括用于选择天线集合的处理器，所述处理器用于执行以下指令：(1)建立mimo系统的信号模型，通过信道估计获取所述mimo系统的信道状态信息；(2)从所有发送天线中随机选取一组天线集合，根据信道容量最大原则对该组天线集合进行更新，更新的方式包括依次更新所述一组天线集合中的每个元素，并重复此更新方式直至达到设定次数s3或者更新后的天线组合不再变化，将更新后的天线集合作为第一最优天线集合；(3)从所有发送天线中再随机选取一组天线集合，按照所述更新的方式对重新选取的天线集合进行更新，将更新后的天线集合与所述第一最优天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为第二最优天线集合；(4)再选出下一个最优天线集合，直到随机选取天线集合的次数达到设定次数s4时，将当前的最优天线集合作为最终的最优天线集合。进一步，所述处理器还用于执行以下指令：a.将步骤(2)中随机选取的一组天线集合作为初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中设有q个元素，每个元素表示一根天线；b.依次更新初始集合p中的每个元素p(k)，其中k＝1,…,q；将剩余未被选取的天线集合和第k个元素的并集中的每个元素依次代替初始集合p中的第k个元素，并求出新组成的每个天线集合所对应的信道容量，用其中具有最大信道容量的天线集合更新集合p，然后更新下一个元素，当全部q个元素更新完成后，得到最新的天线集合；c.将所述最新的天线集合作为初始集合，重复步骤b，直至达到设定次数s3，或者更新后的天线集合不再变化，此时获得的天线集合为最终更新后的天线集合。本发明的有益效果是：建立大规模mimo系统的信号模型，通过信道估计获取mimo系统的信道状态信息，并从所有发送天线集合中随机选取s1组天线集合，根据信道容量最大原则对每组天线集合进行更新，对更新后的s1组天线集合进行对比，将信道容量最大的一组集合作为最优天线集合。本发明考虑了系统的信道状态信息，利用顺序迭代过程不断更新天线集合，从中选择信道容量最大的天线集合，以低复杂度实现了好的系统性能，为大规模mimo在5g系统的标准化和实用化提供一定的技术支撑。建立大规模mimo系统的信号模型，通过信道估计获取mimo系统的信道状态信息，从所有发送天线集合中随机选取一组天线集合，根据信道容量最大原则对该组天线集合进行更新，选出第一最优天线集合，然后再选取一组天线集合，对该组天线集合更新，将更新后的天线集合与第一最优天线集合进行对比，选出第二最优天线集合，再选出下一个最优天线集合，直到达到设定次数时，将当前的最优天线集合作为最终的最优天线集合。本发明考虑了mimo系统的信道状态信息，利用顺序迭代过程不断更新天线集合，从中选择信道容量最大的天线集合，以低复杂度实现了好的系统性能，为大规模mimo在5g系统的标准化和实用化提供一定的技术支撑。附图说明图1是大规模mimo系统示意图；图2是接收天线选择系统示意图；图3是本发明的方法流程图；图4是信道容量与信噪比的关系示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。实施例一：建立大规模mimo系统的信号模型，包括发送端可以获得接收端反馈的信道状态信息。所有的发送天线集合设为γ＝{1,...,m}，从所有m根发送天线中随机选取s1组天线集合，s1≥2，每组天线集合有q根天线，根据信道容量最大原则，按照以下方法对每组天线集合进行更新：将随机选取的第一组天线集合作为第一初始集合，设置第一初始集合为p1＝{p1(1),p1(2),...,p1(q)}，依次更新初始集合p1中每个元素p(k)(k＝1,…,q)，更新方式为：假设更新p1中第k个元素，则将剩余未被选取的天线集合和p1中第k个元素的并集{γ\p1}∪p1(k)中的元素依次作为集合p1中的第k个元素，并求出新组成的每个天线集合所对应的信道容量，将其中具有最大信道容量的天线集合更新为新的初始集合p1。当将全部q个元素更新完成后，天线集合p1更新完毕。其中，\表示集排除。将更新完的天线集合p1作为初始集合，重复上述过程，直至达到设定的次数s2或者相邻两次更新的天线集合相同时停止，此时得到的集合是第一组天线集合更新后的天线集合。将选取的第二组天线集合作为第二初始集合，设置第二初始集合为p2＝{p2(1),p2(2),...,p2(q)}，依次更新初始集合p2中每个元素p2(k)(k＝1,…,q)，更新方式为：假设更新p2中第k个元素，则将剩余未被选取的天线集合和p2中第k个元素的并集{γ\p2}∪p2(k)中的元素依次作为集合p2中的第k个元素，并求出新组成的每个天线集合所对应的信道容量，将其中具有最大信道容量的天线集合更新为新的初始集合p2。当将全部q个元素更新完成后，生成最新的集合p2。其中，\表示集排除。将更新完的天线集合p2作为初始集合，重复上述过程，直至达到设定的次数s2或者相邻两次得到的p2相同时停止，此时得到的集合p2即是第二组天线集合更新后的天线集合。将s1组更新后的天线集合进行对比，具有最大信道容量的集合选为最优天线集合。上述天线选择方法采用的是s1组天线集合并行计算更新天线集合的方法，计算速度快，得到最优天线集合的结果效率高，但是对硬件的要求也比较高，为了节省硬件成本，可以采用串行计算更新天线集合的方法，该方法包括以下步骤：从所有发送天线集合中随机选取一组天线集合，根据信道容量最大原则对该组天线集合进行更新，更新的方式为：a.所有发送天线集合设为γ＝{1,...,m}，将一组随机选取的天线集合作为初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，其中q为所需要的天线数(q<m)。b.依次更新初始集合p中每个元素p(k)(k＝1,…,q)，更新方式为：假设更新p中第k个元素，则将剩余未被选取的天线集合和p中第k个元素的并集{γ\p}∪p(k)中的元素依次作为集合p中的第k个元素，并求出新组成的每个天线集合所对应的信道容量，将其中具有最大信道容量的天线集合更新为新的初始集合p。当上述过程将全部q个元素更新完成后，生成最新的集合p；上述并集中\表示集排除。c.将新产生的天线集合p作为初始集合，重复步骤b，直至达到设定次数s3或者相邻两次生成的集合p相同停止，此时获得的集合p即是初始集合更新后的天线集合，将更新后的天线集合作为第一最优天线集合。从所有发送天线集合中再随机选取一组天线集合，按照上述更新的方式对重新选取的天线集合进行更新，将更新后的天线集合与第一最优天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为第二最优天线集合。再选出下一最优天线集合，直到随机选取天线集合的次数达到设定次数s4时，将当前的最优天线集合作为最终的最优天线集合。本发明考虑了天线的信道状态信息，利用顺序迭代过程不断更新天线集合，从中选择信道容量最大的天线集合，以低复杂度实现了好的系统性能，为大规模mimo在5g系统的标准化和实用化提供一定的技术支撑。本发明还提出了一种天线选择装置，包括用于选择天线集合的处理器，处理器用于执行以下指令：1)建立大规模mimo系统的信号模型，通过信道估计获取所述mimo系统的信道状态信息；2)随机选取s1组天线集合，s1≥2，根据信道容量最大原则对每组天线集合进行更新；每组天线集合更新的方式包括依次更新天线集合中的每个元素，并重复此更新的方式直至达到设定次数s2，或者更新后的天线集合不再变化；3)对更新后的s1组天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为最优天线集合。本发明还提出另一种天线选择装置，包括用于选择天线集合的处理器，处理器用于执行以下指令：(1)建立大规模mimo系统的信号模型，通过信道估计获取所述mimo系统的信道状态信息；(2)从所有发送天线中随机选取一组天线集合，根据信道容量最大原则对该组天线集合进行更新，更新的方式包括依次更新所述一组天线集合中的每个元素，并重复此更新方式直至达到设定次数s3或者更新后的天线组合不再变化，将更新后的天线集合作为第一最优天线集合；(3)从所有发送天线中再随机选取一组天线集合，按照所述更新的方式对重新选取的天线集合进行更新，将更新后的天线集合与所述第一最优天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为第二最优天线集合；(4)再选出下一个最优天线集合，直到随机选取天线集合的次数达到设定次数s4时，将当前的最优天线集合作为最终的最优天线集合。本发明的提出的两种天线选择装置的处理器，执行的指令分别对应为上述两种天线选择方法，由于对上述两种天线选择方法的介绍已经足够清楚完整，故不再对处理器执行的指令进行详细描述。实施例二：如图1所示的大规模mimo系统，包括发射机，接收机，分别在发射机和接收机上配置的射频链路，以及用于选择天线集合的处理器(图中未画出)，其中，射频链路包括低频噪声放大器、链路转换器、模数转换器等。mimo系统的工作原理是：发射机利用从接收机反馈来的信道状态信息，根据某项性能指标从所有发送天线中选择部分性能优越的天线进行发送。部分并行数据流被同时发送至多输入多输出衰落信道，衰落后的数据流到达接收天线，射频链路转换器从所有接收天线中选择部分天线进行接收，数据流经数个射频链路处理后，进行解码，这样发送的数据被恢复出来。上述处理器用于执行以下步骤：假设图1所示的是一个配备m根发射天线，n根接收天线的点对点大规模mimo系统，其中发射端有q个射频链路q<m。假设在发射端进行天线选择，接收端采用全部天线用于接收信号。发射机通过接收机的反馈可以获取信道状态信息，且所有选择天线的功率分配是均匀的。从m根发射天线中选择q根最优天线进行通信，则相应信道容量可以数学表示为：式中，ρ表示总的发射信噪比，in表示n×n的单位矩阵，halt表示n×q的选择天线组成的信道矩阵，表示矩阵halt的共轭转置，det()表示求矩阵的行列式。本发明利用随机天线选择算法进行天线选择，该算法包括内循环和外循环两部分：外循环：在每次外循环中，随机生成一个天线集合，该天线集合设置为p＝{p(1),p(2),…,p(q)}，然后通过内循环优化得到其相应的优化天线集合，经过s1次外循环得到s1个天线集合，从中选择具有最大信道容量的天线集合最为最终的选择结果。内循环：在每次内循环中，根据信道容量最大原则依次更新初始集合p中的每个元素，具体步骤为：(1)更新集合p中第一个元素：将剩余天线集合{1,2,…,m}\p中的每个元素依次替换p中的第一个元素，并求出每次替换后天线集合所对应的信道容量，从中找出具有最大信道容量的天线集合并与初始集合p对比，将其中较大信道容量的天线集合p1作为更新第二个元素的初始集合。(2)更新p1中第二个元素：将剩余天线集合{1,2,…,m}\p1中的每个元素依次替换p1中的第二个元素，并求出每次替换后天线集合所对应的信道容量，从中找出具有最大信道容量的天线集合与集合p1的信道容量对比，将其中较大信道容量的天线集合p2作为更新第三个元素的初始集合。(3)以此类推，将q个元素全部更新完，得到最新天线集合pq，则此次内循环过程完毕。将上述所得天线集合pq作为下一次内循环的初始集合，不断重复步骤(1)-步骤(3)，直至达到设定内循环次数s2或者相邻两次内循环所得到的天线集合相同时，结束内循环过程。下面结合仿真实验分析本发明对传统随机天线方法性能的提升，仿真在matlab软件环境下进行，仿真主要参数见表1。表1主要参数数值发送天线数m128接收天线数n4发射端射频链路数q1～30信道平坦衰落信道由图4不难看出，本发明的信道容量性能明显高于传统的随机天线选择方法，并且与穷举方法的性能基本一样。同时，随着选择天线数的增加，本发明的优势也越发明显。由于传统的随机天线选择方法仅仅随机选择所需数目的天线，没有考虑信道状态信息，本发明弥补了传统随机天线选择方法的不足，考虑了系统的信道状态信息，利用顺序迭代过程不断更新天线集合，从中选择信道容量最大的天线集合，大大提高了系统的性能，实现了接近穷举算法的性能，且远小于穷举法的计算复杂度。本发明还提出了另一种mimo系统，包括发射机，接收机，分别在发射机和接收机上配置的射频链路，以及用于选择天线集合的处理器，处理器用于执行以下指令：建立mimo系统的信号模型，通过信道估计获取所述mimo系统中的信道状态信息。从所有发送天线中随机选取一组天线集合，根据信道容量最大原则对该组天线集合进行更新，更新的方式包括依次更新集合中的每个元素，并重复此更新方式直至达到设定次数s3或者相邻两次产生的集合相同时停止，将更新后的天线集合作为第一最优天线集合。从所有发送天线中再随机选取一组天线集合，按照更新的方式对重新选取的天线集合进行更新，将更新后的天线集合与第一最优天线集合进行对比，将信道容量最大的一组天线集合作为第二最优天线集合。再选出下一个最优天线集合，直到随机选取天线集合的次数达到设定次数s4时，将当前的最优天线集合作为最终的最优天线集合。本发明的两个mimo系统的不同之处在于，mimo系统的处理器运行的天线选择指令不同，一种采用并行计算更新天线集合的方法，计算速度快、效果高，另一种采用串行计算更新天线集合的方法，计算速度相对较慢，但对处理器硬件要求不高。由于上述mimo系统的处理器采用的指令与串行计算更新天线集合的方法对应，因此不再对处理器执行的指令进行详细描述。本发明提出的大规模mimo系统利用顺序迭代的方法搜索信道容量最大的天线集合，以信道容量作为评价指标，计算复杂度远远低于穷举方法，但性能却很接近穷举方法。以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。当前第1页12