一种MIMO通信中天线选择方法及系统与流程

本发明涉及一种mimo通信中天线选择方法及系统，属于无线通信技术的领域。

背景技术：

电力无线专网在1.8ghz频段建设4gtd-lte网络，mimo是其关键技术之一。mimo利用多天线提高了空间资源的利用率和无线通信传输的可靠性，但是数目庞大的天线单元会增加设备的复杂度和硬件成本，因此有必要对天线进行选择，以降低复杂度和成本。

传统的天线选择方法为递减法，当时在递减法中，每次递减都需要进行求逆计算，当发射天线数量远大于选择天线数量时，计算复杂度高。

技术实现要素：

本发明提供了一种mimo通信中天线选择方法及系统，解决了传统递减法选择天线计算复杂度高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种mimo通信中天线选择方法，用改进的递减算法进行天线选择；其中，改进的递减算法为在传统的递减算法中改进参数矩阵；在递减过程中，相邻两步递减时的参数矩阵存在迭代关系。

参数矩阵存在的迭代关系公式为，

其中，dk为第k步递减时的参数矩阵，dk+1为第k+1步递减时的参数矩阵，参数γt为发射信噪比，nt为发射端天线个数，参数hk,l为hk中第l行，hk为经过第k步递减后的信道矩阵，为hk,l的共轭转置，参数为γk,l的共轭转置。

第一步递减时的参数矩阵通过传统的求逆运算获取，具体公式为，

其中，h1为经过第1步递减后的信道矩阵，为h1的共轭转置，γt为发射信噪比，nt为发射端天线个数，d1第1步递减时的参数矩阵，为nt维单位矩阵。

改进的递减算法中，根据以下公式递减信道矩阵，

其中，为递减时信道矩阵中所要删除的列，hk,l为hk中第l行，hk为经过第k步递减后的信道矩阵，为hk,l的共轭转置，dk为第k步递减时的参数矩阵。

一种mimo通信中天线选择系统，包括递减选择模块；递减选择模块：用改进的递减算法进行天线选择；其中，改进的递减算法为在传统的递减算法中改进参数矩阵；在递减过程中，相邻两步递减时的参数矩阵存在迭代关系。

递减选择模块中，参数矩阵存在的迭代关系公式为，

其中，dk为第k步递减时的参数矩阵，dk+1为第k+1步递减时的参数矩阵，参数γt为发射信噪比，nt为发射端天线个数，参数hk,l为hk中第l行，hk为经过第k步递减后的信道矩阵，为hk,l的共轭转置，参数为γk,l的共轭转置。

递减选择模块中，第一步递减时的参数矩阵通过传统的求逆运算获取，具体公式为，

其中，h1为经过第1步递减后的信道矩阵，为h1的共轭转置，γt为发射信噪比，nt为发射端天线个数，d1第1步递减时的参数矩阵，为nt维单位矩阵。

递减选择模块中，改进的递减算法中，根据以下公式递减信道矩阵，

其中，为递减时信道矩阵中所要删除的列，hk,l为hk中第l行，hk为经过第k步递减后的信道矩阵，为hk,l的共轭转置，dk为第k步递减时的参数矩阵。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行mimo通信中天线选择方法。

一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行mimo通信中天线选择方法的指令。

本发明所达到的有益效果：本发明用迭代算法代替了每步递减时的求逆计算，降低了计算的复杂度。

附图说明

图1为改进后递减算法的流程图；

图2为不同信噪比下不同方法的性能比较图；

图3为不同信噪比下天线选择算法性能比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

传统的递减算法如下：

定义hk为经过第k步递减后的信道矩阵，1≤k≤nt-ns，nt为发射端天线个数，ns为选择天线个数，hk,l为hk中第l行，1≤l≤nr-k，nr为接收端天线个数；

假设发射信噪比γt不变，则

其中，c(hk)为信道容量，det(·)表示求行列式的值，为nt维单位矩阵，hk为经过第k步递减后的信道矩阵，为hk的共轭转置；

第k+1步删除hk,l，导致容量损失值δc为，

定义参数矩阵ak满足

其中，为hk,l的共轭转置

对于任意非零列向量u和v，有

det(i+u^tv)＝1+u^tv(6)

其中，i为单位矩阵；

式(5)可改写为

即

令

其中，ηk,l是定义的参数，用来求天线选择结果。

则由式(8)可以看出，δc的上限与ηk,l直接相关，因此为了使δc尽量小，只需删除满足以下公式的列，

其中，为递减时信道矩阵中所要删除的列；

递减算法在整个天线选择过程中综合考虑了所有剩余天线对系统容量的贡献，这也是其容量性能逼近穷举算法的主要原因。相比较于遍历搜索，它所采用的方法在一定程度上降低了计算量，但由于在每一步求ηk,l时，都需引入矩阵求逆运算(即ak)，因此在nt-ns较大的情况下，其复杂度仍然很高，因此为了降低复杂度，需要对参数矩阵进行进一步的改进，从而获得改进的递减算法。

如图1所示，一种mimo通信中天线选择方法，具体如下：

用改进的递减算法进行天线选择；其中，改进的递减算法为在传统的递减算法中改进参数矩阵；在递减过程中，第一步递减时的参数矩阵通过传统的求逆运算获取，相邻两步递减时的参数矩阵存在迭代关系。该方法除了第一步递减需要进行求逆运算外，其余递减时的参数矩阵均可根据前一步递减时的参数矩阵和迭代关系公式求得。

改进的具体如下：

1)计算参数矩阵dk；即用dk代替上述的ak；

其中，参数

根据式(4)可得

根据式(11)和(12)，有

根据矩阵求逆定理，展开上式可得

2)定义参数；

3)更新参数矩阵；

式(14)可修改为

其中，dk为第k步递减时的参数矩阵，dk+1为第k+1步递减时的参数矩阵，为γk,l的共轭转置。

第一步递减时的参数矩阵通过传统的求逆运算获取，具体公式为：

其中，h1为经过第1步递减后的信道矩阵，为h1的共轭转置，d1第1步递减时的参数矩阵。

改进的递减算法中，根据以下公式递减信道矩阵，

将带入信道矩阵中获得并计算新的信道矩阵计量天线剩余量ls＝ls-1；当ls等于ns，则输出迭代结果，输出信道矩阵hk，信道容量c(hk)和选择的天线(即删除剩余的天线)

将上述方法与现有的方法进行比对，具体如下：

图2是本发明方法和递减法、随机选取的性能比较图。由图可得，在相同信噪比下，采用改进的递减法进行天线选择后，系统的信道容量高于采用递减法和随机选取获得的信道容量。其中，发射天线个数为2，接收天线个数为50，选择天线个数为20。

图3是递减法、本发明方法、doolittle-qr分解法、范数法和随机选择的性能比较图。由图可得，在相同信噪比下，采用本发明方法和范数法性能大致相同，且高于doolittle-qr分解法、随机选取和递减法。其中，发射天线个数为16，接收天线个数为16，选择天线个数为8。

表1是天线选择算法复乘次数对比表。由表可得，对比递减算法、本发明方法、doolittle-qr分解法和范数法几种算法的计算量，以所有矩阵相乘和求逆所需的复数乘法次数作为复杂度的度量指标。

表1天线选择算法复乘次数对比表

表2是天线选择算法复乘次数随ns的变化情况表。由表可得，递减算法和本发明方法的复杂度随ns的增大而减少，doolittle-qr分解法和范数法的复杂度随ns的增大而增大。在相同ns的情况下，范数法的复杂度最高，其次是递减算法、本发明方法、doolittle-qr分解法；而随着ns的增大，本发明方法的低复杂度优势逐渐凸显。

表2天线选择算法复乘次数随ns的变化情况表

一种mimo通信中天线选择系统，包括递减选择模块；递减选择模块：用改进的递减算法进行天线选择；其中，改进的递减算法为在传统的递减算法中改进参数矩阵；在递减过程中，相邻两步递减时的参数矩阵存在迭代关系。

递减选择模块中，参数矩阵存在的迭代关系公式为，

其中，dk为第k步递减时的参数矩阵，dk+1为第k+1步递减时的参数矩阵，参数γt为发射信噪比，nt为发射端天线个数，参数hk,l为hk中第l行，hk为经过第k步递减后的信道矩阵，为hk,l的共轭转置，参数为γk,l的共轭转置。

递减选择模块中，第一步递减时的参数矩阵通过传统的求逆运算获取，具体公式为，

其中，h1为经过第1步递减后的信道矩阵，为hk的共轭转置，γt为发射信噪比，nt为发射端天线个数，d1第1步递减时的参数矩阵，为nt维单位矩阵。

递减选择模块中，改进的递减算法中，根据以下公式递减信道矩阵，

其中，为递减时信道矩阵中所要删除的列，hk,l为hk中第l行，hk为经过第k步递减后的信道矩阵，为hk,l的共轭转置，dk为第k步递减时的参数矩阵。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备mimo通信中天线选择方法。

一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行mimo通信中天线选择方法的指令。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。