一种利用流体天线的MIMO传输方法与系统

本发明涉及无线通信和流体天线领域，特别是涉及一种利用流体天线的mimo传输方法与系统。

背景技术：

1、在过去的几十年里，从单天线或单输入单输出向多天线或多输入多输出的发展一直是无线通信系统发展的一个重要趋势。通过利用空间多路复用、干扰抑制、波束形成和分集增益，mimo技术显著提高了无线通信的容量和可靠性。然而，现有的通信系统由于天线部署在固定的位置，不能在给定的发射机和接收机所在的区域内充分利用空间自由度。为了克服这一限制，最近引入了流体天线技术，使发射机或接收机侧天线可以在指定区域内自由移动。通过在空间域中利用更多的自由度，流体天线和mimo可以结合起来获得更高的空间分集增益。

2、现有的流体天线论文都利用瞬时信道状态信息。然而，由于天线位置的变化会导致信道变化，在利用流体天线的系统中通常很难获得瞬时信道状态信息。另一方面，统计信道状态信息的缓慢变化的特性使其相对容易获得。为此，有必要研究一种利用流体天线并在其中使用统计信道状态信息的mimo传输方案。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用流体天线的mimo传输方法与系统，针对发射机和接收机侧均部署多个流体天线的场景，能够优化系统的可达速率，并降低实现这一优化过程的复杂度，使其便于实施。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、利用流体天线的mimo传输方法，发射机和接收机侧均部署多个能够在给定区域内自由移动的流体天线，通过建立信道模型并根据统计信道信息构建最大化系统可达速率的优化问题，通过优化发射流体天线位置接收流体天线位置以及发射协方差矩阵q优化系统可达速率；所述优化问题表示为：

4、

5、

6、

7、||tk-tl||2≥d,k,l＝1,2,...,n,k≠l,

8、||rk-rl||2≥d,k,l＝1,2,...,m,k≠l,

9、tr(q)≤pmax

10、其中，n和m分别为发射流体天线和接收流体天线数目，和分别为发射流体天线和接收流体天线可移动的区域，信道矩阵h(t,r)＝fh(r)σg(t)，为发射区域t0＝(0,0)t的原点到接收区域r0＝(0,0)t的原点的路径响应矩阵，lt和lr分别为发射路径和接收路径的数目，为n个发射流体天线的响应矩阵，为m个接收流体天线响应矩阵，im为m×m维单位矩阵，d为流体天线之间所需的最小距离，pmax为最大发射功率，det(·)表示对矩阵求行列式，||·||2表示对向量取二范数，tr(·)表示对矩阵求迹，表示对变量σ求期望；运用交替优化、cauchy-schwarz不等式和泰勒展开对优化问题进行求解。

11、进一步地，所述统计信道状态信息通过用户反馈、基站直接估计或通过上行探测信号的方式获取。

12、进一步地，所述信道模型，对于发射机部分，记第p个发射路径的仰角和方位角分别为和在第p个发射路径中，第n个发射流体天线的位置tn＝(xn,yn)t与原点t0＝(0,0)t之间的传播距离差为第p个传输路径中第n个发射流体天线与原点的之间的信号相位差为其中λ为信号波长；发射响应向量为：

13、

14、所有n个发射流体天线的响应矩阵为：

15、进一步地，所述信道模型，对于接收机部分，记第q个接收路径的仰角和方位角分别为和在第q个接收路径中，第m个接收流体天线的位置rm＝(xm,ym)t与原点r0＝(0,0)t之间的传播距离差为第q个传输路径中第m个接收流体天线与原点的之间的信号相位差为其中λ为信号波长；接收响应向量为：

16、

17、所有m个接收流体天线的响应矩阵为：

18、进一步地，所述运用交替优化、cauchy-schwarz不等式和泰勒展开对优化问题进行求解，具体包括：

19、利用jensen不等式将原目标函数替换为其紧上界

20、运用交替优化将原问题分解为发射协方差矩阵q优化问题，接收流体天线位置r优化问题和发射流体天线位置t优化问题，设置迭代次数指示i＝0；

21、利用cauchy-schwarz不等式求解发射协方差矩阵q优化问题；

22、利用天线位置变量解耦和泰勒展开求解接收流体天线位置r优化问题；

23、利用cauchy-schwarz不等式、天线位置变量解耦和泰勒展开求解发射流体天线位置t优化问题；

24、将第i+1次迭代得到的速率值与第i次迭代的结果进行比较，若两次结果之差小于设定的阈值ε，则终止迭代，否则将迭代次数i加1，继续迭代求解。

25、进一步地，原目标函数的紧上界为：其中，α2为第p个发射路径和第q个接收路径之间响应系数σq,p的方差。

26、进一步地，求解发射协方差矩阵q优化问题，具体包括：

27、发射协方差矩阵q优化问题表示为：

28、maxq tr(g(t)qgh(t))

29、s.t.tr(q)≤pmax

30、根据cauchy-schwarz不等式，将目标函数改写为：

31、

32、其中，等式成立的条件为q是gh(t)g(t)的倍数；根据目标函数达到最大值时q是gh(t)g(t)的倍数并且tr(q)＝pmax这两个条件求出q的最优解。

33、进一步地，求解接收流体天线位置r优化问题，具体包括：

34、接收流体天线位置r优化问题表示为：

35、

36、

37、||rk-rl||2≥d,k,l＝1,2,…,m,k≠l

38、利用天线位置变量解耦将优化问题转换为如下问题后通过二阶泰勒展开求解：

39、

40、

41、||rm-rk||2≥d,k＝1,2,...,m,k≠m

42、其中，f(rm)为矩阵f(r)中第m列向量，为矩阵f(r)中去除f(rm)后剩余的lr×(m-1)维矩阵，为lr×lr维单位矩阵。

43、进一步地，求解发射流体天线位置t优化问题，具体包括：

44、发射流体天线位置t优化问题表示为：

45、maxt tr(g(t)qgh(t))

46、

47、||tk-tl||2≥d,k,l＝1,2,...,n,k≠l

48、利用cauchy-schwarz不等式和天线位置变量解耦，将优化问题转换为如下问题后通过二阶泰勒展开求解：

49、

50、

51、||tn-tk||2≥d,k＝1,2,...,n,k≠n

52、其中，g(tn)为矩阵g(t)中第n列向量，

53、基于相同的发明构思，本发明还提供一种利用流体天线的mimo传输系统，包括发射机、接收机以及速率优化模块，发射机和接收机侧均部署多个能够在给定区域内自由移动流体天线，所述速率优化模块，通过建立信道模型并根据统计信道信息构建最大化系统可达速率的优化问题，通过优化发射流体天线位置接收流体天线位置以及发射协方差矩阵q优化系统可达速率。

54、有益效果：本发明基于较易获取的统计信道状态信息对利用流体天线的mimo系统进行了建模，建立了信道矩阵和流体天线位置之间的关系；相比于天线位置固定的传统mimo，流体天线的利用使mimo系统可以获得更高的可达速率。本发明运用交替优化、cauchy-schwarz不等式和泰勒展开进行了对利用流体天线的mimo系统的速率优化，能够实现系统速率显著提升，并且降低优化问题求解和物理层实现的复杂度，加快了运算速度。