隨機天線選擇方法、裝置與大規模MIMO系統與流程

本發明屬于寬帶無線通信
技術領域：
，具體涉及隨機天線選擇方法、裝置與大規模mimo系統。
背景技術：
：大規模mimo作為5g通信的關鍵技術，受到了國內外學者的廣泛關注。大規模mimo通過在基站配置幾十甚至幾百根天線，充分利用了空間自由度，提高了通信系統的頻譜效率和數據傳輸速率。但是，隨著全球氣候變暖造成的環境問題不斷加劇，人們對綠色通信的呼聲也越發高漲。雖然大規模mimo可以利用大量天線提高系統容量，但是相應的硬件成本和信號處理復雜度也隨天線的增加而增加。因此，找到一個不僅降低成本而且能發揮大規模mimo系統優點的有效方法至關重要。天線選擇技術，是按照一定的準則從發射\接收天線中選擇幾個最優天線組成發射\接收天線子集，使在發射端或接收端的射頻鏈路數少于配置的天線元件數，并將這些射頻鏈路自適應地轉換到天線子集上發射或接收信號，可以有效地減少系統成本，提高大規模mimo系統的性能。mimo系統包括發射機，接收機，分別在發射機和接收機上配置的射頻鏈路，以及信號處理芯片，發射機的發射端和接收機的接收端均安裝有天線元件，傳統的mimo系統配置的射頻鏈路數等于天線元件數，而采用天線選擇技術的mimo系統，其配置的射頻鏈路數小于天線元件數，該技術降低了mimo系統的復雜性和成本。現有的隨機天線選擇方法的原理是在所有的發送天線中隨機的選出期望的天線數目，實現步驟如下：(1)通過信道估計獲取信道狀態信息；(2)從信道矩陣中隨機的選出期望數目的列，作為選擇后的信道矩陣。該方法的優點是計算復雜度極低，缺點是沒有考慮信道狀態信息，會造成性能的下降。窮舉算法是在發送天線的所有可能候選子集中進行窮盡的搜索，從中找出具有最大系統容量的天線子集，該方法能最大限度的提高系統性能，但對于具有上百條的天線的大規模mimo系統，該方法的計算速度很慢。技術實現要素：本發明的目的是提供了一種隨機天線選擇方法、裝置與大規模mimo系統，用于解決現有隨機天線選擇技術沒有考慮信道狀態信息，造成性能下降的問題。為解決上述技術問題，本發明提出一種隨機天線選擇方法，包括以下步驟：1)建立mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取所述mimo系統的信道狀態信息；2)隨機選取s1組天線集合，s1≥2，根據信道容量最大原則對每組天線集合進行更新；每組天線集合更新的方式包括依次更新天線集合中的每個元素，并重復此更新的方式直至達到設定次數s2，或者更新后的天線集合不再變化；3)對更新后的s1組天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為最優天線集合。進一步，所述每組天線集合更新的方式具體包括以下步驟：a.將步驟2)中需要更新的每組天線集合作為初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中設有q個元素，每個元素表示一根天線；b.依次更新初始集合p中的每個元素p(k)，其中k＝1,…,q；將剩余未被選取的天線集合和第k個元素的并集中的每個元素依次代替初始集合p中的第k個元素，并求出新組成的每個天線集合所對應的信道容量，用其中具有最大信道容量的天線集合更新集合p，然后更新下一個元素，當全部q個元素更新完成后，得到最新的天線集合；c.將所述最新的天線集合作為初始集合，重復步驟b，直至達到設定次數s2，或者更新后的天線集合不再變化，此時獲得的天線集合為最終更新的天線集合。為解決上述技術問題，本發明還提出一種隨機天線選擇方法，包括以下步驟：(1)建立mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取所述mimo系統的信道狀態信息；(2)從所有發送天線中隨機選取一組天線集合，根據信道容量最大原則對該組天線集合進行更新，更新的方式包括依次更新所述一組天線集合中的每個元素，并重復此更新方式直至達到設定次數s3或者更新后的天線組合不再變化，將更新后的天線集合作為第一最優天線集合；(3)從所有發送天線中再隨機選取一組天線集合，按照所述更新的方式對重新選取的天線集合進行更新，將更新后的天線集合與所述第一最優天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為第二最優天線集合；(4)再選出下一個最優天線集合，直到隨機選取天線集合的次數達到設定次數s4時，將當前的最優天線集合作為最終的最優天線集合。進一步，每組隨機選取的天線集合進行更新的方式具體包括以下步驟：a.將步驟(2)中隨機選取的一組天線集合作為初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中設有q個元素，每個元素表示一根天線；b.依次更新初始集合p中的每個元素p(k)，其中k＝1,…,q；將剩余未被選取的天線集合和第k個元素的并集中的每個元素依次代替初始集合p中的第k個元素，并求出新組成的每個天線集合所對應的信道容量，用其中具有最大信道容量的天線集合更新集合p，然后更新下一個元素，當全部q個元素更新完成后，得到最新的天線集合；c.將所述最新的天線集合作為初始集合，重復步驟b，直至達到設定次數s3，或者更新后的天線集合不再變化，此時獲得的天線集合為最終更新后的天線集合。為解決上述技術問題，本發明還提出一種大規模mimo系統，包括發射機，接收機，分別在發射機和接收機上配置的射頻鏈路，以及用于選擇天線集合的處理器，所述處理器用于執行以下指令：1)建立mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取所述mimo系統的信道狀態信息；2)隨機選取s1組天線集合，s1≥2，根據信道容量最大原則對每組天線集合進行更新；每組天線集合更新的方式包括依次更新天線集合中的每個元素，并重復此更新的方式直至達到設定次數s2，或者更新后的天線集合不再變化；3)對更新后的s1組天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為最優天線集合。進一步，所述處理器還用于執行以下指令：a.將步驟2)中需要更新的每組天線集合作為初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中設有q個元素，每個元素表示一根天線；b.依次更新初始集合p中的每個元素p(k)，其中k＝1,…,q；將剩余未被選取的天線集合和第k個元素的并集中的每個元素依次代替初始集合p中的第k個元素，并求出新組成的每個天線集合所對應的信道容量，用其中具有最大信道容量的天線集合更新集合p，然后更新下一個元素，當全部q個元素更新完成后，得到最新的天線集合；c.將所述最新的天線集合作為初始集合，重復步驟b，直至達到設定次數s2，或者更新后的天線集合不再變化，此時獲得的天線集合為最終更新的天線集合。為解決上述技術問題，本發明還提出一種大規模mimo系統，包括發射機，接收機，分別在發射機和接收機上配置的射頻鏈路，以及用于選擇天線集合的處理器，所述處理器用于執行以下指令：(1)建立mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取所述mimo系統的信道狀態信息；(2)從所有發送天線中隨機選取一組天線集合，根據信道容量最大原則對該組天線集合進行更新，更新的方式包括依次更新所述一組天線集合中的每個元素，并重復此更新方式直至達到設定次數s3或者更新后的天線組合不再變化，將更新后的天線集合作為第一最優天線集合；(3)從所有發送天線中再隨機選取一組天線集合，按照所述更新的方式對重新選取的天線集合進行更新，將更新后的天線集合與所述第一最優天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為第二最優天線集合；(4)再選出下一個最優天線集合，直到隨機選取天線集合的次數達到設定次數s4時，將當前的最優天線集合作為最終的最優天線集合。進一步，所述處理器還用于執行以下指令：a.將步驟(2)中隨機選取的一組天線集合作為初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中設有q個元素，每個元素表示一根天線；b.依次更新初始集合p中的每個元素p(k)，其中k＝1,…,q；將剩余未被選取的天線集合和第k個元素的并集中的每個元素依次代替初始集合p中的第k個元素，并求出新組成的每個天線集合所對應的信道容量，用其中具有最大信道容量的天線集合更新集合p，然后更新下一個元素，當全部q個元素更新完成后，得到最新的天線集合；c.將所述最新的天線集合作為初始集合，重復步驟b，直至達到設定次數s3，或者更新后的天線集合不再變化，此時獲得的天線集合為最終更新后的天線集合。為解決上述技術問題，本發明還提出一種天線選擇裝置，包括用于選擇天線集合的處理器，所述處理器用于執行以下指令：1)建立mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取所述mimo系統的信道狀態信息；2)隨機選取s1組天線集合，s1≥2，根據信道容量最大原則對每組天線集合進行更新；每組天線集合更新的方式包括依次更新天線集合中的每個元素，并重復此更新的方式直至達到設定次數s2，或者更新后的天線集合不再變化；3)對更新后的s1組天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為最優天線集合。進一步，所述處理器還用于執行以下指令：a.將步驟2)中需要更新的每組天線集合作為初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中設有q個元素，每個元素表示一根天線；b.依次更新初始集合p中的每個元素p(k)，其中k＝1,…,q；將剩余未被選取的天線集合和第k個元素的并集中的每個元素依次代替初始集合p中的第k個元素，并求出新組成的每個天線集合所對應的信道容量，用其中具有最大信道容量的天線集合更新集合p，然后更新下一個元素，當全部q個元素更新完成后，得到最新的天線集合；c.將所述最新的天線集合作為初始集合，重復步驟b，直至達到設定次數s2，或者更新后的天線集合不再變化，此時獲得的天線集合為最終更新的天線集合。為解決上述技術問題，本發明還提出一種天線選擇裝置，包括用于選擇天線集合的處理器，所述處理器用于執行以下指令：(1)建立mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取所述mimo系統的信道狀態信息；(2)從所有發送天線中隨機選取一組天線集合，根據信道容量最大原則對該組天線集合進行更新，更新的方式包括依次更新所述一組天線集合中的每個元素，并重復此更新方式直至達到設定次數s3或者更新后的天線組合不再變化，將更新后的天線集合作為第一最優天線集合；(3)從所有發送天線中再隨機選取一組天線集合，按照所述更新的方式對重新選取的天線集合進行更新，將更新后的天線集合與所述第一最優天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為第二最優天線集合；(4)再選出下一個最優天線集合，直到隨機選取天線集合的次數達到設定次數s4時，將當前的最優天線集合作為最終的最優天線集合。進一步，所述處理器還用于執行以下指令：a.將步驟(2)中隨機選取的一組天線集合作為初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，初始集合p中設有q個元素，每個元素表示一根天線；b.依次更新初始集合p中的每個元素p(k)，其中k＝1,…,q；將剩余未被選取的天線集合和第k個元素的并集中的每個元素依次代替初始集合p中的第k個元素，并求出新組成的每個天線集合所對應的信道容量，用其中具有最大信道容量的天線集合更新集合p，然后更新下一個元素，當全部q個元素更新完成后，得到最新的天線集合；c.將所述最新的天線集合作為初始集合，重復步驟b，直至達到設定次數s3，或者更新后的天線集合不再變化，此時獲得的天線集合為最終更新后的天線集合。本發明的有益效果是：建立大規模mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取mimo系統的信道狀態信息，并從所有發送天線集合中隨機選取s1組天線集合，根據信道容量最大原則對每組天線集合進行更新，對更新后的s1組天線集合進行對比，將信道容量最大的一組集合作為最優天線集合。本發明考慮了系統的信道狀態信息，利用順序迭代過程不斷更新天線集合，從中選擇信道容量最大的天線集合，以低復雜度實現了好的系統性能，為大規模mimo在5g系統的標準化和實用化提供一定的技術支撐。建立大規模mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取mimo系統的信道狀態信息，從所有發送天線集合中隨機選取一組天線集合，根據信道容量最大原則對該組天線集合進行更新，選出第一最優天線集合，然后再選取一組天線集合，對該組天線集合更新，將更新后的天線集合與第一最優天線集合進行對比，選出第二最優天線集合，再選出下一個最優天線集合，直到達到設定次數時，將當前的最優天線集合作為最終的最優天線集合。本發明考慮了mimo系統的信道狀態信息，利用順序迭代過程不斷更新天線集合，從中選擇信道容量最大的天線集合，以低復雜度實現了好的系統性能，為大規模mimo在5g系統的標準化和實用化提供一定的技術支撐。附圖說明圖1是大規模mimo系統示意圖；圖2是接收天線選擇系統示意圖；圖3是本發明的方法流程圖；圖4是信道容量與信噪比的關系示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的說明。實施例一：建立大規模mimo系統的信號模型，包括發送端可以獲得接收端反饋的信道狀態信息。所有的發送天線集合設為γ＝{1,...,m}，從所有m根發送天線中隨機選取s1組天線集合，s1≥2，每組天線集合有q根天線，根據信道容量最大原則，按照以下方法對每組天線集合進行更新：將隨機選取的第一組天線集合作為第一初始集合，設置第一初始集合為p1＝{p1(1),p1(2),...,p1(q)}，依次更新初始集合p1中每個元素p(k)(k＝1,…,q)，更新方式為：假設更新p1中第k個元素，則將剩余未被選取的天線集合和p1中第k個元素的并集{γ\p1}∪p1(k)中的元素依次作為集合p1中的第k個元素，并求出新組成的每個天線集合所對應的信道容量，將其中具有最大信道容量的天線集合更新為新的初始集合p1。當將全部q個元素更新完成后，天線集合p1更新完畢。其中，\表示集排除。將更新完的天線集合p1作為初始集合，重復上述過程，直至達到設定的次數s2或者相鄰兩次更新的天線集合相同時停止，此時得到的集合是第一組天線集合更新后的天線集合。將選取的第二組天線集合作為第二初始集合，設置第二初始集合為p2＝{p2(1),p2(2),...,p2(q)}，依次更新初始集合p2中每個元素p2(k)(k＝1,…,q)，更新方式為：假設更新p2中第k個元素，則將剩余未被選取的天線集合和p2中第k個元素的并集{γ\p2}∪p2(k)中的元素依次作為集合p2中的第k個元素，并求出新組成的每個天線集合所對應的信道容量，將其中具有最大信道容量的天線集合更新為新的初始集合p2。當將全部q個元素更新完成后，生成最新的集合p2。其中，\表示集排除。將更新完的天線集合p2作為初始集合，重復上述過程，直至達到設定的次數s2或者相鄰兩次得到的p2相同時停止，此時得到的集合p2即是第二組天線集合更新后的天線集合。將s1組更新后的天線集合進行對比，具有最大信道容量的集合選為最優天線集合。上述天線選擇方法采用的是s1組天線集合并行計算更新天線集合的方法，計算速度快，得到最優天線集合的結果效率高，但是對硬件的要求也比較高，為了節省硬件成本，可以采用串行計算更新天線集合的方法，該方法包括以下步驟：從所有發送天線集合中隨機選取一組天線集合，根據信道容量最大原則對該組天線集合進行更新，更新的方式為：a.所有發送天線集合設為γ＝{1,...,m}，將一組隨機選取的天線集合作為初始集合p＝{p(1),p(2),...,p(q)}，其中q為所需要的天線數(q<m)。b.依次更新初始集合p中每個元素p(k)(k＝1,…,q)，更新方式為：假設更新p中第k個元素，則將剩余未被選取的天線集合和p中第k個元素的并集{γ\p}∪p(k)中的元素依次作為集合p中的第k個元素，并求出新組成的每個天線集合所對應的信道容量，將其中具有最大信道容量的天線集合更新為新的初始集合p。當上述過程將全部q個元素更新完成后，生成最新的集合p；上述并集中\表示集排除。c.將新產生的天線集合p作為初始集合，重復步驟b，直至達到設定次數s3或者相鄰兩次生成的集合p相同停止，此時獲得的集合p即是初始集合更新后的天線集合，將更新后的天線集合作為第一最優天線集合。從所有發送天線集合中再隨機選取一組天線集合，按照上述更新的方式對重新選取的天線集合進行更新，將更新后的天線集合與第一最優天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為第二最優天線集合。再選出下一最優天線集合，直到隨機選取天線集合的次數達到設定次數s4時，將當前的最優天線集合作為最終的最優天線集合。本發明考慮了天線的信道狀態信息，利用順序迭代過程不斷更新天線集合，從中選擇信道容量最大的天線集合，以低復雜度實現了好的系統性能，為大規模mimo在5g系統的標準化和實用化提供一定的技術支撐。本發明還提出了一種天線選擇裝置，包括用于選擇天線集合的處理器，處理器用于執行以下指令：1)建立大規模mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取所述mimo系統的信道狀態信息；2)隨機選取s1組天線集合，s1≥2，根據信道容量最大原則對每組天線集合進行更新；每組天線集合更新的方式包括依次更新天線集合中的每個元素，并重復此更新的方式直至達到設定次數s2，或者更新后的天線集合不再變化；3)對更新后的s1組天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為最優天線集合。本發明還提出另一種天線選擇裝置，包括用于選擇天線集合的處理器，處理器用于執行以下指令：(1)建立大規模mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取所述mimo系統的信道狀態信息；(2)從所有發送天線中隨機選取一組天線集合，根據信道容量最大原則對該組天線集合進行更新，更新的方式包括依次更新所述一組天線集合中的每個元素，并重復此更新方式直至達到設定次數s3或者更新后的天線組合不再變化，將更新后的天線集合作為第一最優天線集合；(3)從所有發送天線中再隨機選取一組天線集合，按照所述更新的方式對重新選取的天線集合進行更新，將更新后的天線集合與所述第一最優天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為第二最優天線集合；(4)再選出下一個最優天線集合，直到隨機選取天線集合的次數達到設定次數s4時，將當前的最優天線集合作為最終的最優天線集合。本發明的提出的兩種天線選擇裝置的處理器，執行的指令分別對應為上述兩種天線選擇方法，由于對上述兩種天線選擇方法的介紹已經足夠清楚完整，故不再對處理器執行的指令進行詳細描述。實施例二：如圖1所示的大規模mimo系統，包括發射機，接收機，分別在發射機和接收機上配置的射頻鏈路，以及用于選擇天線集合的處理器(圖中未畫出)，其中，射頻鏈路包括低頻噪聲放大器、鏈路轉換器、模數轉換器等。mimo系統的工作原理是：發射機利用從接收機反饋來的信道狀態信息，根據某項性能指標從所有發送天線中選擇部分性能優越的天線進行發送。部分并行數據流被同時發送至多輸入多輸出衰落信道，衰落后的數據流到達接收天線，射頻鏈路轉換器從所有接收天線中選擇部分天線進行接收，數據流經數個射頻鏈路處理后，進行解碼，這樣發送的數據被恢復出來。上述處理器用于執行以下步驟：假設圖1所示的是一個配備m根發射天線，n根接收天線的點對點大規模mimo系統，其中發射端有q個射頻鏈路q<m。假設在發射端進行天線選擇，接收端采用全部天線用于接收信號。發射機通過接收機的反饋可以獲取信道狀態信息，且所有選擇天線的功率分配是均勻的。從m根發射天線中選擇q根最優天線進行通信，則相應信道容量可以數學表示為：式中，ρ表示總的發射信噪比，in表示n×n的單位矩陣，halt表示n×q的選擇天線組成的信道矩陣，表示矩陣halt的共軛轉置，det()表示求矩陣的行列式。本發明利用隨機天線選擇算法進行天線選擇，該算法包括內循環和外循環兩部分：外循環：在每次外循環中，隨機生成一個天線集合，該天線集合設置為p＝{p(1),p(2),…,p(q)}，然后通過內循環優化得到其相應的優化天線集合，經過s1次外循環得到s1個天線集合，從中選擇具有最大信道容量的天線集合最為最終的選擇結果。內循環：在每次內循環中，根據信道容量最大原則依次更新初始集合p中的每個元素，具體步驟為：(1)更新集合p中第一個元素：將剩余天線集合{1,2,…,m}\p中的每個元素依次替換p中的第一個元素，并求出每次替換后天線集合所對應的信道容量，從中找出具有最大信道容量的天線集合并與初始集合p對比，將其中較大信道容量的天線集合p1作為更新第二個元素的初始集合。(2)更新p1中第二個元素：將剩余天線集合{1,2,…,m}\p1中的每個元素依次替換p1中的第二個元素，并求出每次替換后天線集合所對應的信道容量，從中找出具有最大信道容量的天線集合與集合p1的信道容量對比，將其中較大信道容量的天線集合p2作為更新第三個元素的初始集合。(3)以此類推，將q個元素全部更新完，得到最新天線集合pq，則此次內循環過程完畢。將上述所得天線集合pq作為下一次內循環的初始集合，不斷重復步驟(1)-步驟(3)，直至達到設定內循環次數s2或者相鄰兩次內循環所得到的天線集合相同時，結束內循環過程。下面結合仿真實驗分析本發明對傳統隨機天線方法性能的提升，仿真在matlab軟件環境下進行，仿真主要參數見表1。表1主要參數數值發送天線數m128接收天線數n4發射端射頻鏈路數q1～30信道平坦衰落信道由圖4不難看出，本發明的信道容量性能明顯高于傳統的隨機天線選擇方法，并且與窮舉方法的性能基本一樣。同時，隨著選擇天線數的增加，本發明的優勢也越發明顯。由于傳統的隨機天線選擇方法僅僅隨機選擇所需數目的天線，沒有考慮信道狀態信息，本發明彌補了傳統隨機天線選擇方法的不足，考慮了系統的信道狀態信息，利用順序迭代過程不斷更新天線集合，從中選擇信道容量最大的天線集合，大大提高了系統的性能，實現了接近窮舉算法的性能，且遠小于窮舉法的計算復雜度。本發明還提出了另一種mimo系統，包括發射機，接收機，分別在發射機和接收機上配置的射頻鏈路，以及用于選擇天線集合的處理器，處理器用于執行以下指令：建立mimo系統的信號模型，通過信道估計獲取所述mimo系統中的信道狀態信息。從所有發送天線中隨機選取一組天線集合，根據信道容量最大原則對該組天線集合進行更新，更新的方式包括依次更新集合中的每個元素，并重復此更新方式直至達到設定次數s3或者相鄰兩次產生的集合相同時停止，將更新后的天線集合作為第一最優天線集合。從所有發送天線中再隨機選取一組天線集合，按照更新的方式對重新選取的天線集合進行更新，將更新后的天線集合與第一最優天線集合進行對比，將信道容量最大的一組天線集合作為第二最優天線集合。再選出下一個最優天線集合，直到隨機選取天線集合的次數達到設定次數s4時，將當前的最優天線集合作為最終的最優天線集合。本發明的兩個mimo系統的不同之處在于，mimo系統的處理器運行的天線選擇指令不同，一種采用并行計算更新天線集合的方法，計算速度快、效果高，另一種采用串行計算更新天線集合的方法，計算速度相對較慢，但對處理器硬件要求不高。由于上述mimo系統的處理器采用的指令與串行計算更新天線集合的方法對應，因此不再對處理器執行的指令進行詳細描述。本發明提出的大規模mimo系統利用順序迭代的方法搜索信道容量最大的天線集合，以信道容量作為評價指標，計算復雜度遠遠低于窮舉方法，但性能卻很接近窮舉方法。以上所述僅為本發明的優選實施例，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求范圍之內。當前第1頁12