基于大規模mimo系統的天線選擇方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信大規模多輸入多輸出（Massive MM0)系統，具體涉及一種基 于大規模MMO系統的天線選擇方法。
【背景技術】
[0002] 大規模MMO技術可以顯著地提升系統性能。但是，在實際系統中，由于考慮到 實際物理限制和實現該系統的復雜度，基站端的服務天線數目不能武斷地增加至無窮大。 此外，系統實現的成本也應當考慮到。給基站增加更多的服務天線通常是非常廉價的，并 且增加額外的數字信號處理單元也越來越便宜。然而，射頻（Radio Frequency，RF)鏈 路模塊中的器件，例如：射頻低噪聲放大器，數字上/下變頻轉換器（Digital Frequency Up Converter，DUC/Digital Frequency Down Converter，DDC)，模數 / 數模轉換器 (Analog-t〇-digital Converter，ADC/Digital-to-analog Converter，DAC)，成本是相當 高的。對于一個大規模MIMO系統，為基站所有的服務天線配置射頻鏈路是非常昂貴的。
[0003] 天線選擇技術是可以有效降低系統復雜度和實現成本的信號處理技術，并且在選 擇天線后可以一定程度上保留系統絕大部分優良的性能。在傳統的基站服務天線數目比較 小的MMO系統中，天線選擇技術已經被廣泛的研宄和討論。研宄主要集中在如何從N根天 線中選擇Q根性能所謂最優的天線，然后上/下行傳輸信號，并加以處理。通過這個過程使 得所需要的射頻鏈路的數目由N個降至Q個，通過天線選擇技術保留主要的天線，所以系統 仍然保留了絕大部分MMO技術的優良性質。
[0004] 天線選擇技術必須有選擇天線的標準，可以是最大化信道容量準則，接收機信噪 比最大化準則，最小化特征值展開，或者最小化誤碼率。當選取最大化信道容量為天線選擇 標準，天線選擇的最優方法通過窮舉法將所有可能的服務天線組合的信道容量計算出來， 從N根服務天線中選擇Q根具有最大信道容量的天線組合。此時需要計算的組合數等于
>隨著服務天線數目的增加，采用最優方法將導致復雜度和系統時延的大幅增加。一 種次優的天線選擇算法可以降低系統復雜度和時延，稱之為降序法（Descending Order)。 初始時，該算法將可選服務天線的整個集合的信道容量計算得到，然后在每一步中刪除掉 一根天線，所以稱為降序法。在迭代的每一步中，為系統容量貢獻最少的天線將被刪除，直 至剩余天線數達到所需要求，則迭代結束。降序法具有較高的選擇精確度。另一種次優的 天線選擇算法與降序法相對，稱之為升序法（Ascending Order)。該算法首先選擇具有最高 信道容量的一根天線，然后在迭代的每一步中，選擇為系統容量貢獻最大的一根天線，直至 所選天線數達到所需要求則迭代結束。
[0005] 上述兩種低復雜度的次優算法均需要迭代，并且在迭代過程中不斷地計算信道容 量，對于備選天線基數較大的大規模MMO系統，復雜度仍然很大。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于降低系統復雜度的同時保留較好的大規模MIMO系統性能，提 供一種基于大規模MMO系統的天線選擇方法。
[0007] 為達到上述目的，本發明采用了以下技術方案：
[0008] 1)基站的所有服務用戶向所述基站反饋信道狀態信息；
[0009] 2)經過步驟1)后，假設所有選擇天線的功率分配是均勻的，計算每一根備選的服 務天線所具有的信道容量，然后選出備選的服務天線中具有最大信道容量的天線，作為第 一根選擇天線；然后，根據矩陣空間的性質，從備選的服務天線中再不斷選擇將空域資源利 用最充分的天線，直至達到所需天線個數為止。
[0010] 所述步驟1)中，所述基站從所有服務用戶反饋得到精確的下行信道狀態信息。
[0011] 所述所需天線個數與系統射頻鏈路數相同。
[0012] 所述所需天線個數彡2。
[0013] 所述步驟2)具體包括以下步驟：
[0014] 2. 1)從備選服務天線集合^lt中選出信道容量最大的天線作為第一根選擇天線， 并將第一根選擇天線從備選服務天線集合^C lt :移入到已選擇天線集合^Cel中；
[0015] 2. 2)求出已選擇天線集合的信道矩陣Htemp中所有列構成空間零空間 S? temp'O,
[0016] 2. 3)求出空間在u的投影算子P ;
[0017] 2. 4)根據投影算子P計算備選服務天線集合^lt中所有天線的投影，取出具有最 大投影模值的天線，作為選擇天線，并將該天線從備選服務天線集合? ^clt移入到已選擇天 線集合中；
[0018] 2. 5)如果已選擇天線個數沒有達到所需天線個數，則重復步驟2. 2)至步驟2. 4); 否則，天線選擇過程結束。
[0019] 本發明具有以下有益效果：
[0020] 本發明在進行天線選擇過程中，考慮大規模MMO系統的基站配置有大量天線，在 基站已知完整的信道狀態信息（CSI)的條件下，通過選擇空域資源利用最充分的天線集 合，能夠明顯降低天線選擇過程的復雜度，較好地保留大規模MMO系統的性能。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發明的系統模型圖；
[0022] 圖2為本發明與隨機選擇天線的信道容量比較圖；
[0023]圖3為本發明與同樣基于最大化信道容量的升序法的信道容量比較圖；
[0024]圖4為本發明與基于最大化信道容量準則的最優方法的信道容量比較圖；
[0025]圖5為本發明和基于最大化信道容量準則的最優方法的信道容量的差值。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖和實施例對本發明做詳細描述。
[0027] 本發明方法適用的系統模型參見圖1。考慮下行單小區多用戶MIMO系統的場 景：基站配置有N根服務天線和Q個射頻鏈路，同時同頻為M個單天線用戶服務，其中 Q <N，如圖1中所示。假設基站可以得到基站到所有服務用戶完整的信道狀態信息。 基于完整的信道狀態信息，依據最大化信道容量準則，從N根服務天線中選擇出Q根所謂的 最優天線。將這選擇好的Q根天線通過交換器與Q個射頻鏈路一一對應連接。
[0028] 首先，^^表示所有備選服務天線的集合，不包括已選天線；^el為已選擇天線集 合。初始化^lt和^61，令^CltS基站配置的所有服務天線的集合，為空集。
[0029] 步驟一：選擇第一根天線。需要為每一根備選的服務天線計算其單天線所具有的 信道容量，信道容量為：
[0031] 其中Im為M階單位矩陣；Ntl為噪聲功率；E ,表示基站發射總功率；h alt;i表示第i 根備選天線的信道狀態信息，H表示共軛轉置，det表示求矩陣行列式。
[0032] 令H表示完整的信道狀態信息（即信道矩陣），那么從N根服務天線中選擇Q根天 線，等價于從矩陣H的全部N列中選擇Q列，其中，列向量halt/ G CMxl (I <纟< 表示第i 個備選天線對應的下行信道狀態信息，也是矩陣H中所選的第i列。
[0033] 當計算出所有單天線所具有的信道容量后，選出其中信道容量最大的那根天線， 作為第一根所選擇的天線，該天線所對應的信道狀態信息為h，表示為：
[0035]令已選擇天