本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光滑近似思想的mimo系統(tǒng)聯(lián)合預(yù)編碼和天線選擇方法。

背景技術(shù)：

近年來，人們對無線通信的需求日益增高，而現(xiàn)有無線系統(tǒng)已逐漸難以滿足需求，下一代無線系統(tǒng)(5g)的研究愈發(fā)迫切。作為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)(massivemimo)的研究吸引了越來越多的研究者。大規(guī)模mimo天線數(shù)量增多會增加射頻鏈路數(shù)量，這極大的增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。解決該問題的一個有效方案就是天線選擇。該技術(shù)在保留mimo系統(tǒng)大多數(shù)優(yōu)點的前提下有效地降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。然而，天線選擇問題本身是一個np-hard問題，求解該問題需要依賴遍歷搜索方法，否則無法得到全局最優(yōu)解。而遍歷搜索方法會使得計算時間復(fù)雜度隨天線數(shù)量指數(shù)增加，在大規(guī)模mimo中難以在相干時間內(nèi)計算出最佳的天線選擇方案，因此降低時間復(fù)雜度的天線選擇算法在大規(guī)模mimo中極為重要。因此本發(fā)明利用光滑近似(sa)思想解決天線選擇中的np-hard問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光滑近似思想的mimo系統(tǒng)聯(lián)合預(yù)編碼和天線選擇方法，本發(fā)明考慮了mimo系統(tǒng)天線選擇中np-hard問題以及遍歷搜索計算復(fù)雜度過高的問題，可以保證在獲得良好系統(tǒng)信噪比的情況下實現(xiàn)快速的天線選擇。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種基于光滑近似思想的mimo系統(tǒng)聯(lián)合預(yù)編碼和天線選擇方法，該方法包括如下步驟：

(1)：獲取多輸入多輸出(mimo)系統(tǒng)參數(shù)：基站(bs)發(fā)射天線數(shù)n、移動終端接收天線數(shù)m、發(fā)射機從n個發(fā)射天線中選擇的發(fā)射天線數(shù)k、最大發(fā)射功率p；

(2)：利用導(dǎo)頻方法進(jìn)行信道估計得到信道矩陣初始化收斂閾值ε、功率約束向量x、近似光滑系數(shù)β；

(3)：利用光滑近似思想，得到光滑的mimo系統(tǒng)天線選擇優(yōu)化問題：

其中x為優(yōu)化變量，ρ為對偶優(yōu)化變量，hi為信道矩陣h的第i列；

(4)：近似求解問題(1a)的內(nèi)層優(yōu)化問題，得到啟發(fā)式解ρ^*：

其中(|x^hhi|²)k為所有|x^hhi|²(i＝1，…，n)中第k大的元素；然后根據(jù)下述迭代式子更新x；

其中，xk為第k次迭代中x的值，

如果滿足條件||xk-xk+1||2≤ε，執(zhí)行步驟5，否則重復(fù)步驟4；

(5)：根據(jù)步驟4得到x，計算|x^hhi|²，取最大的k個值對應(yīng)的索引號作為天線選擇集合i：

(6)：根據(jù)步驟5得到天線選擇集合i，形成相應(yīng)的mimo子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)編碼處理即hi＝h(：，i)，對hi進(jìn)行特征值分解，令最大特征值對應(yīng)的特征向量為v，取作為預(yù)編碼向量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果：本發(fā)明首先利用光滑近似(sa)思想將天線選擇中的np-hard問題轉(zhuǎn)化成光滑問題，然后迭代求解該問題，完成天線選擇；最后對所選擇的mimo子系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)預(yù)編碼設(shè)計。本發(fā)明利用sa，能夠在獲得良好系統(tǒng)信噪比的情況下實現(xiàn)快速的天線選擇。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例多輸入多輸出(mimo)系統(tǒng)模型圖。

圖2是本發(fā)明實施例采用光滑近似(sa)的具體流程圖。

圖3是本發(fā)明實施例最大信噪比和天線規(guī)模關(guān)系圖。

圖4是本發(fā)明實施例算法運行時間和天線規(guī)模關(guān)系圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的和效果更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明方法的具體實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，考慮多輸入多輸出(mimo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)信號從一個包含n個發(fā)射天線的基站(bs)傳輸?shù)揭粋€有m個接收天線的移動終端，假設(shè)任意發(fā)射天線和接收天線間的信道是平坦衰落的，則m×n基帶信道復(fù)矩陣記作

g＝[g1g2…gm]^h(1)

其中是一個包含n個發(fā)射天線和第m個接收天線間信道系數(shù)的復(fù)數(shù)行向量，m＝1，2，…，m。接收機有信道矩陣g的信息。

基于接收機的反饋，發(fā)射機選擇k(從n個中)個發(fā)射天線并使用總功率約束來進(jìn)行預(yù)編碼，并傳輸信號我們可以等價地說它使用一個預(yù)編碼向量v∈vn，服從約束||v||0＝k，其中

vn＝{v∈cⁿ：||v||≤1}(2)

那么下變頻的脈沖匹配濾波接收到的m×1的向量為：

其中是一個零均值加性有色復(fù)噪聲向量，它的自相關(guān)矩陣記作r。由于y代表一個在有色噪聲干擾下的未知信號向量，最大化信噪比濾波器就是最小均方差(mmse)濾波器

其輸出為

那么輸出信噪比就是

其中是m×n的變換后的信道矩陣。等式(6)顯示了先驗信噪比與預(yù)編碼向量的關(guān)系。

我們的目標(biāo)是選擇k個基站天線并優(yōu)化預(yù)編碼向量v以最大化先驗信噪比(6)。也就是，我們尋找下面問題的解v

由于問題(7)中存在||v||0＝k約束項，導(dǎo)致問題(7)為一個np-hard問題。求解該問題需要依賴遍歷搜索方法，否則無法得到全局最優(yōu)解。而遍歷搜索方法會使得計算時間復(fù)雜度隨天線數(shù)量指數(shù)增加，在mimo中難以在相干時間內(nèi)計算出最佳的天線選擇方案。

因此，本發(fā)明利用光滑近似(sa)思想求解天線選擇問題。下面介紹sa具體轉(zhuǎn)化方法：

用hi表示h的第i列，對于任何向量u∈r^n×1，定義du為以u中元素為對角元素的對角陣。于是問題(7)轉(zhuǎn)化為：

其中λmax(a)表示a的最大的奇異值。

由于λ(ab)＝λ(ba)，并且dudu＝du，問題(8)可以寫成：

考慮到du是對角元素由k個1和n-k個0構(gòu)成的對角陣，可以得到：

根據(jù)拉格朗日對偶定理，有：

其中(a)+＝max(a，0)，將上式代入問題(10)可得：

問題(12)等價于問題(8)，但是問題(12)不是光滑問題，利用光滑近似思想將該問題轉(zhuǎn)化為一個光滑問題，其中β為近似光滑系數(shù)：

因此，根據(jù)上述轉(zhuǎn)化步驟利用光滑近似思想可以將原np-hard問題(7)轉(zhuǎn)化為光滑問題：

圖2給出了上述光滑近似(sa)思想的算法流程圖。具體地，可以描述如下：

一種基于光滑近似思想的mimo系統(tǒng)聯(lián)合預(yù)編碼和天線選擇方法包括如下步驟：

(1)：獲取多輸入多輸出(mimo)系統(tǒng)參數(shù)：基站(bs)發(fā)射天線數(shù)n、移動終端接收天線數(shù)m、發(fā)射機從n個發(fā)射天線中選擇的發(fā)射天線數(shù)k、最大發(fā)射功率p；

(2)：利用導(dǎo)頻方法進(jìn)行信道估計得到信道矩陣初始化收斂閾值ε、功率約束向量x、近似光滑系數(shù)β；

(3)：利用光滑近似思想，得到光滑的mimo系統(tǒng)天線選擇優(yōu)化問題：

其中x為優(yōu)化變量，ρ為對偶優(yōu)化變量，hi為信道矩陣h的第i列；

(4)：近似求解問題(1a)的內(nèi)層優(yōu)化問題，得到啟發(fā)式解ρ^*：

其中(|x^hhi|²)k為所有|x^hhi|²(i＝1，…，n)中第k大的元素；然后根據(jù)下述迭代式子更新x；

其中，xk為第k次迭代中x的值，

如果滿足條件||xk-xk+1||2≤ε，執(zhí)行步驟5，否則重復(fù)步驟4；

(5)：根據(jù)步驟4得到x，計算|x^hhi|²，取最大的k個值對應(yīng)的索引號作為天線選擇集合i：

(6)：根據(jù)步驟5得到天線選擇集合i，形成相應(yīng)的mimo子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)編碼處理即hi＝h(：，i)，對hi進(jìn)行特征值分解，令最大特征值對應(yīng)的特征向量為v，取作為預(yù)編碼向量。

下面通過具體實例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步闡述。實驗中，采用10-2(10根發(fā)射天線，2根接收天線和選擇發(fā)射天線數(shù)量)，20-2，30-2，40-2，50-2，60-2，70-2，80-2，90-2，100-2，進(jìn)行算法驗證。具體地，使用下面的實驗參數(shù)：

收斂閾值ε取值范圍0.0001-0.1，功率約束向量x為隨機單位復(fù)向量近似光滑系數(shù)β取值范圍2-100。

在本實施例中定義||xk-xk+1||2為收斂指標(biāo)，當(dāng)其小于ε時，說明已滿足最優(yōu)天線集合選擇條件。

圖3分別給出了sa和輔助角算法(aa)下的最大信噪比和天線規(guī)模關(guān)系圖。從圖中可以看出，sa的最大信噪比性能與aa的最大信噪比性能近似，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的信噪比性能。

圖4分別給出了sa和aa運行時間和天線規(guī)模關(guān)系圖。從圖中可以看出，sa隨天線規(guī)模增大計算時間并沒有明顯增加且都為毫秒級，sa所需計算時間比aa快數(shù)倍，sa可以快速實現(xiàn)mimo系統(tǒng)天線選擇。

本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方案實施本發(fā)明。因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護(hù)范圍。