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一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法   0    0

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专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2017-06-26
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2017-11-17
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2020-06-16
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2037-06-26
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN201710494524.4 申请日 2017-06-26
公开/公告号 CN107181515B 公开/公告日 2020-06-16
授权日 2020-06-16 预估到期日 2037-06-26
申请年 2017年 公开/公告年 2020年
缴费截止日
分类号 H04B7/0456H04B7/06 主分类号 H04B7/0456
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 0
权利要求数量 1 非专利引证数量 1
引用专利数量 3 被引证专利数量 0
非专利引证 1、Yuanming Shi et al..Smoothed L p-Minimization for Green Cloud-RAN《.IEEEJOURNAL ON SELECTED AREAS INCOMMUNICATIONS》.2016,第34卷(第4期),1-15. Meisam Razaviyayn et al..A UnifiedConvergence Analysis of Block《.SIAMJ.Optim》.2013,第23卷(第2期),1126-1153.;
引用专利 CN1890935A、US9369513B2、CN105743559A 被引证专利
专利权维持 5 专利申请国编码 CN
专利事件 事务标签 公开、实质审查、授权
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 浙江理工大学 当前专利权人 浙江理工大学
发明人 王维维、赵明杰、史清江、徐伟强、吴呈瑜 第一发明人 王维维
地址 浙江省杭州市江干经济开发区2号大街928号 邮编 310018
申请人数量 1 发明人数量 5
申请人所在省 浙江省 申请人所在市 浙江省杭州市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
杭州求是专利事务所有限公司 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
刘静、邱启旺
摘要
本发明公开了一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法,包括以下步骤:首先获取多输入多输出(MIMO)系统的参数,建立MIMO系统天线选择问题的数学模型;接着利用光滑近似(SA)思想将MIMO系统天线选择问题转化为光滑问题,迭代求解该问题,完成天线选择;最后,对所选择的MIMO子系统进行最优预编码设计。本发明利用光滑近似思想设计MIMO系统联合预编码和天线选择,能够在获得良好系统信噪比的情况下实现快速的天线选择。
  • 摘要附图
    一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法
  • 说明书附图:图1
    一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法
  • 说明书附图:图2
    一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法
  • 说明书附图:图3
    一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法
  • 说明书附图:图4
    一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2020-06-16 授权
2 2017-11-17 实质审查的生效 IPC(主分类): H04B 7/0456 专利申请号: 201710494524.4 申请日: 2017.06.26
3 2017-09-19 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1):获取多输入多输出(MIMO)系统参数:基站(BS)发射天线数N、移动终端接收天线数M、发射机从N个发射天线中选择的发射天线数K、最大发射功率P;
(2):利用导频方法进行信道估计得到信道矩阵H, 初始化收敛阈值ε、功率约束向量x、近似光滑系数β;
(3):利用光滑近似思想,得到光滑的MIMO系统天线选择优化问题:
其中x为优化变量,ρ为对偶优化变量,hi为信道矩阵H的第i列;
(4):近似求解问题(1a)的内层优化问题,得到启发式解ρ*:
其中(|xHhi|2)K为所有|xHhi|2中第K大的元素,i=1,…,N;然后根据下述迭代式子更新x;
其中,xk为第k次迭代中x的值,
如果满足条件 执行步骤5,否则重复步骤4;
H 2
(5):根据步骤4得到x,计算|xhi|,取最大的K个值对应的索引号作为天线选择集合I;
(6):根据步骤5得到天线选择集合I,形成相应的MIMO子系统进行预编码处理即HI=H(:,I),对 进行特征值分解,令最大特征值对应的特征向量为υ,取 作为预编码向量。
说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及移动通信技术领域,具体涉及一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法。

背景技术

[0002] 近年来,人们对无线通信的需求日益增高,而现有无线系统已逐渐难以满足需求,下一代无线系统(5G)的研究愈发迫切。作为下一代无线通信系统的关键技术之一,大规模多输入多输出系统(massive MIMO)的研究吸引了越来越多的研究者。大规模MIMO天线数量增多会增加射频链路数量,这极大的增加了系统成本和复杂度。解决该问题的一个有效方案就是天线选择。该技术在保留MIMO系统大多数优点的前提下有效地降低了系统成本和复杂度。然而,天线选择问题本身是一个NP-hard问题,求解该问题需要依赖遍历搜索方法,否则无法得到全局最优解。而遍历搜索方法会使得计算时间复杂度随天线数量指数增加,在大规模MIMO中难以在相干时间内计算出最佳的天线选择方案,因此降低时间复杂度的天线选择算法在大规模MIMO中极为重要。因此本发明利用光滑近似(SA)思想解决天线选择中的NP-hard问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法,本发明考虑了MIMO系统天线选择中NP-hard问题以及遍历搜索计算复杂度过高的问题,可以保证在获得良好系统信噪比的情况下实现快速的天线选择。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法,该方法包括如下步骤:
[0005] (1):获取多输入多输出(MIMO)系统参数:基站(BS)发射天线数N、移动终端接收天线数M、发射机从N个发射天线中选择的发射天线数K、最大发射功率P;
[0006] (2):利用导频方法进行信道估计得到信道矩阵 初始化收敛阈值ε、功率约束向量x、近似光滑系数β;
[0007] (3):利用光滑近似思想,得到光滑的MIMO系统天线选择优化问题:
[0008]
[0009] 其中x为优化变量,ρ为对偶优化变量,hi为信道矩阵H的第i列;
[0010] (4):近似求解问题(1a)的内层优化问题,得到启发式解ρ*:
[0011]
[0012] 其中(|xHhi|2)K为所有|xHhi|2(i=1,…,N)中第K大的元素;然后根据下述迭代式子更新x;
[0013]
[0014] 其中,xk为第k次迭代中x的值,
[0015] 如果满足条件||xk-xk+1||2≤ε,执行步骤5,否则重复步骤4;
[0016] (5):根据步骤4得到x,计算|xHhi|2,取最大的K个值对应的索引号作为天线选择集合I:
[0017] (6):根据步骤5得到天线选择集合I,形成相应的MIMO子系统进行预编码处理即HI=H(:,I),对 HI进行特征值分解,令最大特征值对应的特征向量为v,取 作为预编码向量。
[0018] 与现有技术相比,本发明有益效果:本发明首先利用光滑近似(SA)思想将天线选择中的NP-hard问题转化成光滑问题,然后迭代求解该问题,完成天线选择;最后对所选择的MIMO子系统进行最优预编码设计。本发明利用SA,能够在获得良好系统信噪比的情况下实现快速的天线选择。

实施方案

[0023] 为了使本发明的目的和效果更加清楚,下面结合附图对本发明方法的具体实施方式进行详细说明。
[0024] 如图1所示,考虑多输入多输出(MIMO)系统,该系统信号从一个包含N个发射天线的基站(BS)传输到一个有M个接收天线的移动终端,假设任意发射天线和接收天线间的信道是平坦衰落的,则M×N基带信道复矩阵记作
[0025] G=[g1 g2 … gM]H   (1)
[0026] 其中 是一个包含N个发射天线和第m个接收天线间信道系数的复数行向量,m=1,2,…,M。接收机有信道矩阵G的信息。
[0027] 基于接收机的反馈,发射机选择K(从N个中)个发射天线并使用总功率约束来进行预编码,并传输信号 我们可以等价地说它使用一个预编码向量v∈VN,服从约束||v||0=K,其中
[0028] VN={v∈CN:||v||≤1}    (2)
[0029] 那么下变频的脉冲匹配滤波接收到的M×1的向量为:
[0030]
[0031] 其中 是一个零均值加性有色复噪声向量,它的自相关矩阵记作R。由于y代表一个在有色噪声干扰下的未知信号向量,最大化信噪比滤波器就是最小均方差(MMSE)滤波器
[0032]
[0033] 其输出为
[0034]
[0035] 那么输出信噪比就是
[0036]
[0037] 其中 是M×N的变换后的信道矩阵。等式(6)显示了先验信噪比与预编码向量的关系。
[0038] 我们的目标是选择K个基站天线并优化预编码向量v以最大化先验信噪比(6)。也就是,我们寻找下面问题的解v
[0039]
[0040] 由于问题(7)中存在||v||0=K约束项,导致问题(7)为一个NP-hard问题。求解该问题需要依赖遍历搜索方法,否则无法得到全局最优解。而遍历搜索方法会使得计算时间复杂度随天线数量指数增加,在MIMO中难以在相干时间内计算出最佳的天线选择方案。
[0041] 因此,本发明利用光滑近似(SA)思想求解天线选择问题。下面介绍SA具体转化方法:
[0042] 用hi表示H的第i列,对于任何向量u∈RN×1,定义Du为以u中元素为对角元素的对角阵。于是问题(7)转化为:
[0043]
[0044] 其中λmax(A)表示A的最大的奇异值。
[0045] 由于λ(AB)=λ(BA),并且DuDu=Du,问题(8)可以写成:
[0046]
[0047] 考虑到Du是对角元素由K个1和N-K个0构成的对角阵,可以得到:
[0048]
[0049] 根据拉格朗日对偶定理,有:
[0050]
[0051] 其中(a)+=max(a,0),将上式代入问题(10)可得:
[0052]
[0053] 问题(12)等价于问题(8),但是问题(12)不是光滑问题,利用光滑近似思想将该问题转化为一个光滑问题,其中β为近似光滑系数:
[0054]
[0055] 因此,根据上述转化步骤利用光滑近似思想可以将原NP-hard问题(7)转化为光滑问题:
[0056]
[0057] 图2给出了上述光滑近似(SA)思想的算法流程图。具体地,可以描述如下:
[0058] 一种基于光滑近似思想的MIMO系统联合预编码和天线选择方法包括如下步骤:
[0059] (1):获取多输入多输出(MIMO)系统参数:基站(BS)发射天线数N、移动终端接收天线数M、发射机从N个发射天线中选择的发射天线数K、最大发射功率P;
[0060] (2):利用导频方法进行信道估计得到信道矩阵 初始化收敛阈值ε、功率约束向量x、近似光滑系数β;
[0061] (3):利用光滑近似思想,得到光滑的MIMO系统天线选择优化问题:
[0062]
[0063] 其中x为优化变量,ρ为对偶优化变量,hi为信道矩阵H的第i列;
[0064] (4):近似求解问题(1a)的内层优化问题,得到启发式解ρ*:
[0065]
[0066] 其中(|xHhi|2)K为所有|xHhi|2(i=1,…,N)中第K大的元素;然后根据下述迭代式子更新x;
[0067]
[0068] 其中,xk为第k次迭代中x的值,
[0069] 如果满足条件||xk-xk+1||2≤ε,执行步骤5,否则重复步骤4;
[0070] (5):根据步骤4得到x,计算|xHhi|2,取最大的K个值对应的索引号作为天线选择集合I:
[0071] (6):根据步骤5得到天线选择集合I,形成相应的MIMO子系统进行预编码处理即HI=H(:,I),对 HI进行特征值分解,令最大特征值对应的特征向量为v,取 作为预编码向量。
[0072] 下面通过具体实例对本发明的技术方案进行进一步阐述。实验中,采用10-2(10根发射天线,2根接收天线和选择发射天线数量),20-2,30-2,40-2,50-2,60-2,70-2,80-2,90-2,100-2,进行算法验证。具体地,使用下面的实验参数:
[0073] 收敛阈值ε取值范围0.0001-0.1,功率约束向量x为随机单位复向量近似光滑系数β取值范围2-100。
[0074] 在本实施例中定义||xk-xk+1||2为收敛指标,当其小于ε时,说明已满足最优天线集合选择条件。
[0075] 图3分别给出了SA和辅助角算法(AA)下的最大信噪比和天线规模关系图。从图中可以看出,SA的最大信噪比性能与AA的最大信噪比性能近似,能够实现良好的信噪比性能。
[0076] 图4分别给出了SA和AA运行时间和天线规模关系图。从图中可以看出,SA随天线规模增大计算时间并没有明显增加且都为毫秒级,SA所需计算时间比AA快数倍,SA可以快速实现MIMO系统天线选择。
[0077] 本发明不仅局限于上述具体实施方式,本领域一般技术人员根据本发明公开的内容,可以采用其它多种具体实施方案实施本发明。因此,凡是采用本发明的设计结构和思路,做一些简单的变化或更改的设计,都落入本发明保护范围。

附图说明

[0019] 图1是本发明实施例多输入多输出(MIMO)系统模型图。
[0020] 图2是本发明实施例采用光滑近似(SA)的具体流程图。
[0021] 图3是本发明实施例最大信噪比和天线规模关系图。
[0022] 图4是本发明实施例算法运行时间和天线规模关系图。
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