一種基于最大化容量的接收端天線選擇方法技術

本發明專利技術屬于通信抗干擾技術領域，具體的說是涉及一種基于最大化容量的接收端天線選擇算法。本發明專利技術主要為了獲得更好的系統容量，具體方法如下：首先求得基于最大化容量的目標函數，其具體求法在說明書發明專利技術內容部分給出；然后給定迭代初始值，初始RAS矩陣，步長，容差參數，懲罰因子以及初始RAS矩陣的共軛梯度；接著迭代計算RAS矩陣的估計值并更新，若滿足設定的條件則終止，否則增大懲罰因子再計算，直至滿足設定條件。本發明專利技術的有益效果為，以前的天線選擇算法都是利用間接的性能度量，比如SNR和歐氏距離等，從而導致一些性能上的損失，而本發明專利技術從最大化容量角度出發，和傳統的設計相比，能獲得幾乎最優的系統容量性能，并且具有極低的算法復雜度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于通信抗干擾
，涉及空間調制(SpatialModulation,SM)技術，天線選擇技術(AntennaSelection)，多輸入多輸出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)技術，以及毫米波通信(Millimeter-Wave(mmWave)Communication)。
技術介紹
MIMO系統相對于單輸入單輸出(SISO)系統，在系統容量上有了很大的提升。但是由于MIMO系統中配備多個昂貴的射頻鏈路，使得硬件的成本和復雜度都增加很大，因此，為了發揮MIMO系統的空間分集或空間復用的優點以及降低硬件成本，人們提出了天線選擇技術。對于天線選擇的研究，主要研究方向在于如何選擇出最優的天線組合。對此，進行天線選擇主要有兩個準則，一是容量最大準則，二是誤碼率最小準則。新興起的毫米波通信技術能提供大量的帶寬，并且有效提高通信容量，因此被視為5G移動網絡的一個重要部分。將毫米波技術與MIMO技術相結合(mmWave-MIMO)可以克服毫米波傳播的高路徑損耗的問題，而新興的SM技術可以為mmWave-MIMO提供低復雜度和高速率設計，因此提出了毫米波SM-MIMO系統。為了在提供可從MIMO系統獲得的確定分集增益的同時減少RF的成本損耗，接收端天線選擇(ReceiveAntennaSelection,RAS)是一個很有效的技術,于是提出了毫米波通信的RAS-SM方案。
技術實現思路
本專利技術的目的，就是針對毫米波SM-MIMO系統提出一種基于容量最大化準則的接收端天線選擇算法。本專利技術的技術方案如下：假設有Nt根發送天線，Nr根接收天線，毫米波信道矩陣可表示為其中h1,h2,...,hNr是H中和接收天線相對應的行向量，[]T表示矩陣的轉置。令Uu表示第u種天線選擇方案的天線索引集合，Hu表示第u種天線選擇方案對應的L×Nt維信道矩陣。那么可能的接收天線子集有個，即從Nr根接收天線中選取L根，我們的目標便是根據最優化某個性能度量函數，從這些候選的子集U＝{U1,...,UNu本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于最大化容量的接收端天線選擇方法，該天線選擇方法用于毫米波SM?MIMO系統，其特征在于，包括以下步驟：a.設有Nr根接收天線，定義初始矩陣Δ(1)，即Δj,j＝1,...,Nr,Δj∈domfc(Δ)，domf(x)表示函數f(x)的定義域；步長μ>1，容差參數β>0，懲罰因子t>0，初始RAS矩陣Δ(1)的共軛梯度為b.采用簡化共軛梯度算法，采用如下代價函數：約束于∑Δi＝L其中，L是從Nr根接收天線中選擇出的天線數，fc(Δ)和的獲得步驟如下：假設有Nt根發送天線，Nr根接收天線，毫米波信道矩陣可表示為其中是H中和接收天線相對應的行向量，[]T表示矩陣的轉置，令Uu表示第u種天線選擇方案的天線索引集合，Hu表示第u種天線選擇方案對應的L×Nt維信道矩陣，那么可能的接收天線子集有個，即從Nr根接收天線中選取L根，根據最優化某個性能度量函數，從這些候選的子集中選取最優的Uu：RAS優化問題表示為：其中，f(Uu,H)為性能度量函數；為簡化接收信號模型的表達，定義以下Nr×Nr維矩陣：其中，對角元可表示為：通過公式(3)，有ΔHΔ＝ΔΔH＝ΔH,Hu＝ΔH，其中ΔH表示矩陣Δ的共軛轉置，于是，經過天線選擇后，接收信道可寫為：y＝ΔHx+n????????????????????????(公式4)其中，x和n分別是發送向量和噪聲向量，并假設ε(xnH)＝0，噪聲向量n中元素服從復高斯分布CN(0,N0),其中，N0為噪聲功率，ε()表示求期望；對于一個給定的Hu＝ΔH，容量C1的下界為：其中是接收端的平均信噪比，hu(i),i＝1,...,Nt是對應Hu的第i列；容量C2為：C2≤log2(Nt)??????????????????????(公式6)于是通過公式(5)和公式(6)有總容量CSM為：α≤CSM≤α+log2(Nt)??????????????????(公式7)從公式(7)可知，SM?MIMO系統容量取決于參數α，其可改寫為：其中，hji是矩陣H的第(j,i)個元素，(A)ii表示矩陣A的第i個對角元；通過公式(8)，基于最大化容量的接收端天線選擇問題可以表示為：從公式(9)可以看出，最大容量最優化是組合問題，因為Δj,j＝1,...,Nr是二元整數變量，即NP?困難問題；為了尋找低復雜度的解決辦法，令Δj,j＝1,...,Nr為連續變量而不是離散變量，于是公式(9)可改寫為：可知對于一個給定的信道矩陣H，最優化容量度量α(Δ)是關于變量Δj,j＝1,...,Nr的凹函數；假設fc(Δ)是RAS最優化問題的代價函數，令fc(Δ)＝?α(Δ)，其關于Δj,j＝1,...,Nr的梯度函數為為解決公式(10)的最優化問題，首先去除不等式約束，從而將公式(10)改寫為：其中假設懲罰因子t為非負的，為對數障礙函數，其可定義為：從公式(12)可以看出是滿足不等式約束0≤Δj≤1,j＝1,...,Nr的點集，并且有：可知公式(11)仍然是凸函數；然后通過如下步驟計算估計值Δ(t)*，即在以t為懲罰因子時，公式(11)的最優解：b1.初始化：設置步長ζ>0，終止標量κ>0，最大迭代次數NSCG，n＝1；b2.判斷||W(n)||2<κ或n>NSCG是否成立，若是，則進入步驟b3，若否，則依次執行以下計算公式：Δ(n+1)＝Δ(n)?ζW(n)/||W(n)||α＝L/tr(Δ(n+1)(Δ(n+1))H)Δ(n+1)=αΔ(n+1)]]>ω(n+1)=∂F(Δ)/∂ΔH|Δ(n+1)]]>其中Δ(n)和W(n)分別表示Δ和W的第n次迭代的值；b3.獲得Δ(t)*的解為Δ(n+1)；c.根據獲得的估計值Δ(t)*對矩陣進行更新：Δ＝Δ(t)*＝Δ(n+1)；d.判斷Nr/t<β是否成立，若是，則終止；若否，則令t＝μt，并返回步驟b。...

【技術特征摘要】
1.一種基于最大化容量的接收端天線選擇方法，該天線選擇方法用于毫米波SM-MIMO系統，其特征在于，包括以下步驟：a.設有Nr根接收天線，定義初始矩陣Δ(1)，即Δj,j＝1,...,Nr,Δj∈domfc(Δ)，domf(x)表示函數f(x)的定義域；步長μ>1，容差參數β>0，懲罰因子t>0，初始RAS矩陣Δ(1)的共軛梯度為b.采用簡化共軛梯度算法，采用如下代價函數：約束于∑Δi＝L其中，L是從Nr根接收天線中選擇出的天線數，fc(Δ)和的獲得步驟如下：假設有Nt根發送天線，Nr根接收天線，毫米波信道矩陣可表示為其中是H中和接收天線相對應的行向量，[]T表示矩陣的轉置，令Uu表示第u種天線選擇方案的天線索引集合，Hu表示第u種天線選擇方案對應的L×Nt維信道矩陣，那么可能的接收天線子集有個，即從Nr根接收天線中選取L根，根據最優化某個性能度量函數，從這些候選的子集中選取最優的Uu：RAS優化問題表示為：其中，f(Uu,H)為性能度量函數；為簡化接收信號模型的表達，定義以下Nr×Nr維矩陣：其中，對角元可表示為：通過公式(3)，有ΔHΔ＝ΔΔH＝ΔH,Hu＝ΔH，其中ΔH表示矩陣Δ的共軛轉置，于是，經過天線選擇后，接收信道可寫為：y＝ΔHx+n(公式4)其中，x和n分別是發送向量和噪聲向量，并假設ε(xnH)＝0，噪聲向量n中元素服從復高斯分布CN(0,N0),其中，N0為噪聲功率，ε()表示求期望；對于一個給定的Hu＝ΔH，容量C1的下界為：其中是接收端的平均信噪比，hu(i),i＝1,...,Nt是對應Hu的第i列；容量C2為：C2≤log2(Nt)(公式6)于是通過公式(5)和公式(6)有總容量CSM為：α≤CSM≤α+log2(Nt)(公式7)從公式(7)可知，SM-MIMO系統容量取決于參數α，其可改寫為：其中，hji是矩陣H的第(j,i)個元素，(A)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊平，游龍飛，肖悅，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川;51