一种快速的mimo系统联合收发端天线选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信领域，具体设及一种快速的在MIM0系统中进行联合天线选 择的方法。
【背景技术】
[0002] MIM0(Multi-I吨utMulti-〇u化ut)系统通过在发射端和接收端配置多个天线W 获得分集增益和复用增益，使系统不增加带宽的情况下成倍提高信道容量和传输可靠性。 然而MIM0系统要使用与天线数目相匹配的射频链路而使实现成本上升。快速天线选择能 在减小MIM0系统实际应用中的实现复杂度和硬件成本的同时保持他们的优点。
[0003] 天线选择的最优算法是穷举法，该算法需要遍历所有可能组成的选择，通过计算 每个选择相对应的信道容量，从集合中选取一个子集使系统容量最大，但该方法计算复杂 度较高而不适用于信道条件多变的实时环境下。为了减低算法复杂度，基于信道相关性快 速选择算法被提出，大幅度降低了计算复杂度，同时信道容量损失也较大。
[0004] 针对当联合接收端和发送端进行选择时，信道容量接近最优但是计算复杂度稍大 的解禪算法被Goro化OV等人进一步提出，为简化计算量，通过矩阵求逆和矩阵划分达到对 信道容量公式的分析简化的算法被提出；但是该些算法都需要在收发端天线数目相同的情 况下运行。
[0005] 由于智能算法在解决凸优化问题时的优越性能，遗传算法W大幅度减少计算复杂 度的优势应用于天线选择，为改善遗传算法选择过程中天线数目与要求不匹配的问题，此 后化ang-YangLu等人提出了一种基于优先级的快速选择算法，但是遗传算法的多参数和 交叉变异操作使得算法在复杂度和性能的均衡方面有待改善。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种快速的MIM0系统联合收发端天线选择方法，能降低算法的计算 复杂度，提高算法性能。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0008] -种快速的MIM0系统联合收发端天线选择方法，包括W下步骤：
[0009] 步骤1 ;通过对MIM0系统信道容量公式的分析，导出采用二进制编码字符串表示 的信道容量，W此作为粒子群算法的适应度函数：
[0010]
【主权项】
1. 一种快速的ΜΙΜΟ系统联合收发端天线选择方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :通过对MMO系统信道容量公式的分析，导出采用二进制编码字符串表示的信 道容量，以此作为粒子群算法的适应度函数： C = log2det(/VR +^diagiQl)-H-UiagiiJ,) ^1) (1) 其中，IN#NtXNt的单位矩阵，用表示选择发射天线， 込=W 4…<1表示选择接收天线，其中彳和？f是二进制指示符，分别表示收发天线是 否被选择，f e丨04丨，Nt和Nr分别为系统的发射端和接收端配备的射频链路条 数，P表示信噪比； 步骤2 :选择具有最大信道幅值的天线作为种群的一个粒子，然后将该粒子以循环移 位的方式产生其他的粒子，进行种群初始化，输入算法的各项参数，其中每个粒子由目前位 置Xi= [ΧηΧ?2···Χω]、粒子速度Vi= [VilVfViJ和历史最优位置Pi= [pnpypiD]等三 个D维向量表示，其中Xide {〇，l}，Pide {0，1}，1 = 1，2，~乂(1=1，2，一，0，设置个体最 优值Pi和全局最优值g i; 步骤3 :根据适应度函数计算每个粒子的适应度值； Fitness = Iog2 dct(/ Vr +<1?α}ξ(?2) H dia^{0\) -Hu) (2) R Nt 步骤4 :将种群中各粒子的适应度值作比较，更新个体最优值Pi和全局最优值g i; 步骤5 :更新每个粒子的飞行速度Vi，速度更新公式为： v\d = + C1 ·rand() · (ρ\? -x\d) + C2 Tand(^gtid-Xtid) (3) 步骤6 :采用函数*〃）= 1 + ^(_^将速度值映射到被映射到区间[0, 1]，这里S(Vid) 表示位置\(1取1的概率，计算每位的更新概率，通过计算更新粒子位置以产生新的粒子群， 粒子位置更新公式为： |1 ,rand()< s(vid) ,其他 ⑷ 步骤7 :重复步骤3到步骤6,直到达到最大迭代次数，其中拥有最高适应度值的粒子将 作为输出结果，然后，全局最优粒子位置中对应的天线将作为被选择的天线进行通信。
2. 根据权利要求1所述的一种快速的MMO系统联合收发端天线选择方法，其特征在 于：步骤2中所述的粒子群算法的各项参数包括粒子种群数目、最大迭代次数、个体学习因 子、社会学习因子。
3. 根据权利要求1所述的一种快速的MMO系统联合收发端天线选择方法，其特征在 于：步骤1中所述的采用二进制编码字符串表示的信道容量，以此作为粒子群算法的适应 度函数，其具体实现步骤： 步骤I. 1 :考虑系统的发射端和接收端配备有Nt和^条（N> NJ射频链路， 且NT> N t，NK> Ny选择Nt和^条天线与射频电路相匹配，用二进制编码串表示： ρ = [< W…W.y W…< ]，g,T e e {〇，1}，其中和^是二进制指示符，分别表 示收发天线是否被选择；用=W W ···<]表示选择发射天线，β2 =[# 4…成]表示选 择接收天线，Htl表示被选择的天线矩阵； 步骤1. 2 :改写信道容量为：
1^是NtXNt的单位矩阵，（*) Η表示共轭转置，Omi是零矩阵； 步骤1. 3 :通过编码串％和Q 2对矩阵的选择得到￥β和H的关系： H0 = P2 (Iia^Q2) H dia^O,) · P1 (7) Cliag(Q2)和Cliag(Q1)是NkXNi^P NtXNt的对角矩阵，P JPP1均为置换矩阵且满足 _P2 P2 =： /~，P1 =/馬，得到：
即 det(IM+UV) = det(IN+VU) (10) 步骤I. 5 :根据公式（10)可以将联合收发端进行天线选择后的信道容量公式改写为
为了在算法迭代搜索结束后得到最大化的信道容量的天线选择配置，采用公式（11) 作为算法的适应度函数： /?财SS = log-，. // . </"吹((_)丨）.丑H)。 （12) R Nt
4.根据权利要求3所述的一种快速的MMO系统联合收发端天线选择方法，其特征在 于：步骤2所述的通过选择具有最大信道幅值的天线作为种群的一个粒子，然后将该粒子 以循环移位的方式产生其他的粒子，进行种群初始化，其具体实现包括以下子步骤： 步骤2. 1 :分别对发送端和接收端选择具有最大模值的的天线子集X(I4P X 步骤2. 2 :联结两个子集的二进制字符串得到基准粒子Xci= [χ Μ X(?]，其中 -vOT = [-xI x2 ' " xNt -^OR = [-xI X2 ' " xNi, ] (13) 步骤2. 3 :设置初始种群为Xi= [X iT xiK]，其中 _ J(^or)! , 0 < i ^ Nj _ ,0</'S Ajr ^it = |；7(χ0Τ) ,Ντ<?< N ' XiR = [^(.ν0Λ) "￥R < i < iV 1 其中（Xw)i是对Xtl^ i位循环左移，U(xOT)是对xOT中的字符串位置进行随机置换。
【专利摘要】本发明公开了一种用于MIMO系统的联合收发端天线选择方法，属于无线通信领域，采用基于二进制粒子群算法思想，通过对MIMO系统信道容量公式的分析，导出采用二进制编码字符串表示的信道容量，以此作为粒子群算法的适应度函数，简化了计算量；同时采用循环移位种群初始化以提高搜索效率，获得信道容量的提高。本发明在降低计算复杂度的同时获得的信道容量比其他几种次优算法更高。
【IPC分类】H04B7-06, H04B7-08
【公开号】CN104836607
【申请号】CN201510228886
【发明人】施荣华, 谢羽嘉, 董健
【申请人】中南大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月7日