CN101521531B - 一种利用天线选择增强td-lte下行链路性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种增强TD-LTE下行链路性能的方法，涉及无线通信***。本发明基于最大化容量准则确定需要选取的天线数，进行天线子集选择和最小奇异值计算，然后基于ZF准则求预编码矩阵和信噪比，基于最小误码率准则选择传输天线，基站完成下行信息发送。在发送端天线单元存在相关性时，通过基于最大化容量准则确定天线数和基于最小误码率准则选择传输天线，可以消除或减弱天线相关性对MIMO和预编码的不利影响，从而增加TD-LTE***下行链路的容量和降低***误码率。另外，还可以减少TD-LTE***发射端射频器件数目和使MIMO处理中参与计算的矩阵维数更小，也降低了实现复杂性和成本。

Description

一种利用天线选择增强TD-LTE下行链路性能的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及增强TD-LTE下行链路***性能的一种方法。

背景技术

随着计算机技术、网络通信技术的飞速发展，宽带高速数据通信服务的需要正在不断增长。由于可用无线频谱资源的有限性，高数据速率只能通过高效的信号处理来实现。根据信息论结果，无线多入多出(MIMO)***能在不增加带宽的情况下显著地提高通信***的容量和频谱利用率。由于MIMO***的巨大容量潜力，成为解决无线高速数据传输的重要技术。目前，MIMO研究中一般假设信道是系数为独立同分布的复高斯变量，以简化所研究的***模型，而没有考虑多天线***中天线单元之间的相关性（简称为天线相关性）对***性能的影响。新一代移动通信***LTE(Long Term Evolution)的下行链路（基站到移动台）已采用MIMO技术，但天线相关性会导致MIMO***的性能明显下降；另外，LTE下行链路还利用预编码降低接收机（移动台）的复杂性，而预编码也受天线相关性影响严重。因此，解决LTE下行链路的天线相关性问题非常重要。

天线选择技术从发射/接收端的天线阵中选出部分天线（天线子集），使选出的天线子集所发挥的性能与使用全部天线进行通信的效果相当或者接近。关于天线选择的算法已有很多，如最大比发射／选择接收技术，基于最大容量的选择算法，基于最小误码率的选择算法等等。但是应用于存在天线相关性的LTE***的天线选择的研究还比较少，还没有较好的算法应用在具有MIMO和预编码的LTE***中。本发明针对十分双工的LTE***（TD-LTE***），提出一种应用于存在天线相关性的TD-LTE下行链路的天线选择算法，在满足用户传输质量或***容量的前提下，找到较少的发射天线数来用于传输，该方案能较好改善***性能和降低***成本。

发明内容

本发明针对新一代移动通信***TD-LTE下行链路（具有MIMO和预编码）中发射端天线相关性对***性能的影响以及从节约***成本方面，对存在天线相关性的TD-LTE下行链路中采用天线选择来增强***性能的可行性进行了探索。提出了一种天线选择算法，在发送端天线单元存在相关性时进行天线选择来增强TD-LTE***下行链路的性能（容量、误码率等）。

实现本发明所采用的技术方案是，在发送端天线单元存在相关性时提出了一种天线选择方法,（1）基站获取实施天线选择的信道信息：利用TD-LTE***中上下行信道的互惠性，根据上行链路得到的信道信息

，估计出下行链路的信道矩阵；（2）基于最大化容量准则确定需要选取的天线数：根据已经估计出的信道信息，利用最大化容量准则计算合适的发射天线数t；（3）天线子集选择：从Mt个发射天线中选出t个天线组成一个天线子集St；（4）利用奇异值分解计算最小奇异值：基站计算天线子集St对应的信道矩阵H_t，并进行奇异值分解，然后根据奇异值分解结果计算最小奇异值；（5）基于ZF准则求预编码矩阵和信噪比：根据迫零（ZF）准则导出最优预编码矩阵Mt，进一步估计接收信噪比SNR；（6）基于最小误码率准则选择传输天线：基于最小误码率准则计算出最小奇异值最大的天线子集，该子集对应的天线用于传送，这些天线即为选择的传输天线，基站完成下行信息发送。

该方法通过基于最大化容量准则确定需要选取的天线数和基于最小误码率准则选择传输天线，在发送端天线单元存在相关性时进行天线选择后，可以消除或减弱天线相关性对MIMO和预编码的不利影响，从而增加TD-LTE***下行链路的容量和降低***误码率；另外，还可以减少TD-LTE***发射端射频器件（如功放、变频等）数目和成本；同时，也可以使MIMO处理中参与计算的矩阵维数更小，降低实现复杂性。

附图说明

图1 本发明所述的主要实施步骤

图2 采用本发明方法后TD-LTE下行链路的容量仿真结果

图3 采用本发明方法后TD-LTE下行链路的误码率仿真结果

具体实施方式

如图1所示为增强TD-LTE下行链路***性能方法的主要实施步骤示意图。具体实施方式如下：

第一步：获取下行链路信道信息H

假设在基站已用各种成熟的方法完成对接收信道（上行链路，即移动台到基站）的信道估计

。由于TDD***中上下行信道的互惠性，即上下行链路的传播特性基本相同，从而上下行信道的信道参数基本相同，可以将基站上行接收估计的信道冲击响应直接应用于下行方向的发送处理，反之亦然。

这样，

。设发射天线数为Mt（Mt≥2），接收天线数为Mr，则H的维数是Mr×Mt。则可得出下行链路的信道矩阵。

第二步：基于最大化容量准则确定需要选取的发射天线数t

在已获得信道H情况下，基于最大化容量准则可以得出最大信道容量为

$C=\max \underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_i{\mathrm{\λ}}_i)---\left(1\right)$

其中，r为矩阵H的秩，λ_i（i=1,2,…,r）为矩阵HH^*的非零特征值，γ_i（i=1,2,…,r）为一组各天线的最优发送功率分配值，*为矩阵共轭转值。

根据最大化容量准则可知，所选择的天线数是矩阵H的秩，即t=r，矩阵H的秩作为选择的天线数。

第三步：天线子集选择

任意从Mt个发射天线中选出t个天线组成一个天线子集St,重新计算天线子集St对应的信道矩阵H_t（Mr×t维），这只需要去掉矩阵H中未选中天线对应的列即可。

第四步：对信道矩阵H_t利用奇异值分解计算最小奇异值λ_min

首先对信道矩阵H_t进行奇异值分解

$H_t=U_t{\mathrm{\Σ}}_t{V}_t^{*}$

其中，U_t为Mr×Mr维酉矩阵，其列为

的特征向量；V_t为t×t维酉矩阵，其列为

的特征向量；∑_t为Mr×t维矩阵，对角线元素是矩阵H_t的奇异值，其余元素均为0。

根据奇异值分解结果知，可以直接从矩阵∑_t的对角线元素中选择最小者得到最小奇异值λ_min。

第五步：基于迫零（ZF）准则求预编码矩阵和信噪比

根据迫零（ZF）准则，可以推导出预编码矩阵Mt为

$M_t=H_t^{*}{\left(H_t{H}_t^{*}\right)}^{-1}---\left(3\right)$

经过预编码和信道后，接收信号的信噪比SNR为

$\mathrm{SNR}=\frac{E_s}{t{N}_0}{\left|\right|M_t\left|\right|}^2---\left(4\right)$

其中，E_s为符号功率，N₀为噪声方差。根据矩阵性质可以得到

$\mathrm{SNR}\≥{\mathrm{\λ}}_{\min }^2\frac{E_s}{t{N}_0}---\left(5\right)$

从上式可见，增大信道的最小奇异值λ_min可以改善信噪比SNR，从而降低误码率，反之亦然。

第六步：基于最小误码率准则选择传输天线

从第五步可以发现，若第三步选择的天线子集的最小奇异值λ_min较大，则相应误码率会较小，反之亦然。这样，基于最小误码率准则选择传输天线等效于寻找出最小奇异值最大的天线子集。

对于第三步选择的每个发射天线子集，依据第四步求出每个子集对应信道矩阵H_t的最小奇异值，这样可以得到

个最小奇异值，从上述方法确定的最小奇异值中选择最大值对应的天线子集，将该子集对应的天线用于传送，这些天线即为选择的传输天线。

以下以一具体应用实例对本发明改善***容量、误码率的效果进行比较说明，根据3GPP标准规定的TDD-LTE***环境，利用MATLAB对本发明所述方法进行仿真分析。采样频率1.6e6Hz，256子载波，子载波间隔6.25KHz，实际使用载波数240（供16个用户使用，每个用户15个数据子载波），OFDM符号周期长度160μs，循环前缀长度8.75μs。仿真中假设基站发送天线数为4，接收天线数为4，且信道估计是理想的（正确无误）。r为天线相关系数，一般r与天线间距d、波长λ和角度扩展

有关，满足

，仿真直接取一组天线相关系数值。

图2所示为采用上述方法后TD-LTE下行链路的容量改善结果，（2a）所示为采用现有技术的方法在不同相关系数下的通过天线选择后的容量，（2b）所示为采用本发明的方法在不同相关系数下的通过天线选择后的容量改善。图3所示为采用上述方法后TD-LTE下行链路的误码率改善结果，（3a）所示为采用本发明的方法在相关系数0.2时通过天线选择后的误码率改善，（3b）所示为采用本发明的方法在相关系数0.7时通过天线选择后的误码率改善。从图2、图3可以看出，由于TDD-LTE下行链路中采用本发明所述方法，其容量和误码率都有较大改善，增强了TD-LTE下行链路性能。采用本发明的增强TD-LTE下行链路性能的方法，不仅可以增强***性能（容量和误码率），提高通信质量，节省了信道资源，提高了信道的传输效率，还可以降低***成本。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可以轻易想到的变换和替换，都应包含在本发明的保护范畴内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种利用天线选择增强LTE下行链路性能的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：（1）基站根据上行链路得到的信道信息，估计出下行链路的信道矩阵H；（2）根据信道矩阵H，利用最大化容量准则计算天线数t，即矩阵H的秩作为天线数；（3）从所有发射天线中任意选出t个天线组成一个天线子集St，计算天线子集St对应的信道矩阵H_t；（4）对天线子集St对应的信道矩阵H_t，根据公式：

进行奇异值分解，计算最小奇异值，其中，U_t为Mr×Mr维酉矩阵，其列为

的特征向量；V_t为t×t维酉矩阵，其列为

的特征向量，∑_t为Mr×t维矩阵，对角线元素是矩阵H_t的奇异值，其余元素均为0，Mr为接收天线数；（5）基于迫零准则求预编码矩阵Mt和接收信噪比，其中，迫零准则预编码矩阵为，经过预编码和信道后，接收信号的信噪比SNR为：

，增大信道的最小奇异值改善信噪比，降低误码率，其中，E_s为符号功率，N₀为噪声方差；（6）从最小奇异值中选择最大值对应的天线子集对应的天线用于传送。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）具体为：直接从矩阵∑_t的对角线元素中选择最小者得到最小奇异值。

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