CN103532607A - 大规模mimo***的选择基站天线和用户终端方法 - Google Patents

Abstract

一种大规模MIMO***的选择基站天线和用户终端方法，步骤一，确定如下选择模式：所述选择模式包括：A类，先进行用户终端选择，再进行基站天线选择的分步选择模式；B类，用户终端选择与基站天线选择相结合的联合选择模式；步骤二，按照选择模式，利用基站获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，根据大规模MIMO***吞吐量最大化或者信道相关性程度最小化准则选择用户终端，根据***吞吐量最大化准则选择基站天线。本发明有效的降低了大规模MIMO***实现的复杂度和成本，同时优化了***性能，提高了***吞吐量。

Description

大规模MIMO***的选择基站天线和用户终端方法

技术领域

本发明涉及大规模MIMO***的选择基站天线和用户终端方法，属于大规模MIMO***领域。

背景技术

大规模MIMO（Very Large MIMO或Massive MIMO,MIMO指多输入多输出（Multi-input Multi-output）是一种用来描述多天线无线通信***的模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息）以其特有的优点：获得更高倍数的信道容量，更低的能量消耗，十分精准的空间区分度，相对廉价的硬件实现等，获得了无线通信领域的相当关注。大规模MIMO***的基站端配置有大量数目的天线，比如64根，或128根，所有天线都参与数据传输时，需要与基站天线数目相同的射频链路，同时在大规模MIMO***中，随着基站端天线数目的增加，不同用户信道之间的相关性随着用户数的增加而急剧增大，导致***的实现复杂度和成本比普通的MIMO***要高的多。为了降低成本和复杂度同时获得更优的***性能，往往会通过选择基站天线来实现，即选择合适的基站天线子集参与传输，关闭部分天线。

在实际的大规模MIMO***中，基站很难获取精确的瞬时信道状态信息，而信道的统计特性相对于瞬时信道状态信息变化缓慢，可以认为基站能够较容易地获得较为精确的统计信道状态信息。基于如上所述的背景，利用信道状态信息选择基站天线和用户终端成为一种可能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大规模MIMO***的选择基站天线和用户方法，利用基站获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则选择用户终端，根据***吞吐量最大化准则选择基站天线，实现了利用信道状态信息选择基站天线和用户终端的方法，实现了利用信道状态信息选择基站天线和用户终端的方法，解决了大规模MIMO***实现复杂，成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：大规模MIMO***的选择基站天线和用户终端方法，包括以下步骤：

步骤一，大规模MIMO***确定如下选择模式；所述选择模式包括：A类，先进行用户终端选择，再进行基站天线选择的分步选择模式；B类，用户终端选择与基站天线选择相结合的联合选择模式；其中A类包括：A.1模式：先进行用户终端选择，再进行基站天线选择的分步选择模式逐步形成天线数目递减的选择模式；A.2模式：先进行用户终端选择，再进行基站天线选择的分步选择模式逐步形成且天线数目递增的选择模式；B类包括：B.1模式，用户终端选择与基站天线选择相结合的联合选择模式且天线数目递减的选择模式；B.2模式，用户终端选择与基站天线选择相结合的联合选择模式且天线数目递增的选择模式；

步骤二，按照选择模式，利用基站获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，根据大规模MIMO***吞吐量最大化或者信道相关性程度最小化准则选择用户终端，根据MIMO***吞吐量最大化准则选择基站天线；所述信道相关性程度通过以下式1和式2确定：

利用瞬时信道状态信息时，用户终端k和用户终端j到基站的信道的相关性程度为

${\mathrm{Corr}}^I\⟨k,j\⟩=\frac{\mathrm{tr}\left\{H_k{H}_j\right\}}{{\left|\right|H_k\left|\right|}_f{\left|\right|H_j\left|\right|}_f}$     式1

利用统计信道状态信息时，用户终端k和用户终端j到基站的信道的相关性程度为

${\mathrm{Corr}}^S\⟨k,j\⟩=\frac{\mathrm{tr}\left\{R_k{R}_j\right\}}{{\left|\right|R_k\left|\right|}_f{\left|\right|R_j\left|\right|}_f}$      式2

Corr^I＜k,j＞与Corr^S＜k,j＞的数值越小，相关性越小；其中，H_k表示用户终端k到基站的信道向量，

表示用户终端k到基站信道的协方差矩阵，k={1,…,K}，

表示矩阵的弗罗贝尼乌斯范数，tr{·}表示矩阵求迹运算，K为正整数；

当选择模式为A.1时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）激活所有基站天线，定义基站天线集合为Ψ={1，…,M}，其中M为正整数；

（2）在所有基站天线都参与数据传输的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（3）依次关闭连续的α根基站天线；

（4）计算激活状态的基站天线的基站天线子集S的***吞吐量；

（5）重复（3）和（4），遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S；

当选择模式为A.2时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）激活所有基站天线，在所有基站天线都参与数据传输的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（2）关闭所有基站天线；

（3）依次激活连续的α根基站天线；

（4）计算出激活状态的基站天线的基站天线子集S_m的***吞吐量；

（5）重复（3）和（4），遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m；

当选择模式为B.1时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）激活所有基站天线；

（2）依次关闭连续的α根基站天线；

（3）在激活状态的基站天线的基站天线子集S_m确定的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（4）计算出基站天线子集S_m的***吞吐量；

（5）重复（3）和（4），遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m以及用户终端组合U^opt；

当选择模式为B.2时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）关闭所有基站天线；

（2）依次激活连续的α根基站天线；

（3）在激活状态的基站天线的基站天线子集S_m确定的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（4）计算出基站天线子集S_m的***吞吐量；

（5）重复（3）和（4），遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m以及用户终端组合U^opt；α为1-5之内的正整数。

进一步，基站获取的统计信道状态信息的过程为：通过用户终端对传输过程内的瞬时信道状态信息进行统计后反馈给基站或者基站对传输过程内的瞬时信道状态信息反馈值进行统计；降低了反馈开销，降低了大规模MIMO***的复杂度。

当利用瞬时信道信息时，需要在每个时刻对信道状态进行反馈；统计信道信息是对一个传输时段的信息统计后反馈，反馈开销较小。

四种模式的选择是根据***基站设备的计算处理能力，按照实现复杂度和对吞吐量性能的要求，而选择不同的选择模式。每种模式均可以独立工作，实用时某个基站就适于对应某个模式工作。当然，也不排除基站根据吞吐量或业务量的情况转换某种模式，使得***基站的工作效率更高。

本发明的有益效果：1、本发明利用基站获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则选择用户终端，根据***吞吐量最大化准则选择基站天线，实现了利用信道状态信息选择基站天线和用户终端的方法，有效的降低了大规模MIMO***实现的复杂度和成本，同时优化了***性能，提高了***吞吐量；2、本发明的基站获取的统计信道状态信息的过程，降低了反馈开销，降低了大规模MIMO***的复杂度。本发明的四种模式的流程（算法）与现有技术相比都能够带来一定的选择增益，其性能均优于所有天线都参与传输的情况。其中，联合选择的复杂度比分步的高，性能也更好；天线数目递减的模式（A.1，B.1）复杂度比天线数目递增（A.2，B.2）的高，性能也更好。所以，在实际的***中可以根据基站的处理能力和对***性能的要求，来进行模式选择。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明选择模式为A.1时的实现流程图。

图3为本发明选择模式为A.2时的实现流程图。

图4为本发明选择模式为B.1时的实现流程图。

图5为本发明选择模式为B.2时的实现流程图。

图6为本发明中的大规模MIMO***的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明的流程图，大规模MIMO***的选择基站天线和用户终端方法，包括以下步骤：

步骤一，选择不同的选择模式；所述选择模式包括：A类，先进行用户终端选择，再进行基站天线选择的分步选择模式；B类，用户终端选择与基站天线选择相结合的联合选择模式；其中A类包括：A.1类，天线数目递减的选择模式；A.2类天线数目递增的选择模式；B类包括：B.1类，天线数目递减的选择模式；B.2类天线数目递增的选择模式；

步骤二，按照选择模式，利用基站获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则选择用户终端，根据***吞吐量最大化准则选择基站天线；所述信道相关性程度通过以下（公式1）和（公式2）确定

利用瞬时信道状态信息时，用户终端k和用户终端j到基站的信道的相关性程度为

${\mathrm{Corr}}^I\⟨k,j\⟩=\frac{\mathrm{tr}\left\{H_k{H}_j\right\}}{{\left|\right|H_k\left|\right|}_f{\left|\right|H_j\left|\right|}_f}$     （公式1）

利用统计信道状态信息时，用户终端k和用户终端j到基站的信道的相关性程度为

${\mathrm{Corr}}^S\⟨k,j\⟩=\frac{\mathrm{tr}\left\{R_k{R}_j\right\}}{{\left|\right|R_k\left|\right|}_f{\left|\right|R_j\left|\right|}_f}$     （公式2）

Corr^I＜k,j＞与Corr^S＜k,j＞的数值越小，相关性越小；其中，H_k表示用户终端k到基站的信道向量，

表示用户终端k到基站信道的协方差矩阵，k={1,…,K}，

表示矩阵的弗罗贝尼乌斯范数，tr{·}表示矩阵求迹运算，K为正整数；

如图2所示：当选择模式为A.1时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）激活所有基站天线，定义基站天线集合为Ψ={1，…,M}，初始化基站天线子集为S，S=Ψ，定义indic={1,...,M/α}，index=0，count=0，其中M为正整数，α为（3）中关闭的基站天线根数；α为1-5之间的正整数（下同）。即可以同时关闭的基站1-5根天线。α一般取1-2。

（2）在所有基站天线都参与数据传输的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（3）依次关闭连续的α根基站天线[(m-1)α+1:mα]，其中m为遍历基站天线的指数，m∈indic；；

（4）计算激活状态的基站天线的基站天线子集S_m=S\{[(m-1)α+1:mα]}的***吞吐量，更新index=index∪m，indic=indic\index，S=S\S_m，count=count+1；

（5）重复（3）和（4），直到indic=Φ，遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m。

由以上步骤可得在选择模式为A.1时，最优基站天线子集和用户端组合：

{S^opt,U^opt}=argmax{S_m,U^opt}。

如图3所示当选择模式为A.2时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）激活所有基站天线，定义基站天线集合为Ψ={1，…,M}，其中M为正整数，在所有基站天线都参与数据传输的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（2）关闭所有基站天线，初始化基站天线子集为S=Φ，定义indic={1,...,M/α}，index=0，count=0，α为（3）中激活基站天线的根数；

（3）依次激活连续的α根基站天线[(m-1)α+1:mα]，其中m为遍历基站天线的指数，m∈indic；

（4）计算激活状态的基站天线的基站天线子集S_m=S\{[(m-1)α+1:mα]}的***吞吐量，更新index=index∪m，indic=indic\index，S=S∪S_m，count=count+1；

（5）重复（3）和（4），直到indic=Φ，遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m。由以上步骤可得在选择模式为A.2时，最优基站天线子集和用户端组合：

{S^opt,U^opt}=argmax{S_m,U^opt}。

可以参考文献：X.Gao,O.Edfors,F.Rusek,and F.Tufvesson,“Linear pre-codingperformance in measured very-large MIMO channels,”in Proc.IEEE Vehicular TechnologyConf.(VTC),San Francisco,CA,US,Sept.2011,pp.1-5.

有用户之间信道相关性及吞吐量的分析。

如图4所示当选择模式为B.1时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）激活所有基站天线，定义基站天线集合为Ψ={1，…,M}，初始化基站天线子集为S，S=Ψ，定义indic={1,...,M/α}，index=0，count=0，其中M为正整数，α为（2）中关闭的基站天线根数；

（2）依次关闭连续的α根基站天线[(m-1)α+1:mα]，其中m为遍历基站天线的指数，其中m∈indic；

（3）在激活状态的基站天线的基站天线子集S_m=S\{[(m-1)α+1:mα]}确定的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt

（4）计算出基站天线子集S_m的***吞吐量，更新index=index∪m，indic=indic\index，S=S\S_m，count=count+1；

（5）重复（3）和（4），直到indic=Φ，遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m以及用户终端组合U^opt。

由以上步骤可得在选择模式为B.1时，最优基站天线子集和用户端组合：

{S^opt,U^opt}=argmax{S_m,U^opt}。

如图5所示当选择模式为B.2时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）关闭所有基站天线定义基站天线集合为Ψ={1，…,M}，初始化基站天线子集为S，S=Ψ，定义indic={1,...,M/α}，index=0，count=0，其中M为正整数，α为（2）中激活的基站天线根数；

（2）依次激活连续的α根基站天线[(m-1)α+1:mα]，其中m为遍历基站天线的指数，其中m∈indic；

（3）在激活状态的基站天线的基站天线子集S_m=S\{[(m-1)α+1:mα]}确定的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（4）计算出基站天线子集S_m的***吞吐量，更新index=index∪m，indic=indic\index，S=S∪S_m，count=count+1；

（5）重复（3）和（4），直到indic=Φ，遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m以及用户终端组合U^opt。

由以上步骤可得在选择模式为B.2时，最优基站天线子集和用户端组合：

{S^opt,U^opt}=argmax{S_m,U^opt}。

在实际的大规模MIMO***中，基站很难获取精确的瞬时信道状态信息，而信道的统计特性相对于瞬时信道状态信息变化缓慢，可以认为基站能够较容易地获得较为精确的统计信道状态信息。以上所述的方法中基站获取的统计信道状态信息的过程为：通过用户终端对传输过程内的瞬时信道状态信息进行统计后反馈给基站或者基站对传输过程内的瞬时信道状态信息反馈值进行统计，有效的降低了反馈开销，降低了大规模MIMO***的复杂度。

如图6所示：大规模MIMO***包括预编码模块101、N条射频链路、射频链路切换模块102、M根基站天线、K个单天线用户终端、用户终端选择模块103和基站端天线选择模块104。用户终端选择模块103利用基站获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择最优化的用户终端；基站端天线选择模块104利用基站获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，根据***吞吐量最大化准则选择最优基站天线；射频链路切换模块102根据基站端天线选择模块104的结果，将射频链路切换到最优基站天线，与射频链路相连接的基站天线处于激活状态，参与数据的发送，其余未使用的基站天线处于关闭状态，不参与数据的传送。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.大规模MIMO***的选择基站天线和用户终端方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，大规模MIMO***确定如下选择模式,所述选择模式包括：A类，先进行用户终端选择，再进行基站天线选择的分步选择模式；B类，用户终端选择与基站天线选择相结合的联合选择模式；其中A类包括：A.1模式：先进行用户终端选择，再进行基站天线选择的分步选择模式逐步形成天线数目递减的选择模式；A.2模式：先进行用户终端选择，再进行基站天线选择的分步选择模式逐步形成且天线数目递增的选择模式；B类包括：B.1模式，用户终端选择与基站天线选择相结合的联合选择模式且天线数目递减的选择模式；B.2模式，用户终端选择与基站天线选择相结合的联合选择模式且天线数目递增的选择模式；

步骤二，按照选择模式，利用基站获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，根据大规模MIMO***吞吐量最大化或者信道相关性程度最小化准则选择用户终端，根据MIMO***吞吐量最大化准则选择基站天线；所述信道相关性程度通过以下式1和式2确定：

利用瞬时信道状态信息时，用户终端k和用户终端j到基站的信道的相关性程度为

${\mathrm{Corr}}^I\⟨k,j\⟩=\frac{\mathrm{tr}\left\{H_k{H}_j\right\}}{{\left|\right|H_k\left|\right|}_f{\left|\right|H_j\left|\right|}_f}$          式1

利用统计信道状态信息时，用户终端k和用户终端j到基站的信道的相关性程度为

${\mathrm{Corr}}^S\⟨k,j\⟩=\frac{\mathrm{tr}\left\{R_k{R}_j\right\}}{{\left|\right|R_k\left|\right|}_f{\left|\right|R_j\left|\right|}_f}$            式2

Corr^I＜k,j＞与Corr^S＜k,j＞的数值越小，相关性越小；其中，H_k表示用户终端k到基站的信道向量，表示用户终端k到基站信道的协方差矩阵，k={1,…,K}，

表示矩阵的弗罗贝尼乌斯范数，tr{·}表示矩阵求迹运算，K为正整数；

当选择模式为A.1时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）激活所有基站天线，定义基站天线集合为Ψ={1，…,M}，其中M为正整数；

（2）在所有基站天线都参与数据传输的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（3）依次关闭连续的α根基站天线；

（4）计算激活状态的基站天线的基站天线子集S的***吞吐量；

（5）重复（3）和（4），遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S；

当选择模式为A.2时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）激活所有基站天线，在所有基站天线都参与数据传输的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（2）关闭所有基站天线；

（3）依次激活连续的α根基站天线；

（4）计算出激活状态的基站天线的基站天线子集S_m的***吞吐量；

（5）重复（3）和（4），遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m；

当选择模式为B.1时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）激活所有基站天线；

（2）依次关闭连续的α根基站天线；

（3）在激活状态的基站天线的基站天线子集S_m确定的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（4）计算出基站天线子集S_m的***吞吐量；

（5）重复（3）和（4），遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m以及用户终端组合U^opt；

当选择模式为B.2时，基站天线选择和用户终端选择包括以下步骤：

（1）关闭所有基站天线；

（2）依次激活连续的α根基站天线；

（3）在激活状态的基站天线的基站天线子集S_m确定的情况下，利用获取的瞬时信道状态信息或者统计信道状态信息，计算***吞吐量或者信道相关性程度，根据***吞吐量最大化或者信道相关性最小化准则，选择出使***吞吐量最大化或者信道相关性最小化的用户终端组合U^opt；

（4）计算出基站天线子集S_m的***吞吐量；

（5）重复（3）和（4），遍历所有基站天线；

（6）根据***吞吐量最大化准则，选择***吞吐量最大值时的基站天线子集S_m以及用户终端组合U^opt；α为1-5之内的正整数。

2.根据权利要求1所述的大规模MIMO***的选择基站天线和用户终端方法，其特征在于：基站获取的统计信道状态信息的过程为：通过用户终端对传输过程内的瞬时信道状态信息进行统计后反馈给基站或者基站对传输过程内的瞬时信道状态信息反馈值进行统计。

Images