[发明专利]基于优先度遗传模拟退火的多用户MIMO系统天线选择方法

摘要

本发明公开了一种基于优先度遗传模拟退火的多用户MIMO系统天线选择方法，从用户端和基站端所包含的染色体个数中分别选出较优的T_U和T_B个染色体，对其进行优先度交叉变异操作，得到群体和并将其作为模拟退火操作的初始群体，然后将和中的每个染色体随机选择两个基因进行交换得到新群体和分别计算与与中每个染色体的适应度差值Δf，若Δf＜0或则Δf≥0但满足exp(-Δf/Γ_k(0))＞ξ，ξ∈U(0，1)的情况下则向新状态移动，否则降温直至达到模拟退火迭代次数m。该方法通过高效地联合选取用户端和基站端的最优天线子集，具有较强鲁棒性与寻优能力，可以有效提高系统运行速率，降低系统实施过程的软硬件复杂度，使得系统性能与硬件成本达到很好的折衷，适用于实时通信系统。

主权项

1.一种基于优先度遗传模拟退火的多用户MIMO系统天线选择方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤一：初始化多用户MIMO系统下行链路的系统模型参数，该系统由一个基站和K(K≥2)个用户构成。设用户k的初始天线数为N_r,k，k＝1,2,Λ,K，每个用户从其初始天线数中选择最优天线数为N_R,k,且满足N_R,k﹤N_r,k；基站端的初始天线数为M_t，从基站端M_t根发送天线中选择的最优天线个数为J_t，且满足发送给用户k的数据流为s_k(s_k≤N_R,k)；假设基站到各用户的信道为Rayleigh平坦衰落，则基站到用户k的信道可表示为N_r,k×M_t矩阵H_k，H_k中每个元素都服从独立同分布复高斯分布；步骤二：确定多用户干扰，从基站端收到用户k的信号向量为：yk=Σk=1KHksk+nk=Hksk+Σi=1,i≠kKHisi+nk---(1)]]>其中为除用户k外，其它K-1个用户信号对k用户信号的干扰，而H_ks_k是用户k需要的有用信号，n_k是均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声向量；步骤三：确定预编码矩阵，对第k个用户而言，将其它K-1个用户所对应的信道矩阵构成一个新的矩阵：H~k=[H1T,H2T,Λ,Hk-1T,Hk+1T,Λ,HKT]T,]]>为了满足H_iF_j＝0,∀i≠j]]>的要求，用户k的预编码F_k应该位于的零空间中，故约束条件又可以写成步骤四：消除多用户间的干扰，对基站发送给每个用户的数据流进行预编码，则此时第k个用户收到的信号向量为：yk=FkΣk=1KHksk+nk=HkFksk+Σi=1,1≠kKHiFisi+nk=HkFksk+nk---(2)]]>步骤五：将多用户MIMO信道分解成多个独立并行的单用户MIMO信道，每个用户的数据流通过等价信道分别传送给相对应的用户，定义所有用户的接收信号向量为则利用式(2)y_k＝H_kF_ks_k+n_k，则y可以写成如下式：y1y2MyK=H1F1H2F2OHKFKs1s2MsK+n1n2MnK---(3)]]>以系统容量最大化为目标，则块对角化预编码矩阵F₁,Λ,F_k的设计准则可表示为：C=maxF1,F2,ΛFkΣk=1Klog2[det(INr,k+1σ2HkFkFkHHkH)]---(4)]]>约束条件为H_kF_j＝0,且tr(·)为迹操作，P为K个用户的发射功率；步骤六：对分解后的每个单用户参数进行初始化，设第k个用户端的种群所包含的染色体个数为P_k(k＝1,2,Λ,K)，迭代次数为G，交叉变异概率分别为P_c和P_m，模拟退火的初始温度为Γ_k(0)，模拟退火最大迭代次数为m；步骤七：评估选择，以容量最大化为准则，分别从第k个用户端种群所包含的P_k(k＝1,2,L,K)个染色体中选择部分适应度值较高的T_U(T_U＜P_k)个染色体放入交配池以此确保每一代都能获得较优染色体；步骤八：从第k(k＝1,2,Λ,K)个用户端选择的T_U个适应度值较高的染色体中随机选择两个染色体进行交叉操作，交叉操作包含交换置空和按序填充两步；步骤九：基于优先度的变异操作过程如下：对用户端每一代的所有染色体进行变异操作，根据变异概率p_m创建一个1×P的0-1变异模板序列，模板中元素为1，对应的在收发端染色体中随机选择两个即应交换位置，为0时，对应的染色体保持不变；步骤十：将经过优先度遗传算法得到的每个用户接收端的种群作为模拟退火的初始种群，并将此时初始种群中的每个染色体随机选择两个基因进行交换得到新的群体具体操作过程如下：1)分别计算和中的每个染色体的容量适应度值和并求其容量差值Δf=fsaU-fgaU;]]>2)若Δf＜0，则向新状态移动，若有Δf≥0，但满足如下条件：exp(-Δf/Γ_k(0))＞ξ,ξ∈U(0,1)则也向新状态移动，否则降温直至模拟退火最大迭代次数m；更新种群，选择适应度较高的染色体遗传到下一代；直至达到最大迭代次数G，选出所需的最优染色体个数，即最优的天线数；如果没有达到最大迭代次数G则重复步骤七到步骤十；步骤十一：基站端天线选择初始化，设基站端种群所包含的染色体个数为P_t，将所选出的各用户端天线子集合并，并作为接收端已选天线集合与基站端进行收发联合选择；步骤十二：评估选择，以容量最大化为准则，从基站端M_t根天线中选择T_B个适应度值较高的染色体，T_B﹤P_t；步骤十三：从基站端选择的T_B个适应度值较高的染色体中随机选择两个染色体进行交叉操作，交叉操作包含交换置空和按序填充两步；步骤十四：根据初始化的变异概率，随机产生0-1变异模板序列，对基站端的所有染色体进行变异操作；步骤十五：将经过优先度遗传算法得到的基站端的种群再进行模拟退火操作，选择适应度最高的染色体遗传到下一代，具体操作过程如下：1)分别计算和中的每个染色体的容量适应度值和并求其容量差值Δf=fsaB-fgaB;]]>2)若Δf＜0，则向新状态移动，若有Δf≥0，但满足如下条件exp(-Δf/Γ_k(0))＞ξ,ξ∈U(0,1)则也向新状态移动，否则降温直至模拟退火最大迭代次数m；更新种群，选择适应度较高的染色体遗传到下一代，直至达到最大迭代次数G，选出所需的最优收发染色体个数，即最优的天线数，循环结束，输出结果；如果没有达到最大迭代次数G则重复步骤十二到步骤十五。