專利名稱：分布式多天線系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及無線通信的自適應(yīng)調(diào)制方案設(shè)計(jì)，更具體的說涉及分布式MIMO系統(tǒng)中連續(xù)速率和離散速率自適應(yīng)調(diào)制方法設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
目前，無線通信技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生活各方面，而各種無線通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)容量需求呈現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)，尤其是互聯(lián)網(wǎng)的無線接入和多媒體應(yīng)用對(duì)信息吞吐量需求的增長(zhǎng)，已經(jīng)超過已有技術(shù)所支持的數(shù)據(jù)速率，一種使得數(shù)據(jù)速率得以有效增長(zhǎng)的重要技術(shù)就是在系統(tǒng)發(fā)送端和接收端安置多副天線，即多輸入多輸出(MM0，Multiple Input andMultiple Output)技術(shù)。研究表明，使用多天線的MIMO技術(shù)能夠充分利用空間資源,在不增加系統(tǒng)帶寬和天線總發(fā)射功率的情況下，可以有效地對(duì)抗無線信道衰落的影響，大大地提高系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量，已經(jīng)成為第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP，3rd Generation Partnership Project) LTE 的關(guān)鍵技術(shù)之一。而且，隨著頻譜資源的日益緊張和用戶需求的持續(xù)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)出現(xiàn)了切換頻繁、干擾增加、成本提高等問題，已經(jīng)無法滿足未來無線通信的系統(tǒng)的發(fā)展要求。近年來，分布式天線系統(tǒng)作為一種新興技術(shù)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。分布式天線系統(tǒng)不論在提高系統(tǒng)容量，降低發(fā)射功率還是在減少切換次數(shù)、降低中斷概率等方面都顯示出傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的理想替代方案，已成為未來無線通信極具發(fā)展前景的方向之一。目前，已有研究表明與集中式MMO相比，它具有更高的容量、小區(qū)平均覆蓋率及抗衰落能力。自適應(yīng)傳輸技術(shù)可以根據(jù)無線通信環(huán)境和服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求，動(dòng)態(tài)地改變發(fā)送端的各種參數(shù)來提高系統(tǒng)資源利用率，以獲得較高的系統(tǒng)吞吐量和容量，已被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中作為提高傳輸系統(tǒng)頻譜的一種強(qiáng)有力技術(shù)?；诖?，本專利將給出無線分布式多天線系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制(AM)算法設(shè)計(jì)，以自適應(yīng)匹配無線信道的變化，有效提高系統(tǒng)吞吐量和數(shù)據(jù)傳輸率。自適應(yīng)傳輸技術(shù)在單載波單天線系統(tǒng)(SIS0)中已得到了比較完善的研究。A. J. Goldsmith等人對(duì)SISO系統(tǒng)中基于不同的傳輸方案(包括可變速率、可變功率、平均誤比特率(BER)約束、瞬時(shí)BER約束)的自適應(yīng)傳輸進(jìn)行性能分析，給出了平均BER和平均頻譜效率(ASE)的閉式表達(dá)式。A. Maaref將SISO自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)推廣到空時(shí)編碼的MMO系統(tǒng)中，并進(jìn)行了恒定功率下離散速率自適應(yīng)調(diào)制方案的性能分析。X. Yu研究了 MMO系統(tǒng)基于不完全信道狀態(tài)信息(CSI)的自適應(yīng)調(diào)制方案，給出了該系統(tǒng)平均BER和ASE的精確表達(dá)式。然而，上述自適應(yīng)調(diào)制方案均是針對(duì)集中式SIS0/MM0系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)分布式天線系統(tǒng)(DAS)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制設(shè)計(jì)卻很少。不像集中式MIMO系統(tǒng)僅存在快衰落，DAS由于發(fā)送天線分布在小區(qū)的不同區(qū)域，發(fā)送端到移動(dòng)端將經(jīng)歷不同的大尺度慢衰落，使得分布式MIMO系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制方案的設(shè)計(jì)具有一定的難度。因此，本發(fā)明將針對(duì)無線DAS系統(tǒng)，研究其自適應(yīng)調(diào)制方案及其相應(yīng)的算法設(shè)計(jì)——即在固定功率和瞬時(shí)誤BER約束條件下，通過最大化系統(tǒng)頻譜效率(SE)，設(shè)計(jì)出連續(xù)速率和離散速率兩種自適應(yīng)調(diào)制方法，其中離散速率AM方案的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換門限值將根據(jù)目標(biāo)BER獲得?？紤]到現(xiàn)有的門限值是基于近似BER獲得，以致相應(yīng)的AM方案不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際的調(diào)制情況，帶來系統(tǒng)SE受限。為此，設(shè)計(jì)了一種基于精確BER的自適應(yīng)切換門限和相應(yīng)的AM方法，較之基于通常近似門限的AM可獲得高的頻譜效率。針對(duì)DAS實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了包含路徑損耗、陰影衰落和瑞利衰落的信道模型，并基于該模型，給出了連續(xù)率AM頻譜效率以及離散率AM頻譜效率和平均BER的計(jì)算公式，為系統(tǒng)性能測(cè)試提供了有效的評(píng)估方法。利用Matlab仿真平臺(tái)進(jìn)行AM方法性能測(cè)試，其結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的AM方法均能滿足目標(biāo)BER要求，其中連續(xù)率AM由于無需率的限值，其SE要明顯高于離散率AM方法。而且所提基于改進(jìn)門限的AM方法與現(xiàn)有AM方法相比，也可實(shí)現(xiàn)較高的頻譜效率。此夕卜，所給的頻譜效率和平均BER計(jì)算也與仿真取得較好的一致，從而為DAS系統(tǒng)性能評(píng)估提供了有效的方法。以下將通過具體實(shí)施例結(jié)合附圖
對(duì)本發(fā)明的目的及特性進(jìn)行詳細(xì)描述，這些具體實(shí)施例是說明性的，不具有限制性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)分布式天線系統(tǒng)，進(jìn)行了其自適應(yīng)調(diào)制算法設(shè)計(jì)，包括連續(xù)和離散速率兩種自適應(yīng)調(diào)制方案。目的是在固定功率和目標(biāo)誤比特率的約束條件下，利用所設(shè)計(jì)的AM方法可獲得系統(tǒng)SE的極大提高。本發(fā)明提出的DAS自適應(yīng)調(diào)制方案設(shè)計(jì)采用了以下步驟(I)給出了 DAS模型和信道模型。分布式天線系統(tǒng)模型如附圖I所示。附圖I給出了分布式天線系統(tǒng)的物理模型，小區(qū)單元建模為一個(gè)半徑為D的圓形區(qū)域，各遠(yuǎn)程天線(RA)任意地?cái)[放在小區(qū)的不同位置，記為RAiQ = 1，2，....，N)，通過特定傳輸通道(光纖)連接到一個(gè)中央處理單元(MCU).不失一般性，假設(shè)每個(gè)移動(dòng)終端(MT)均有L個(gè)天線。若RAi選擇用來發(fā)射信號(hào)，那么移動(dòng)接收端的接收信號(hào)的表達(dá)式可以表示為y'W)，·.·.···W=厄K_·.··’表達(dá)式 I
、V>
hi其中，Yi(J)為移動(dòng)接收端第j根接收天線的接收信號(hào)，Es為發(fā)送信號(hào)的功率，復(fù)合信道矩陣Iii中的元素h/·1')為RAi和移動(dòng)接收端第j根接收天線之間的信道系數(shù)；x為從RAi發(fā)送的信號(hào)并且能量歸一化為I。噪聲矩陣z中的每一個(gè)元素服從均值為O方差為Ntl的復(fù)高斯分布。由于分布式天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，h,00在本發(fā)明中用以下模型表示h卜 =K汐疋瓦織式2式中，K，代表了 RAi和移動(dòng)端第j根接收天線之間的小尺度快衰落，即幅度K 為瑞利衰落，從而I KiwI2服從指數(shù)分布。Li和Si分別表示RAi和移動(dòng)端之間的路
徑損耗和陰影衰落，其中路徑損耗可以由下式表示/ , \β>L1 =—表達(dá)式 3
K其中，β i表示路徑損耗指數(shù)，d0為參考距離，Cli為RAi和MT之間的距離。由表達(dá)式I和表達(dá)式2可以得到系統(tǒng)接收端有效信噪(SNR)比為r, =Xrf7) =ω,Σ\h\j)I 表達(dá)式 4
7=1J
^ E PSi 其中，(y)表示第j根接收天線的瞬時(shí)輸出信噪比(SNR)，Ω,
/ /7V0由已有的文獻(xiàn)，結(jié)合表達(dá)式4，可求得接收端有效信噪比服從對(duì)數(shù)瑞利正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)(HF)可表示為
剛?cè)?ω=綠4爺)Tfc4(1°lg、V°-呼表達(dá)式5
(F其中，σ ^in dB)是IOlgSi的標(biāo)準(zhǔn)差< 色，A =IOlg 。考慮到該式存在
InlOV No J
積分，故無法直接用來進(jìn)行系統(tǒng)的性能評(píng)估。為此可利用一個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布來近似代替上述的瑞利對(duì)數(shù)正態(tài)分布，具體如下
,/a 、2 、
IOlg/-",fy (γ) = —exp----表達(dá)式 6
7 \]2πσιγ2σ,
VJ式中，；i,是近似分布的均值，可表示為 , =//,+IOlgL+ f|>⑷-In(I)]，其中
Ψ ( ·)為歐拉psi函數(shù)；而近似分布的方差為 ,2 =σ,2 +^2((2,1)，其中ζ ( ·)為Reimannzeta函數(shù).(2) DAS中連續(xù)速率自適應(yīng)調(diào)制方案設(shè)計(jì)對(duì)于多進(jìn)制正交振幅調(diào)制(M-QAM)，其近似BER公式可以用下式表示 ber (n, y ) appr。. ^ O. 2exp (_gn y )表達(dá)式 7式中，對(duì)于方形M-QAM，gn等于I. 6/ (Mn-I)，對(duì)于矩形M-QAM，gn等于6/ (5Mn_4)，其中BPSK是長(zhǎng)方形M-QAM的特殊情況。通常的自適應(yīng)調(diào)制方案設(shè)計(jì)就是基于此近似BER獲得自適應(yīng)切換門限，以致不能準(zhǔn)確地反映真實(shí)的調(diào)制情況，從而頻譜效率受限。通過設(shè)定上述瞬時(shí)BER等于目標(biāo)BER(BERtl)可進(jìn)行連續(xù)率AM方案設(shè)計(jì)。即由表達(dá)式7和BERtl，通過求逆，可求得連續(xù)率自適應(yīng)調(diào)制的頻譜效率對(duì)于方形M-QAM
( I 6vSEcrmlmil = Iog2 - - r+1 表達(dá)式 8
^ In (腳0/0.2)對(duì)于矩形M-QAM
( 12/ )SEcontmu = Iog2 - 7.+0-8 表達(dá)式 9
Vi ln(5￡7 0/0.2) J
(3)DAS中離散速率自適應(yīng)調(diào)制方案設(shè)計(jì)本專利內(nèi)容之一是在瞬時(shí)BER滿足目標(biāo)BER條件下，通過最大化平均頻譜效率來設(shè)計(jì)離散率AM方案。通過設(shè)定目標(biāo)BER為BER0,我們把瞬時(shí)SNR劃分為幾個(gè)區(qū)間，[yn,
Yη+1), η = O, I,.....,N-I其中Ytl = O, Yn+1 = + °o, N為系統(tǒng)調(diào)制方式的總數(shù)目。對(duì)于
離散 M-QAM 的星座圖尺寸 Mn 可以定義為{MQ = O7M1 = 2,... ,Mn= 22n_2，n = 2，...，Ν_1}，當(dāng)瞬時(shí)SNR介于[γη，yn+1)區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)將選擇具有星座圖尺寸為Mn的調(diào)制方式，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速率bn= log2Mnbit/s。在加性高斯噪聲(AWGN)信道下，精確M-QAM調(diào)制方式的BER公式可以表示為ber(n, r)exact = Σ織式 ο
將表達(dá)式10設(shè)定為目標(biāo)BER，則可得到SNR準(zhǔn)確門限值Y n exact = BERexa:1 (BER0)。顯然Ymxart的計(jì)算較為復(fù)雜。為此僅采用表達(dá)10式中的第一項(xiàng)(本文稱為次優(yōu)BER公式)來簡(jiǎn)化SNR門限值計(jì)算，得到次優(yōu)SNR門限值Y n-suboptimal = [erfc-1 (BER0/ a JV^1表達(dá)式 11這是由于在低SNR時(shí)，常采用低階調(diào)制方式BPSK，QPSK，而這些調(diào)制方式的BER公式只包含一項(xiàng)，在高SNR時(shí)，常采用高階調(diào)制方式，而其BER公式第一項(xiàng)又占主導(dǎo)地位；所以所提出的次優(yōu)門限值Y n-suboptifflal與準(zhǔn)確門限值Y n-exact具有很好的吻合度。而通常的近似門限值卻相差較大。為此，表I給出了 BERtl為O. Ol的情況下，分別由精確、次優(yōu)、和近似BER公式計(jì)算得到的自適應(yīng)切換門限。Y1, Y2, Y3, Y 4，Y5, 丫6和丫7分別根據(jù)8 51(，041，80八皿，16-QAM32-QAM，64-QAM 和 128-QAM 得到。如表所示，Y n_suboptimal 和 Y n_exact 數(shù)值相同，這表示所提的Yn-sulTOptinial足可以準(zhǔn)確地取代Yn-exac;t。然而，通常AM所采用的近似Y n-appMxiMte卻與精門限值之間存在很大的差異，這將導(dǎo)致SE損失。表I自適應(yīng)切換門限
權(quán)利要求
1.分布式多天線系統(tǒng)(DAS)中自適應(yīng)調(diào)制(AM)方法設(shè)計(jì)，其特征在于包括步驟如下 (1)建立分布式多天線系統(tǒng)模型和信道模型。
(2)利用高斯信道下M-QAM的精確誤比特率(BER)公式和近似BER公式，給出自適應(yīng)調(diào)制的次優(yōu)轉(zhuǎn)換門限值和近似門限值。
(3)基于次優(yōu)門限值，給出DAS離散率自適應(yīng)調(diào)制方法設(shè)計(jì)；并由近似BER公式獲得分布式多天線系統(tǒng)連續(xù)率自適應(yīng)調(diào)制方法的設(shè)計(jì)； (4)結(jié)合分布式多天線系統(tǒng)的信道特性、M-QAM的BER公式以及獲得的門限值，給出DAS離散率AM頻譜效率(SE)和平均BER表達(dá)式，為系統(tǒng)性能評(píng)估提供計(jì)算方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式多天線系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制算法設(shè)計(jì)方案，其特征在于所 述步驟(I)包括 (Ia)DAS中由于各分布式天線距離接收端的距離不同，所以必須考慮各個(gè)遠(yuǎn)程天線到接收天線所經(jīng)歷的不同的大尺度慢衰落，這里把該信道建模為一個(gè)包括陰影衰落、路徑損耗和瑞利快衰落的信道。
(Ib)根據(jù)步驟(Ia)所述的無線分布式多天線通信系統(tǒng)，求出系統(tǒng)有效接收信噪比Y和其概率密度函數(shù)(HF)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的DAS自適應(yīng)調(diào)制算法設(shè)計(jì)方案，其特征在于所述步驟(2)包括 (2a)根據(jù)目標(biāo)BER和M-QAM近似公式設(shè)計(jì)出分布式多天線系統(tǒng)連續(xù)速率自適應(yīng)調(diào)制方案。并利用步驟(Ib)有效接收信噪比的HF，借助于Guass-Hernite數(shù)值積分，可得到連續(xù)速率AM的頻譜效率閉式計(jì)算。從而為連續(xù)速率AM的性能評(píng)估提供有效的計(jì)算方法。
(2b)對(duì)于分布式多天線系統(tǒng)離散率AM方案設(shè)計(jì)首先設(shè)計(jì)AM門限值一一利用高斯信道下M-QAM的精確BER公式，保留主導(dǎo)項(xiàng)，并令其為目標(biāo)BER，可求得用于AM切換的次優(yōu)門限值。與通常基于指數(shù)函數(shù)的近似BER公式獲得的門限值相比，所提門限值有著更好的準(zhǔn)確性，可與精確門限值取得較好一致?；谠摯蝺?yōu)門限值，設(shè)計(jì)分布式多天線系統(tǒng)離散率AM方法。該方法較之通?；诮崎T限的AM方法，可獲得較高的頻譜效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I和3所述的DAS離散率AM設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(3)包括 (3a)根據(jù)步驟(I)中所述的分布式多天線系統(tǒng)信道特性和步驟(2b)中離散率自適應(yīng)門限值，給出DAS離散率自適應(yīng)調(diào)制頻譜效率的閉式計(jì)算。但由于DAS信道和有效信噪比PDF的復(fù)雜性，很難直接給出系統(tǒng)平均BER公式的閉式表達(dá)式。
(3b)采用newton-cotes數(shù)值積分公式來簡(jiǎn)化系統(tǒng)平均BER的準(zhǔn)確計(jì)算,可得到DAS離散率AM的近似平均BER閉式表達(dá)式，為系統(tǒng)BER性能評(píng)估提供直接計(jì)算方法。
(3c)利用Matlab仿真平臺(tái)測(cè)試所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)調(diào)制方法性能，其結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。即所提AM方法均能滿足目標(biāo)BER要求，較之通常AM方法有較大的SE提高。而且所給的SE和BER閉式表達(dá)式也為系統(tǒng)理論評(píng)估提供有效方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線分布式多天線系統(tǒng)(DAS)中自適應(yīng)調(diào)制(AM)方法設(shè)計(jì)及性能評(píng)估。在目標(biāo)誤比特率(BER)約束條件下通過最大化系統(tǒng)頻譜效率，分別設(shè)計(jì)離散和連續(xù)速率兩種AM方案。針對(duì)離散率AM，提出了一種基于精確BER的自適應(yīng)切換門限，較之基于近似門限的現(xiàn)有AM可獲得高的頻譜效率?？紤]到DAS實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了包含路徑損耗、陰影衰落和瑞利衰落的信道模型?；诖?，給出了連續(xù)率AM頻譜效率以及離散率AM頻譜效率和平均BER的計(jì)算表達(dá)式，為系統(tǒng)性能評(píng)估提供了有效方法。Matlab仿真平臺(tái)表明，所設(shè)計(jì)的AM方法均能滿足目標(biāo)BER要求，連續(xù)率AM要好于離散率AM方法。而且由于改進(jìn)門限的提出，離散率AM與現(xiàn)有AM方法相比，實(shí)現(xiàn)了高的頻譜效率。另外，所提供的頻譜效率和平均BER計(jì)算與仿真取得較好的一致，故可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)性能有效評(píng)估。
文檔編號(hào)H04L1/00GK102833046SQ20121032973
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者虞湘賓, 劉曉帥, 陳小敏, 殷馨, 譚文婷, 劉巖, 許莙翊 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)