CN102833046A - 分布式多天线***中自适应调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线分布式多天线***(DAS)中自适应调制(AM)方法设计及性能评估。在目标误比特率(BER)约束条件下通过最大化***频谱效率，分别设计离散和连续速率两种AM方案。针对离散率AM，提出了一种基于精确BER的自适应切换门限，较之基于近似门限的现有AM可获得高的频谱效率。考虑到DAS实际情况，设计了包含路径损耗、阴影衰落和瑞利衰落的信道模型。基于此，给出了连续率AM频谱效率以及离散率AM频谱效率和平均BER的计算表达式，为***性能评估提供了有效方法。Matlab仿真平台表明，所设计的AM方法均能满足目标BER要求，连续率AM要好于离散率AM方法。而且由于改进门限的提出，离散率AM与现有AM方法相比，实现了高的频谱效率。另外，所提供的频谱效率和平均BER计算与仿真取得较好的一致，故可实现对***性能有效评估。

Description

分布式多天线***中自适应调制方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及无线通信的自适应调制方案设计，更具体的说涉及分布式MIMO***中连续速率和离散速率自适应调制方法设计。

背景技术

目前，无线通信技术已广泛地应用于社会生活各方面，而各种无线通信数据业务对容量需求呈现***性的增长，尤其是互联网的无线接入和多媒体应用对信息吞吐量需求的增长，已经超过已有技术所支持的数据速率，一种使得数据速率得以有效增长的重要技术就是在***发送端和接收端安置多副天线，即多输入多输出(MIMO，Multiple Input and Mu1tipleOutput)技术。研究表明，使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加***带宽和天线总发射功率的情况下，可以有效地对抗无线信道衰落的影响，大大地提高***的频谱利用率和信道容量，已经成为第三代合作伙伴计划(3GPP，3rd Generation PartnershipProject)LTE的关键技术之一。

而且，随着频谱资源的日益紧张和用户需求的持续增长，传统蜂窝***出现了切换频繁、干扰增加、成本提高等问题，已经无法满足未来无线通信的***的发展要求。近年来，分布式天线***作为一种新兴技术引起了学术界的广泛关注。分布式天线***不论在提高***容量，降低发射功率还是在减少切换次数、降低中断概率等方面都显示出传统蜂窝***不可比拟的优势，被认为是传统蜂窝***的理想替代方案，已成为未来无线通信极具发展前景的方向之一。目前，已有研究表明与集中式MIMO相比，它具有更高的容量、小区平均覆盖率及抗衰落能力。

自适应传输技术可以根据无线通信环境和服务质量(QoS)的要求，动态地改变发送端的各种参数来提高***资源利用率，以获得较高的***吞吐量和容量，已被广泛应用于无线通信***中作为提高传输***频谱的一种强有力技术。

基于此，本专利将给出无线分布式多天线***中自适应调制(AM)算法设计，以自适应匹配无线信道的变化，有效提高***吞吐量和数据传输率。

自适应传输技术在单载波单天线***(SI SO)中已得到了比较完善的研究。A.J.Goldsmith等人对SISO***中基于不同的传输方案(包括可变速率、可变功率、平均误比特率(BER)约束、瞬时BER约束)的自适应传输进行性能分析，给出了平均BER和平均频谱效率(ASE)的闭式表达式。A.Maaref将SISO自适应调制技术推广到空时编码的MIMO***中，并进行了恒定功率下离散速率自适应调制方案的性能分析。X.Yu研究了MIMO***基于不完全信道状态信息(CSI)的自适应调制方案，给出了该***平均BER和ASE的精确表达式。然而，上述自适应调制方案均是针对集中式SISO/MIMO***进行设计，而对分布式天线***(DAS)进行自适应调制设计却很少。不像集中式MIMO***仅存在快衰落，DAS由于发送天线分布在小区的不同区域，发送端到移动端将经历不同的大尺度慢衰落，使得分布式MIMO***自适应调制方案的设计具有一定的难度。

因此，本发明将针对无线DAS***，研究其自适应调制方案及其相应的算法设计——即在固定功率和瞬时误BER约束条件下，通过最大化***频谱效率(SE)，设计出连续速率和离散速率两种自适应调制方法，其中离散速率AM方案的自适应转换门限值将根据目标BER获得。考虑到现有的门限值是基于近似BER获得，以致相应的AM方案不能准确地反映实际的调制情况，带来***SE受限。为此，设计了一种基于精确BER的自适应切换门限和相应的AM方法，较之基于通常近似门限的AM可获得高的频谱效率。针对DAS实际情况，设计了包含路径损耗、阴影衰落和瑞利衰落的信道模型，并基于该模型，给出了连续率AM频谱效率以及离散率AM频谱效率和平均BER的计算公式，为***性能测试提供了有效的评估方法。利用Matlab仿真平台进行AM方法性能测试，其结果表明，所设计的AM方法均能满足目标BER要求，其中连续率AM由于无需率的限值，其SE要明显高于离散率AM方法。而且所提基于改进门限的AM方法与现有AM方法相比，也可实现较高的频谱效率。此外，所给的频谱效率和平均BER计算也与仿真取得较好的一致，从而为DAS***性能评估提供了有效的方法。

以下将通过具体实施例结合附图对本发明的目的及特性进行详细描述，这些具体实施例是说明性的，不具有限制性。

发明内容

本发明是针对分布式天线***，进行了其自适应调制算法设计，包括连续和离散速率两种自适应调制方案。目的是在固定功率和目标误比特率的约束条件下，利用所设计的AM方法可获得***SE的极大提高。本发明提出的DAS自适应调制方案设计采用了以下步骤：

(1)给出了DAS模型和信道模型。

分布式天线***模型如附图1所示。

附图1给出了分布式天线***的物理模型，小区单元建模为一个半径为D的圆形区域，各远程天线(RA)任意地摆放在小区的不同位置，记为RA_i(i＝1，2，....，N)，通过特定传输通道(光纤)连接到一个中央处理单元(MCU).不失一般性，假设每个移动终端(MT)均有L个天线。

若RA_i选择用来发射信号，那么移动接收端的接收信号的表达式可以表示为：

表达式1

其中，y_i ^(j)为移动接收端第j根接收天线的接收信号，E_s为发送信号的功率，复合信道矩阵h_i中的元素h_i ^(j)为RA_i和移动接收端第j根接收天线之间的信道系数；x为从RA_i发送的信号并且能量归一化为1。噪声矩阵z中的每一个元素服从均值为0方差为N₀的复高斯分布。

由于分布式天线***的结构特性，h_i ^(j)在本发明中用以下模型表示：

${h_i}^{\left(j\right)}={{\mathrm{\κ}}_i}^{\left(j\right)}\sqrt{L_i{S}_i}$ 表达式2

式中，κ_i ^(j)代表了RA_i和移动端第j根接收天线之间的小尺度快衰落，即幅度|κ_i ^(j)|为瑞利衰落，从而|κ_i ^(j)|²服从指数分布。L_i和S_i分别表示RA_i和移动端之间的路径损耗和阴影衰落，其中路径损耗可以由下式表示：

$L_i={\left(\frac{d_0}{d_i}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i}$ 表达式3

其中，β_i表示路径损耗指数，d₀为参考距离，d_i为RA_i和MT之间的距离。

由表达式1和表达式2可以得到***接收端有效信噪(SNR)比为

${\mathrm{\γ}}_i=\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i^{\left(j\right)}={\mathrm{\Ω}}_i\underset{j}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_i^{\left(j\right)}\right|}^2$ 表达式4

其中，

表示第j根接收天线的瞬时输出信噪比(SNR)，

由已有的文献，结合表达式4，可求得接收端有效信噪比服从对数瑞利正态分布，其概率密度函数(PDF)可表示为：

$f_{{\mathrm{\γ}}_i}\left(\mathrm{\γ}\right)={\∫}_0^{\∞}\frac{L^{L-1}{\mathrm{\γ}}^{L-1}}{\mathrm{\Γ}\left(L\right){\mathrm{\τ}}^L}\exp (-\frac{\mathrm{L\γ}}{\mathrm{\τ}})\frac{\mathrm{\ξ}}{\sqrt{2}{\mathrm{\π\σ}}_i\mathrm{\τ}}\exp [-\frac{{(10\mathrm{lg\τ}-{\mathrm{\μ}}_i-10\mathrm{lgL})}^2}{2{\mathrm{\σ}}_i^2}]\mathrm{d\τ}$ 表达式5

其中，σ_i(in dB)是10lgS_i的标准差，

考虑到该式存在积分，故无法直接用来进行***的性能评估。为此可利用一个对数正态分布来近似代替上述的瑞利对数正态分布，具体如下：

$f_{{\mathrm{\γ}}_i}\left(\mathrm{\γ}\right)\≅\frac{\mathrm{\ξ}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\widehat{\mathrm{\σ}}}_i\mathrm{\γ}}\exp (-\frac{{(10\mathrm{lg\γ}-{\widehat{\mathrm{\μ}}}_i)}^2}{2{\widehat{\mathrm{\σ}}}_i})$ 表达式6

式中，

是近似分布的均值，可表示为

其中ψ(·)为欧拉psi函数；而近似分布的方差为

其中ζ(·)为Reimann zeta函数.

(2)DAS中连续速率自适应调制方案设计

对于多进制正交振幅调制(M-QAM)，其近似BER公式可以用下式表示：

ber(n，γ)_appro.≈0.2exp(-g_nγ)            表达式7

式中，对于方形M-QAM，g_n等于1.6/(M_n-1)，对于矩形M-QAM，g_n等于6/(5M_n-4)，其中BPSK是长方形M-QAM的特殊情况。通常的自适应调制方案设计就是基于此近似BER获得自适应切换门限，以致不能准确地反映真实的调制情况，从而频谱效率受限。

通过设定上述瞬时BER等于目标BER(BER₀)可进行连续率AM方案设计。即由表达式7和BER₀，通过求逆，可求得连续率自适应调制的频谱效率

对于方形M-QAM：

${\mathrm{SE}}_{\mathrm{continu}}={\log }_2(-\frac{1.6\mathrm{\γ}}{\ln ({\mathrm{BER}}_0/0.2)}+1)$ 表达式8

对于矩形M-QAM：

${\mathrm{SE}}_{\mathrm{continu}}={\log }_2(-\frac{1.2\mathrm{\γ}}{\ln ({\mathrm{BER}}_0/0.2)}+0.8)$ 表达式9

(3)DAS中离散速率自适应调制方案设计

本专利内容之一是在瞬时BER满足目标BER条件下，通过最大化平均频谱效率来设计离散率AM方案。通过设定目标BER为BER₀，我们把瞬时SNR划分为几个区间，[γ_n，γ_n+1)，n＝0，1，.....，N-1其中γ₀＝0，γ_N+1＝+∞，N为***调制方式的总数目。对于离散M-QAM的星座图尺寸M_n可以定义为{M₀＝0，M₁＝2，...，M_n＝2^2n-2，n＝2，...，N-1}，当瞬时SNR介于[γ_n，γ_n+1)区间时，***将选择具有星座图尺寸为M_n的调制方式，相应的数据传输速率b_n＝log₂M_nbit/s。

在加性高斯噪声(AWGN)信道下，精确M-QAM调制方式的BER公式可以表示为

$\mathrm{ber}{(n,\mathrm{\γ})}_{\mathrm{exact}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_m\mathrm{erfc}\left(\sqrt{{\mathrm{\β}}_m\mathrm{\γ}}\right)$ 表达式10

将表达式10设定为目标BER，则可得到SNR准确门限值γ_{n_exact}＝BER_exact ^-1(BER₀)。显然γ_n-exact的计算较为复杂。为此仅采用表达10式中的第一项(本文称为次优BER公式)来简化SNR门限值计算，得到次优SNR门限值

γ_n-suboptimal＝[erfc^-1(BER₀/α₁]²/β₁            表达式11

这是由于在低SNR时，常采用低阶调制方式BPSK，QPSK，而这些调制方式的BER公式只包含一项，在高SNR时，常采用高阶调制方式，而其BER公式第一项又占主导地位；所以所提出的次优门限值γ_n-suboptimal与准确门限值γ_n-exact具有很好的吻合度。而通常的近似门限值却相差较大。为此，表1给出了BER₀为0.01的情况下，分别由精确、次优、和近似BER公式计算得到的自适应切换门限。γ₁，γ₂，γ₃，γ₄，γ₅，γ₆和γ₇分别根据BPSK，QAM，8QAM，16-QAM32-QAM，64-QAM和128-QAM得到。如表所示，γ_n-suboptimal和γ_n-exact数值相同，这表示所提的γ_n-suboptimal足可以准确地取代γ_n-exact。然而，通常AM所采用的近似γ_{n-approximate}却与精门限值γ_n-exact之间存在很大的差异，这将导致SE损失。

表1自适应切换门限

	γl	γ2	γ3	γ4	γ5	γ6	γ7
								γn-exact	2.7059	5.4119	15.2839	24.5613	60.6553	94.0884	226.7062
γn-suboptimal	2.7059	5.4119	15.2839	24.5613	60.6553	94.0884	226.7062
								γn-approximate	2.9957	5.6170	17.9744	28.0850	77.8890	1177950	317.5476

在以下的分析中，为了简化计算又不失准确性，所提的改善门限(即表达式11)将被用于DAS进行自适应调制方法设计，从而可获得较高的频谱效率。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

图1为DAS结构示意图

图2为采用自适应调制的DAS***原理图

图3为DAS自适应调制方案频谱效率

图4为DAS自适应调制方案采用两种门限和不同调制方式的频谱效率

图5为DAS自适应调制方案平均误比特率

具体实施方式

本发明提出的DAS自适应调制方法已经通过Matlab平台进行验证，从仿真结果可以看出该方法可以获得较高的频谱效率，从而为***提高频效和性能测试提供有效方法。下面给出具体的实施的技术方案：

(1)基于天线选择的DAS

本***发送端根据反馈的信道信息选择信道条件最好的天线来传输信号，即选择输出信噪比(SNR)最大的那根RA_i来传输信号，以获得接收信噪比达到最大化。发送准则可以由以下模型表示：

γ＝max{γ₁，...，γ_N}                        表达式12

由于各个RA之间的距离比较大，所以可以认为γ₁，...，γ_N之间相互独立。利用表达式6可以求得γ的累积分布函数：

$F_{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\γ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{F}_{{\mathrm{\γ}}_i}\left(\mathrm{\γ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}[1-\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{10\mathrm{lg\γ}-{\widehat{\mathrm{\μ}}}_i}{2{\widehat{\mathrm{\σ}}}_i}\right)]$ 表达式13

对上式求导，我们可以得到γ的PDF为：

$f_{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\γ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[f_{{\mathrm{\γ}}_i}\left(\mathrm{\γ}\right)\underset{k=1,k\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{F}_{{\mathrm{\γ}}_k}\left(\mathrm{\γ}\right)\right]$ 表达式14

(2)DAS连续率AM平均频谱效率

由***有效信噪比的概率密度函数及表达式8和9，利用Guass-Hernite数值积分可求得DAS连续速率自适应调制的平均SE为

表达式15

其中，t_n和H_n分布为N_r阶Hermite多项式的基点和加权系数。该SE表达式为DAS连续速率自适应调制提供较为准确的频谱效率计算方法，为***性能评估提供有效方法。

(3)DAS离散率AM的频谱效率和平均BER

A.DAS自适应调制方案平均SE

***平均SE定义为N个区间数据传输速率的与相应区间概率的乘积之和，从而根据表达式14结合获得的自适应门限值，可求得DAS的平均SE为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SE}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n\·[F_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_{n+1}\right)-F_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_n\right)]$ 表达式16

由表达式13和表达式16即可得到离散速率AM的频谱效率具体表达式。

B.DAS自适应调制方案平均BER

***平均BER可以由平均误比特数与总平均传输比特数的比值精确地计算得到，即由以下式子定义：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BER}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n\·{\mathrm{BER}}_n/\stackrel{\‾}{\mathrm{SE}}$ 表达式17

其中BER_n为***处于第n个区间的平均BER，即

由于该表达式存在积分，未能提供BER_n的闭式表达式。为此，本发明采用Newton-Cotes数值积分来简化上述表达式的计算。Newton-Cotes数值积分是将定积分在积分区域等间隔取基点并利用加权系数求和来表示，由此可以得到下面的闭式表达式：

${\mathrm{BER}}_n\≅\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_m(\mathrm{erfc}\left(\sqrt{B_m\mathrm{\γ}}\right)F_{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\γ}\right){|}_{{\mathrm{\γ}}_n}^{{\mathrm{\γ}}_{n+1}}+\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_m}{\mathrm{\π}}}\·\mathrm{Ah}\underset{j=0}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j\frac{\exp (-{\mathrm{\β}}_m{\mathrm{\γ}}_j)}{\sqrt{\mathrm{\γ}}}{F}_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_j\right))$ 表达式18

式中A和W_j分别为与U对应的常数和加权系数，而h为积分区域等间隔的长度

把表达式18和16代入表达式17可得***的平均BER，即DAS离散率AM的平均BER闭式表达式。从而为***的BER性能评估提供有效的计算方法。

本发明提出了DAS两种自适应调制方法和相应的性能评估方法。为了体现所提方法的优势，利用Matlab平台进行仿真测试。对于DAS中离散AM，其采用BPSK、4QAM、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM和128QAM等7种调制方式.附图3、附图4和附图5给出了DAS***AM的频谱效率和平均BER的性能评估。附图3给出了***连续速率AM、离散速率AM的频谱效率以及该***的香农信道容量，其中离散速率AM的SE由次优门限得到的。由图中可以看出，连续速率AM相对于离散速率AM有更高的频谱效率，这是因为后者受到有限的调制方式限制，故速率仅能达到所允许的最高调制方式传输速率，而前者没有率的限制，故性能要好。但它们的最终速率都小于极限速率——香农信道容量。另外，由次优门限得到的SE曲线能够与仿真曲线取得较好的一致，从而验证了本发明所提SE性能计算方法的有效性。由附图4可知，次优门限相对于近似门限有更高的频谱效率，这是因为所提次优门限γ_n-suboplimal有着非常好的准确性，其值要低于通常的近似门限γ_{n-approximate}，这样所设计的自适应调制方案选择高阶调制方式的概率将较高，故所提的自适应调制方法SE要明显高于基于近似门限的现有AM方法。由图中还可得到：采用7种调制方式要比采用4种调制方式有更高的SE。附图5给出了***平均BER理论和仿真曲线。由该图可以看出，平均BER均低于目标BER，即所设计的自适应***能够满足QoS要求，而且平均BER精确理论值与仿真值取得非常好的一致。但近似理论值则明显高于仿真值，这是因为近似理论值由BER的上界公式推导而来。上述结果表明所提BER性能计算方法也是有效的。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.分布式多天线***(DAS)中自适应调制(AM)方法设计，其特征在于包括步骤如下：

(1)建立分布式多天线***模型和信道模型。

(2)利用高斯信道下M-QAM的精确误比特率(BER)公式和近似BER公式，给出自适应调制的次优转换门限值和近似门限值。

(3)基于次优门限值，给出DAS离散率自适应调制方法设计；并由近似BER公式获得分布式多天线***连续率自适应调制方法的设计；

(4)结合分布式多天线***的信道特性、M-QAM的BER公式以及获得的门限值，给出DAS离散率AM频谱效率(SE)和平均BER表达式，为***性能评估提供计算方法。

2.根据权利要求1所述的分布式多天线***自适应调制算法设计方案，其特征在于所述步骤(1)包括：

(1a)DAS中由于各分布式天线距离接收端的距离不同，所以必须考虑各个远程天线到接收天线所经历的不同的大尺度慢衰落，这里把该信道建模为一个包括阴影衰落、路径损耗和瑞利快衰落的信道。

(1b)根据步骤(1a)所述的无线分布式多天线通信***，求出***有效接收信噪比γ和其概率密度函数(PDF)。

3.根据权利要求1和2所述的DAS自适应调制算法设计方案，其特征在于所述步骤(2)包括：

(2a)根据目标BER和M-QAM近似公式设计出分布式多天线***连续速率自适应调制方案。并利用步骤(1b)有效接收信噪比的PDF，借助于Guass-Hernite数值积分，可得到连续速率AM的频谱效率闭式计算。从而为连续速率AM的性能评估提供有效的计算方法。

(2b)对于分布式多天线***离散率AM方案设计：首先设计AM门限值一一利用高斯信道下M-QAM的精确BER公式，保留主导项，并令其为目标BER，可求得用于AM切换的次优门限值。与通常基于指数函数的近似BER公式获得的门限值相比，所提门限值有着更好的准确性，可与精确门限值取得较好一致。基于该次优门限值，设计分布式多天线***离散率AM方法。该方法较之通常基于近似门限的AM方法，可获得较高的频谱效率。

4.根据权利要求1和3所述的DAS离散率AM设计方法，其特征在于所述步骤(3)包括：

(3a)根据步骤(1)中所述的分布式多天线***信道特性和步骤(2b)中离散率自适应门限值，给出DAS离散率自适应调制频谱效率的闭式计算。但由于DAS信道和有效信噪比PDF的复杂性，很难直接给出***平均BER公式的闭式表达式。

(3b)采用newton-cotes数值积分公式来简化***平均BER的准确计算，可得到DAS离散率AM的近似平均BER闭式表达式，为***BER性能评估提供直接计算方法。

(3c)利用Matlab仿真平台测试所设计的自适应调制方法性能，其结果验证了所提方法的有效性。即所提AM方法均能满足目标BER要求，较之通常AM方法有较大的SE提高。而且所给的SE和BER闭式表达式也为***理论评估提供有效方法。 

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