CN108540415A - 高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种高速移动环境中的自适应分层调制及业务复用传输方法。该方法包括：接收端将估计的信道状态信息发送给发送端，发送端通过所述信道状态信息计算得到当前时隙的信噪比的条件概率分布函数；对高速铁路场景采用鲁棒性分层调制方案，基于当前时隙的信噪比，得到每个比特位的平均误码率表达式；基于鲁棒性分层调制方案对多业务进行调度分配，根据接收的信噪比和调制参数进行比特位分配，得到最优调制传输策略切换表；执行自适应调制传输方案，在最优调制传输策略表中选取与当前信道状态信息对应的最优调制传输策略；发送端按照最优调制传输策略发送数据。本发明可实现自适应、高效的传输，能够提高移动通信***性能。

Description

高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种高速移动环境下的自适应 分层调制及业务复用传输方法。

背景技术

分层调制是根据多种业务的不同服务质量要求，将信道状态量化为不同 信道质量的等级，每一个信道量化等级对应于某个特定的业务服务质量需 求。一般质量好的信道量化等级对应的业务服务质量较高，质量差的信道量 化等级对应的业务服务质量较低。自适应分层调制可以根据信道估计获取的 信道状态信息(CSI)，通过合理的功率分配、子载波分配等，可以使***承 载的多项业务的权重速率和得到极大的提高。

现有技术中的一种自适应调制传输方法为：发射机根据接收机瞬时信道 质量状况和目前资源选择最合适的下行链路调制和编码方式，使接收机达到 尽量高的数据吞吐率。

上述现有技术中的自适应调制传输方法的缺点为：当无线发射机在高速 移动的状态下(如高速铁路移动通信***)，发射机难以获得准确的CSI的。 原因来源于两方面：首先，接收机受到信道估计误差、量化误差、反馈误差 等因素的影响，难以进行准确的信道估计；其次，高速移动信道的时变特征 更为明显，接收机将信道估计信息反馈给发射机的反馈时延会导致CSI信息过 期，无法获得准确的CSI将导致发射机无法选择合适的发射功率和调制方式等 参数，那么移动通信***的频谱效率和业务的权重和速率将受到显著的影响。

因此，有必要设计一种适用于高速移动环境下的自适应分层调制传输方 案，在保证不同业务的不同误比特率要求的前提下，提高多业务传输的频谱 效率或权重速率和。

发明内容

本发明的实施例提供了一种高速移动环境中的自适应分层调制及业务复 用传输方法，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明的实施例提供的一种高速移动环境下的自适应分层调制及业务复 用传输方法，其特征在于，包括：

接收端将估计的信道状态信息发送给发送端，所述发送端通过所述信道 状态信息计算得到当前时隙的信噪比的条件概率分布函数；

对高速铁路场景采用鲁棒性分层调制方案，基于所述当前时隙的信噪 比，得到每个比特位的平均误码率表达式；

基于所述鲁棒性分层调制方案对多业务进行调度分配，根据接收的信噪 比和调制参数进行比特位分配，得到最优调制传输策略切换表；

执行自适应调制传输方案，在所述最优调制传输策略表中选取与当前信 道状态信息对应的最优调制传输策略；

所述发送端根据所述最优调制传输策略，将当前数据进行发送。

优选地，所述的接收端将估计的信道状态信息发送给发送端，所述发送 端通过所述信道状态信息计算得到当前时隙的信噪比的条件概率分布函数， 包括：

在所述接收端设置信道估计器，利用所述信道估计器持续地对信道进行 估计，并通过反馈链路将估计的信道状态信息发送给发送端；

所述发送端基于接收的所述信道状态信息以及时隙相关系数进行计算， 得出当前时隙的信噪比的条件概率分布函数。

优选地，所述的在接收端设置信道估计器，利用所述信道估计器持续地 对信道进行估计，并通过反馈链路将估计的信道状态信息发送给发送端，包 括：

所述接收端的信道估计器向发射端反馈估计到的信道增益为： 其中，反馈时延为τ；

设所述发送端与所述接收端之间的多径信道为平坦、快时变信道，则每 一径信道参数的实部和虚部均服从均值为0、方差为相互独立的复高斯随 机过程，即：其中，i＝0,1,…,N-1表示符号索引；

间隔为τ的所述信道状态信息h[i]与的关系表示如下：

其中，为接收端的完美信道估计，ρ[τ]为与h[i]之间的瞬时 相关系数，w[i]为链路反馈时间段内由快衰落信道的时变特性引起的信道增益 变量，w[i]独立于且采用克拉克模 型，ρ[τ]可以表示为：J₀(2πf_Dτ)，J₀(·)为第一类零阶贝萨尔函数，f_D为最大多 普勒频移。

优选地，所述的发送端基于接收的所述信道状态信息以及时隙相关系数 进行计算，得出当前时隙的信噪比的条件概率分布函数，包括：

所述信道状态信息h[i]服从独立同分布的瑞利分布，将式(1)中的i移 除，得到两个时隙相关系数：ρ[τ]和且满足：

以ρ[τ]和为条件，定义变量V，且满足： V服从自由度为2的非中心卡方分布，其中，非中心化参数为： 则V的条件概率分布函数为：

定义为平均传输功率，接收端的噪声是均值为0、方差为的复加性高 斯白噪声，将信道进行归一化处理，得：E[|h|²]＝1，则所述接收端接收到的 平均信噪比为：接收到的第i个符号的信噪比表示为：

已知所述接收端的信道估计器通过反馈链路向所述发射端发送估计到的 信道增益用于对信号的自适应调制方案进行选择，则有： 由可得γ的条件概率为：

其中，I₀为修正的第一类零阶贝塞尔函数；

对于瑞利信道，的概率密度函数为：

优选地，所述的对高速铁路场景采用鲁棒性分层调制方案，基于所述当 前时隙的信噪比，得到每个比特位的平均误码率表达式，包括：

对高速铁路场景适用的鲁棒性分层调制方案，采用广义的格雷映射的4/16 分层调制星座图，包括：I路和Q路，多层I路和多层Q路分别形成4个星座点的 4-QAM高优先级和16个星座点的16-QAM第二优先级，欧式变量和分别 表示I路和Q路的第一优先级，欧式距离和分别表示I路和Q路的第二优先 级，I路和Q路的分层水平表示为：I₁,I₂，…,I_Y和Q₁,Q₂，…,Q_Z，I₁和I_Y分别 为I路的最高比特位和最低比特位，Q₁和Q_Z分别为Q路的最高比特位和最低比 特位，Y和Z分别表示I路和Q路层数的最大值；

I路的欧式距离向量d^I和Q路的欧式距离向量d^Q定义为：

设则表示最小欧式距离，对应的调制参数定义为：

传输符号的能量表示为：

其中，为一个临时变量；

对于AWGN信道，N₀为AWGN信道的噪声功率谱密度，则接收信噪比表 示为：

I路第y位比特的误码率BER表示为：

Q路第y位比特的误码率BER表示为：

4-QAM的I路比特位的误码率BER表达式为：

4-QAM的Q路比特位的误码率BER表达式为：

其中，

8-QAM的I路比特位的误码率BER表达式为：

8-QAM的Q路最低比特位的误码率BER表达式为：

8-QAM的Q路最高比特位的误码率BER表达式为：

其中，

64QAM的I路最低比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的I路第二比特位的误码率BER表达式为

64QAM的I路最高比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的Q路最低比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的Q路第二比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的Q路最高比特位的误码率BER表达式为：

在高速铁路场景下，基于的分层4-QAM的I路误比特率表示 为：

erfc(·)采用两个指数函数的和来近似得出：

其中，a₁＝1/6，b₁＝-1，a₂＝1/2，b₂＝-3/4，m是的标量 参数。

将公式(25)代入到公式(24)中，重新构造为：

其中，

基于的分层4-QAM的Q路误比特率表示为：

对于分层调制8-QAM，基于的误比特率表达式如下所示：

对于分层调制64-QAM，基于的误比特率表达式如下所示：

同理，64-QAM的Q路误码率BER表达式只需将64-QAM中I路BER表达式 中的α₁替换为β₁，α₂替换为β₂，α₃替换为1。

优选地，所述的基于所述鲁棒性分层调制方案对多业务进行调度分配，根 据接收的信噪比和调制参数进行比特位分配，得到最优调制传输策略切换 表，包括：

设有不同误比特率要求的三类业务：业务-Ι，业务-Π，业务-ΠΙ，目标BER 的关系为：将M-QAM星座图中的Q路的最低比特位 分配给业务-Ι，其余的log₂M-1个比特位根据选择的调制参数分配给其他的 业务；

已知信噪比阈值SNR为：Γ_k，k＝1,2,…,K，将SNR区域划分为K+1个衰落 区域，其中，K是调制模式系数，同一个衰落区域分配给同一个数量星座点的 调制方式，星座点数量选择规则为：当时，星座点数量为 M_k＝2^k+1，对于一个给定的衰落区域，分层调制星座图中比特位的分配取决 于接收信噪比SNR和调制参数；

第k个衰落区域被分成k+1个子区域，当反馈的信噪比SNR位于第s个子区 域，s＝1,2,…,k+1，根据各衰落子区域的比特分配情况，利用误码率BER 的表达式对子区域阈值调制参数和进行求解；

所述子区域阈值调制参数和组成最优调制策略切换表。

优选地，所述的执行自适应调制传输方案，在所述最优调制传输策略表中 选取与当前信道状态信息对应的最优调制传输策略，包括：

求得最优的衰落子区域阈值后，确定最优的调制传输策略表；

所述发射端通过反馈链路得到所述接收端反馈的信道状态信息，在所述最 优调制传输策略表中选取与当前信道状态信息匹配的最优调制传输策略，并 进行功率控制，确定所需分配功率。

优选地，所述的发送端根据所述最优调制传输策略，将当前数据进行发 送，包括：

所述发送端根据接收到的反馈信道状态信息，通过所述信道状态信息动 态地调整所述最优调制策略切换表，使数据进行自适应的传输。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过在 接收端将估计的信道状态信息发送给发送端，发送端通过所述信道状态信息 计算得到当前时隙的信噪比的条件概率分布函数；对高速铁路场景采用鲁棒 性分层调制方案，基于当前时隙的信噪比，得到每个比特位的平均误码率表 达式；基于鲁棒性分层调制方案对多业务进行调度分配，根据接收的信噪比 和调制参数进行比特位分配，得到最优调制传输策略切换表；执行自适应调 制传输方案，在最优调制传输策略表中选取与当前信道状态信息对应的最优 调制传输策略；发送端按照最优调制传输策略发送数据。本发明可实现自适 应、高效的传输，能够提高移动通信***性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的 描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高速移动环境中的自适应分层调制及业务 复用传输方法的广义分层调制的星座图；

图2为本发明实施例提供的在高速铁路场景下为承载三种不同BER要求的 业务时，基于反馈信道状态信息的64-QAM分层调制的比特分配图；

图3为本发明实施例提供的一种高速移动环境中的自适应分层调制及业务 复用传输方法的频谱效率性能随着平均信噪比的变化曲线；

图4为本发明实施例提供的一种高速移动环境中的自适应分层调制及业务 复用传输方法的频谱效率随着移动速度的变化曲线；

图5为本发明实施例提供的一种高速移动环境中的自适应分层调制及业务 复用传输方法的处理流程图；

其中，

曲线1a表示当前信噪比条件时的总比特位数，

曲线1b表示当前信噪比条件时分配给业务S1的比特位数，

曲线1c表示当前信噪比条件时分配给业务S2的比特位数，

曲线1d表示当前信噪比条件时分配给业务S3的比特位数；

曲线2a为移动速度为300km/h，调制方式为分层调制时的频谱效率曲线，

曲线2b为移动速度为300km/h，调制方式为均匀调制时的频谱效率曲线，

曲线2c为移动速度为400km/h，调制方式为分层调制时的频谱效率曲线，

曲线2d为移动速度为400km/h，调制方式为分层调制时的频谱效率曲线，

曲线2e为移动速度为500km/h，调制方式为分层调制时的频谱效率曲线，

曲线2f为移动速度为500km/h，调制方式为分层调制时的频谱效率曲线；

曲线3a为S1业务，调制方式为分层调制时的频谱效率曲线，

曲线3b为S2业务，调制方式为分层调制时的频谱效率曲线，

曲线3c为S3业务，调制方式为分层调制时的频谱效率曲线，

曲线3d为S1业务，调制方式为均匀调制时的频谱效率曲线，

曲线3e为S2业务，调制方式为均匀调制时的频谱效率曲线，

曲线3f为S3业务，调制方式为均匀调制时的频谱效率曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功 能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发 明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解 的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步 骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、 整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被 “连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或 者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无 线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项 的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一 般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该 被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一 样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例 做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提供了一种高速移动环境中的自适应分层调制及业务复用 传输方法，用于实现自适应、高效的传输，从而提高移动通信***性能。

本发明实施例提供了一种高速移动环境中的自适应分层调制及业务复用 传输方法的处理流程图如图5所示，具体包括如下的处理步骤：

S510：接收端将估计的信道状态信息发送给发送端，所述发送端通过所 述信道状态信息计算得到当前时隙的信噪比的条件概率分布函数。

接收端的信道估计器对信道进行估计并通过反馈链路将估计的前面若干 时隙的信道状态信息发送给发送端，发送端通过反馈的接收信噪比和两个时 隙的相关系数计算得到当前时隙的信噪比的条件概率分布函数。

接收机持续对信道进行估计并用信道状态信息来获得接收信噪比，根据 接收到的信噪比的变化，发射机选择不同的调制传输方案。

接收端侧的信道估计器向发射端反馈估计到的信道增益用于自适 应调制传输，其中反馈时延为τ。

设所述发送端与所述接收端之间的多径信道为平坦、快时变信道，则每 一径信道参数的实部和虚部均服从均值为0、方差为相互独立的复高斯随 机过程，即：其中，i＝0,1,…,N-1表示符号索引。

间隔为τ的所述信道状态信息h[i]与的关系表示如下：

其中，为接收端的完美信道估计，ρ[τ]为与h[i]之间的瞬时 相关系数，w[i]为链路反馈时间段内由快衰落信道的时变特性引起的信道增益 变量，w[i]独立于且采用克拉克模 型，ρ[τ]可以表示为：J₀(2πf_Dτ)，J₀(·)为第一类零阶贝萨尔函数，f_D为最大多 普勒频移。

所述信道状态信息h[i]服从独立同分布的瑞利分布，将式(1)中的i移 除，得到两个时隙相关系数：ρ[τ]和且满足：

以ρ[τ]和为条件，定义变量V，且满足： V服从自由度为2的非中心卡方分布，其中，非中心化参数为： 则V的条件概率分布函数为：

定义为平均传输功率，接收端的噪声是均值为0、方差为的复加性高 斯白噪声，将信道进行归一化处理，得：E[|h|²]＝1，则所述接收端接收到的 平均信噪比为：接收到的第i个符号的信噪比表示为：

由***模型可知，接收端的信道估计器通过反馈链路向发射端发送估计 到的信道增益用于对信号的自适应调制方案的选择。

已知所述接收端的信道估计器通过反馈链路向所述发射端发送估计到的 信道增益用于对信号的自适应调制方案进行选择，则有： 由可得γ的条件概率为：

其中，I₀为修正的第一类零阶贝塞尔函数。

对于瑞利信道，的概率密度函数为：

S520：对高速铁路场景采用鲁棒性分层调制方案，基于当前时隙的信噪 比，得到每个比特位的平均误码率表达式。

对高速铁路场景适用的鲁棒性分层调制方案，采用广义的格雷映射的4/16 分层调制星座图。

广义的格雷映射的4/16分层调制星座图如图1所示，其中由虚拟的四个4- QAM大灰色星座点点表示高优先级，欧式变量和分别表示I路和Q路的 第一优先级；由白色空心点表示的虚拟的16-QAM的星座点表示第二优先级， 其中欧式距离和分别表示I路和Q路的第二优先级。对于一个广义的M- QAM，M＝2^Y+Z，I路和Q路的分层水平可以表示为：I₁,I₂，…,I_Y(I₁和I_Y分 别为I路的最高比特位和最低比特位)和Q₁,Q₂，…,Q_Z(Q₁和Q_Z分别为Q路 的最高比特位和最低比特位)，其中Y和Z分别表示I路和Q路层数的最大值。

I路的欧式距离向量d^I和Q路的欧式距离向量d^Q定义为：

设则表示最小欧式距离，对应的调制参数定义为：

传输符号的能量表示为：

其中，为一个临时变量；

对于AWGN信道，N₀为AWGN信道的噪声功率谱密度，则接收信噪比表 示为：

I路第y位比特的误码率BER表示为：

Q路第y位比特的误码率BER表示为：

4-QAM的I路比特位的误码率BER表达式为：

4-QAM的Q路比特位的误码率BER表达式为：

其中，

8-QAM的I路比特位的误码率BER表达式为：

8-QAM的Q路最低比特位的误码率BER表达式为：

8-QAM的Q路最高比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的I路最低比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的I路第二比特位的误码率BER表达式为

64QAM的I路最高比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的Q路最低比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的Q路第二比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的Q路最高比特位的误码率BER表达式为：

在高速铁路场景下，基于的分层4-QAM的I路误比特率表示 为：

erfc(·)采用两个指数函数的和来近似得出：

其中，a₁＝1/6，b₁＝-1，a₂＝1/2，b₂＝-3/4，m是的标量 参数。

将公式(25)代入到公式(24)中，重新构造为：

其中，

基于的分层4-QAM的Q路误比特率表示为：

对于分层调制8-QAM，基于的误比特率表达式如下所示：

对于分层调制64-QAM，基于的误比特率表达式如下所示：

同理，64-QAM的Q路误码率BER表达式只需将64-QAM中I路BER表达式 中的α₁替换为β₁，α₂替换为β₂，α₃替换为1。

S530：基于所述鲁棒性分层调制方案对多业务进行调度分配，根据接收的 信噪比和调制参数进行比特位分配，得到最优调制传输策略切换表。

不失一般性，假设有不同误比特率要求的三类业务：业务-Ι(语音)，业 务-Π(数据)，业务-ΠΙ(视频)，目标BER的关系为： 由于语音业务为需要最少的保护且是连续固定速率传输的，因此M- QAM星座图中的Q路的最低比特位分配给业务-Ι，其余的log₂M-1个比特位 根据选择的调制参数分配给其他的业务。如果信道条件好到可以传输1比特的 业务-Ι和1比特的业务-Π，那么此时就是由4-QAM来传输的。否则，就没有数 据业务可以传输。

根据SNR阈值Γ_k，k＝1,2,…,K，SNR区域可以划分为K+1个衰落区域，其 中K是调制模式系数。同一个衰落区域分配给同一个数量星座点的调制方式。 星座点数量选择规则为当时，星座点数量为M_k＝2^k+1。对 于一个给定的衰落区域，分层调制星座图中比特位的分配取决于接收SNR和 调制参数。第k个衰落区域被分成k+1个子区域，当反馈的SNR位于第s个子区 域(s＝1,2,…,k+1)，调制参数和可以根据BER表达式求解得到。 因此就可以得到比特分配表，即最优的调制策略切换表。三种业务的分层64-QAM的不同子区域的比特分配方案如表1所示。

表1

在一个给定的衰落区域内，如果SNR从一个子区域移到下一个子区域，意 味着信道条件变好，1比特的业务-Π将会由1比特的业务-ΠΙ来代替，因为业务 -ΠΙ比业务-Π需要更多的保护。这种传输策略的目的是提高有着不同BER需要 的多业务传输的频谱效率。

子区域阈值和调制参数和可以通过分层64-QAM调制的BER等式 求得数值解。以8-QAM为例，即第二个衰落区域，其第二个衰落子区域的比 特分配如表1所示，即I路的比特分配给业务-Π，Q路的最低比特分配给业务- ΠΙ，Q路的最高比特分配给业务-Ι1，第二个衰落区域的第二个子区域的调制参 数和衰落子区域阈值可以通过求解公式(28)、(29)、(30)获得，根据 比特分配情况确定求解方程组，求解公式具体如下：

当反馈的SNR从到无穷，为了保证公平性，传输时间的50％各分为业 务-Π和业务-ΠΙ。

所述子区域阈值调制参数和组成最优调制策略切换表。

S540：执行自适应调制传输方案，在所述最优调制传输策略表中选取与 当前信道状态信息对应的最优调制传输策略。

求得最优的衰落子区域阈值后，可确认本方案最优的调制传输策略表。 发射端通过反馈链路得到接收端反馈的信道状态信息，在最优调制传输策略 表中选取与当前信道状态信息匹配的最优调制传输策略并在发射端进行功率 控制，以达到最大化频谱效率的目的。

所述最优调制传输策略是指如表1所示的具体的比特分配方案。

S550：所述发送端根据所述最优调制传输策略，将当前数据进行发送。

在确认当前所需分配功率、调制传输方式后，发送端发送数据。

发送端根据接收到的反馈信道状态信息，通过所述信道状态信息动态地 调整所述最优调制策略切换表，使数据进行自适应的传输。

实施例二

该实施例提供了一种高速移动环境中的自适应分层调制及业务复用传输 方法，为验证该方法可以随信道状态反馈信息的变化动态地调整策略切换表 并使数据可以自适应传输，进行了如下的仿真，说明该发明实施例的实例效 果和频谱效率的提高。

用本发明实施例的方法进行高速移动环境中的自适应分层调制及业务复 用传输的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

仿真参数的默认值为：载波频率f_c＝0.9GHz，平均信噪比列 车移动的速度v＝300km/h，反馈时延τ＝0.3ms，星座点数量M＝ [4,8,16,32,64]。三个业务的目标BER为

根据传输策略，不同SNR区域的比特分配如图2所示。对于64-QAM来 说，SNR阈值用来选择最优的传输模式。对于覆盖连续并且通信质量可靠的 小区来说，在高速铁路通信***中的SNR大约为30dB。考虑快速时变衰落信 道，当估计的SNR小于25.2dB时传输会停止。当业务-Ι总是可 以分配1比特，业务-Π或者业务-ΠΙ也可以同时进行传输。当增大，所有业务 的传输比特数也相应的增大。当从一个子区域增加到另一个子区域时，1比 特的业务-Π会被1比特的业务-ΠΙ代替，当SNR阈值趋向于无穷，业务-Π和业务-ΠΙ交替传输。

本发明实施例提出的鲁棒性非均匀64-QAM机制的频谱效率如图3所示。 均匀64-QAM机制在所有的比特位都提供相同的BER，因此在一个子区域只传 一种业务。频谱效率的表达式为：

圆圈点表示频谱效率的仿真结果。在图3中，对于特定的移动速度，两种 调制机制的频谱效率都随着SNR的增大而增大；对于给定的SNR，两种调制机 制的频谱效率随着移动速度的增大而降低；低SNR时两种调制机制的差值比 较小，但是当移动速度增大到500km/h，本发明实施例提出的机制可以提高 15％的频谱效率。原因是当信道条件比较好的时候，分层调制的衰落区域的 SNR阈值要低于对应的均匀调制。这个结果说明本发明实施例提出的鲁棒性 分层调制机制适用于高速移动通信***。

如图4所示是非均匀分层64-QAM调制和均匀64-QAM调制的频谱效率随着 移动速度的变化趋势图，可以看出，对于业务-Ι和业务-ΠΙ来说，非均匀分层 64-QAM调制的频谱效率要优于均匀64-QAM调制。但是对于业务-Π来说，均 匀64-QAM调制的频谱效率却优于非均匀分层64-QAM调制的频谱效率。这是 由于均匀调制的比特位分配和SNR阈值的选择比较保守。比如，对于分层64- QAM中的衰落子区域一旦估计的SNR超过衰落子区域的阈值，1比特的业 务-Π就会被1比特的业务-ΠΙ代替。然而均匀64-QAM在一个衰落区域只能唯一 的传输业务，而没有机会传输业务-ΠΙ。因此本发明实施例提出的方案中一个 符号可以承载多个业务。在高速铁路场景下，相比于均匀调制，鲁棒性分层 调制机制能提供更多的业务公平性。

综上所述，本发明实施例通过采用一种高速移动环境中的自适应分层调 制及业务复用传输方法，解决了当无线发射机无法获得精确信道信息条件 下，自适应分层调制传输性能会显著下降的问题。本发明提出无线发射机仅 能获得部分不精确的信道状态信息条件下，在保证不同业务的不同服务质量 需求前提下，进行自适应分层调制门限计算、功率控制以及分层调制方案选 择的方法。本发明能够改善***频谱效率，保证***达到最大的多业务权重 速率和，也可以适应***平均信噪比的变化，使通信***更好地适应高速移动环境。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中 的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同 相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同 之处。尤其，对于装置或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例， 所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描 述的装置及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元 可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可 以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案 的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并 实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法，其特征在于，包括：

接收端将估计的信道状态信息发送给发送端，所述发送端通过所述信道状态信息计算得到当前时隙的信噪比的条件概率分布函数；

对高速铁路场景采用鲁棒性分层调制方案，基于所述当前时隙的信噪比，得到每个比特位的平均误码率表达式；

基于所述鲁棒性分层调制方案对多业务进行调度分配，根据接收的信噪比和调制参数进行比特位分配，得到最优调制传输策略切换表；

执行自适应调制传输方案，在所述最优调制传输策略表中选取与当前信道状态信息对应的最优调制传输策略；

所述发送端根据所述最优调制传输策略，将当前数据进行发送。

2.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法，其特征在于，所述的接收端将估计的信道状态信息发送给发送端，所述发送端通过所述信道状态信息计算得到当前时隙的信噪比的条件概率分布函数，包括：

在所述接收端设置信道估计器，利用所述信道估计器持续地对信道进行估计，并通过反馈链路将估计的信道状态信息发送给发送端；

所述发送端基于接收的所述信道状态信息以及时隙相关系数进行计算，得出当前时隙的信噪比的条件概率分布函数。

3.根据权利要求2所述的高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法，其特征在于，所述的在接收端设置信道估计器，利用所述信道估计器持续地对信道进行估计，并通过反馈链路将估计的信道状态信息发送给发送端，包括：

所述接收端的信道估计器向发射端反馈估计到的信道增益为：其中，反馈时延为τ；

设所述发送端与所述接收端之间的多径信道为平坦、快时变信道，则每一径信道参数的实部和虚部均服从均值为0、方差为相互独立的复高斯随机过程，即：其中，i＝0,1,…,N-1表示符号索引；

间隔为τ的所述信道状态信息h[i]与的关系表示如下：

其中，为接收端的完美信道估计，ρ[τ]为与h[i]之间的瞬时相关系数，w[i]为链路反馈时间段内由快衰落信道的时变特性引起的信道增益变量，w[i]独立于且采用克拉克模型，ρ[τ]可以表示为：J₀(2πf_Dτ)，J₀(·)为第一类零阶贝萨尔函数，f_D为最大多普勒频移。

4.根据权利要求2所述的高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法，其特征在于，所述的发送端基于接收的所述信道状态信息以及时隙相关系数进行计算，得出当前时隙的信噪比的条件概率分布函数，包括：

所述信道状态信息h[i]服从独立同分布的瑞利分布，将式(1)中的i移除，得到两个时隙相关系数：ρ[τ]和且满足：

以ρ[τ]和为条件，定义变量V，且满足： V服从自由度为2的非中心卡方分布，其中，非中心化参数为：则V的条件概率分布函数为：

定义为平均传输功率，接收端的噪声是均值为0、方差为的复加性高斯白噪声，将信道进行归一化处理，得：E[|h|²]＝1，则所述接收端接收到的平均信噪比为：接收到的第i个符号的信噪比表示为：

已知所述接收端的信道估计器通过反馈链路向所述发射端发送估计到的信道增益用于对信号的自适应调制方案进行选择，则有： 由可得γ的条件概率为：

其中，I₀为修正的第一类零阶贝塞尔函数；

对于瑞利信道，的概率密度函数为：

。

5.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法，其特征在于，所述的对高速铁路场景采用鲁棒性分层调制方案，基于所述当前时隙的信噪比，得到每个比特位的平均误码率表达式，包括：

对高速铁路场景适用的鲁棒性分层调制方案，采用广义的格雷映射的4/16分层调制星座图，包括：I路和Q路，多层I路和多层Q路分别形成4个星座点的4-QAM高优先级和16个星座点的16-QAM第二优先级，欧式变量和分别表示I路和Q路的第一优先级，欧式距离和分别表示I路和Q路的第二优先级，I路和Q路的分层水平表示为：I₁,I₂，…,I_Y和Q₁,Q₂，…,Q_Z，I₁和I_Y分别为I路的最高比特位和最低比特位，Q₁和Q_Z分别为Q路的最高比特位和最低比特位，Y和Z分别表示I路和Q路层数的最大值；

I路的欧式距离向量d^I和Q路的欧式距离向量d^Q定义为：

设则表示最小欧式距离，对应的调制参数定义为：

传输符号的能量表示为：

其中，为一个临时变量；

对于AWGN信道，N₀为AWGN信道的噪声功率谱密度，则接收信噪比表示为：

I路第y位比特的误码率BER表示为：

Q路第y位比特的误码率BER表示为：

4-QAM的I路比特位的误码率BER表达式为：

4-QAM的Q路比特位的误码率BER表达式为：

其中，

8-QAM的I路比特位的误码率BER表达式为：

8-QAM的Q路最低比特位的误码率BER表达式为：

8-QAM的Q路最高比特位的误码率BER表达式为：

其中，

64QAM的I路最低比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的I路第二比特位的误码率BER表达式为

64QAM的I路最高比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的Q路最低比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的Q路第二比特位的误码率BER表达式为：

64QAM的Q路最高比特位的误码率BER表达式为：

在高速铁路场景下，基于的分层4-QAM的I路误比特率表示为：

erfc(·)采用两个指数函数的和来近似得出：

其中，a₁＝1/6，b₁＝-1，a₂＝1/2，b₂＝-3/4，m是的标量参数。

将公式(25)代入到公式(24)中，重新构造为：

其中，

基于的分层4-QAM的Q路误比特率表示为：

对于分层调制8-QAM，基于的误比特率表达式如下所示：

对于分层调制64-QAM，基于的误比特率表达式如下所示：

同理，64-QAM的Q路误码率BER表达式只需将64-QAM中I路BER表达式中的α₁替换为β₁，α₂替换为β₂，α₃替换为1。

6.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法，其特征在于，所述的基于所述鲁棒性分层调制方案对多业务进行调度分配，根据接收的信噪比和调制参数进行比特位分配，得到最优调制传输策略切换表，包括：

设有不同误比特率要求的三类业务：业务-Ι，业务-Π，业务-ΠΙ，目标BER的关系为：将M-QAM星座图中的Q路的最低比特位分配给业务-Ι，其余的log₂M-1个比特位根据选择的调制参数分配给其他的业务；

已知信噪比阈值SNR为：Γ_k，k＝1,2,…,K，将SNR区域划分为K+1个衰落区域，其中，K是调制模式系数，同一个衰落区域分配给同一个数量星座点的调制方式，星座点数量选择规则为：当时，星座点数量为M_k＝2^k+1，对于一个给定的衰落区域，分层调制星座图中比特位的分配取决于接收信噪比SNR和调制参数；

第k个衰落区域被分成k+1个子区域，当反馈的信噪比SNR位于第s个子区域，s＝1,2,…,k+1，根据各衰落子区域的比特分配情况，利用误码率BER的表达式对子区域阈值调制参数和进行求解；

所述子区域阈值调制参数和组成最优调制策略切换表。

7.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法，其特征在于，所述的执行自适应调制传输方案，在所述最优调制传输策略表中选取与当前信道状态信息对应的最优调制传输策略，包括：

求得最优的衰落子区域阈值后，确定最优的调制传输策略表；

所述发射端通过反馈链路得到所述接收端反馈的信道状态信息，在所述最优调制传输策略表中选取与当前信道状态信息匹配的最优调制传输策略，并进行功率控制，确定所需分配功率。

8.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应分层调制及业务复用传输方法，其特征在于，所述的发送端根据所述最优调制传输策略，将当前数据进行发送，包括：

所述发送端根据接收到的反馈信道状态信息，通过所述信道状态信息动态地调整所述最优调制策略切换表，使数据进行自适应的传输。