CN114828149A - 一种基于多中继转发的协作空间调制***性能分析方法 - Google Patents

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CN114828149A CN202110122047.5A CN202110122047A CN114828149A CN 114828149 A CN114828149 A CN 114828149A CN 202110122047 A CN202110122047 A CN 202110122047A CN 114828149 A CN114828149 A CN 114828149A
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虞湘宾
谢明峰
陈家锆
李祺亦舒
党小宇
黎宁
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    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
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Abstract

本发明公开了一种基于多中继转发的协作空间调制***性能分析方法；针对多中继协作空间调制***，建立了该***有着不完全信道状态信息时***模型，给出了***的有效信噪比及有效信噪比中变量的矩生成函数计算方法；在此基础上，利用基于矩生成函数的错误概率求解方法，给出了***的平均成对错误概率计算表达式，并以此，进一步得到了***平均误比特率的计算方法；本发明所提出的性能分析方法能有效地评估***的误比特率性能。

Description

一种基于多中继转发的协作空间调制***性能分析方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，涉及移动通信***的性能分析方法，尤其是涉及基于多中继转发的协作空间调制***的性能分析方法。
背景技术
中继原本只被用于远距离传输，通过中继的转发来扩展信号覆盖范围。近年来的研究表明，中继也可以和发送端合作来改善通信的质量，它适用于发送端和接收端之间的直达链路能够承载信息的场景中，再利用多中继进行信号转发，信息可以从多条相互独立的路径到达目的端，在目的端一侧，多条链路的信息会被合并。相比于只经过一条中继链路传输的中继***，这种链路间的合作能提高***的误比特率性能。此外，空间调制是一种高效的调制技术。在空间调制***中，只有一根天线会在发送时隙中被激活并发送信号，被激活的天线会利用天线序号来携带信息以此提升频谱效率。将空间调制技术和多中继协作***相结合可以为***带来更高的频谱效率和分集增益。
在实际的应用中，信道估计的准确程度会很大程度上影响***的性能，因为信号检测需要利用信道信息，而信道信息通常需要通过信道估计而得到，而一般情况下，接收端很难获得完全准确的信道状态信息。
基于以上技术背景并结合现有的研究，目前还没有关于多中继协作空间调制***误比特性能的研究，所以本发明提出了在不完全信道信息下基于多中继转发的协作空间***的误比特率性能分析方法，给出了了相应的误比特率的理论表达式，由此可以评估不完全信道信息下***的性能。
发明内容
本发明提出了一种在不完全信道状态下基于多中继转发的协作空间调制***的误比特率性能分析方法，它包括以下几个步骤：
步骤一：建立基于多中继转发的协作空间调制***模型并给出***信号传输的原理；该模型中，有一个源节点、一个目的节点和NR个单天线中继，源节点和目的节点处配置的天线数目分别为NS和ND源节点会利用空间调制技术向目的节点发送信号，信号会分别通过源到目的间的直达链路以及通过多中继转发的链路到达目的节点，根据传输原理写出信号传输的表达式；
步骤二：考虑到信道状态不完全的情况，将实际信道表示为估计信道与估计信道误差相加的形式；
步骤三：利用接收信号的表达式进行检测，根据定义给出***条件成对错误概率的表达式；
步骤四：计算有效信噪比中各变量的矩生成函数；
步骤五：对条件成对错误概率关于***的有效信噪比取平均，可以利用基于矩生成函数的方法计算给出***平均成对错误概率的表达式；
步骤六：利用平均成对错误概率得到***误比特率的近似表达式。
本发明具有以下有益效果：本发明在建立***模型时考虑到了信道状态不完全的情况，更符合实际应用的场景；根据本发明提出的基于多中继转发的协作空间调制***误比特率性能分析方法可以得到***误比特率的闭式表达式，可以有效地评估***的性能，故在实际应用不需要大量的仿真就可以知晓***的误比特率性能。
附图说明
为了更清楚地说明并验证本发明实施例中的方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例中基于多中继转发的协作空间调制***的性能分析方法示意图
图2为本发明实施例中基于多中继转发的协作空间调制***的模型图
图3为本发明实施例中在信道估计误差方差不同时***的误比特率性能
图4为本发明实施例中在中继数目不同时***的误比特率性能
图5为本发明实施例中在不同调制阶数下***的误比特率性能
图6为本发明实施例中在不同天线数目下***的误比特率性能
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。
首先，建立基于多中继转发的协作空间调制***模型。如图2所示，该模型中，有一个源节点、一个目的节点和NR个单天线中继，源节点和目的节点处配置的天线数目分别为NS和ND源节点会利用空间调制技术向目的节点发送信号，信号会分别通过源到目的间的直达链路以及通过多中继转发的链路到达目的节点，根据传输原理可以写出目的端接收到的信号为：
Figure BSA0000232039650000021
Figure BSA0000232039650000022
式中，Ps是源端发送功率，
Figure BSA0000232039650000023
表示源到目的端之间的信道矩阵，其元素满足均值为0，方差为
Figure BSA0000232039650000024
的复高斯分布；
Figure BSA0000232039650000025
表示激活第i(i＝1，2，...，NS)根天线，发送第m个星座符号sm的空间调制信号，当调制方式为M阶正交振幅调制时，则m＝1，2，...，M，具体可以表示为
Figure BSA0000232039650000026
其中：ei表示NS阶单位矩阵的第i列，sm表示星座符号中第m个元素。
Figure BSA0000232039650000027
表示源端到第k(k＝1，2，...，NR)个中继之间的信道向量，
Figure BSA0000232039650000031
中的元素服从均值为0，方差为
Figure BSA0000232039650000032
的复高斯分布，
Figure BSA0000232039650000033
代表
Figure BSA0000232039650000034
的第i个元素。nsd表示在目的端的加性噪声，其元素满足均值为零0，方差为1的复高斯分布。
Figure BSA0000232039650000035
代表在目的端接收到的通过第k(k＝1，2，...，NR)个中继转发的信号。
Figure BSA0000232039650000036
表示第k个中继到目的端之间的信道向量，向量中元素均服从均值为0，方差分别为
Figure BSA0000232039650000037
的复高斯分布。信道间的方差与路径损耗有关，即
Figure BSA0000232039650000038
uv∈{sd，srk，rkd}，其中duv表示两个节点之间的距离，α表示路径损耗指数。放大系数
Figure BSA0000232039650000039
表示第k个中继的发送功率，且满足
Figure BSA00002320396500000310
考虑到信道状态不完全的情况，将接收信号的表达式中的实际信道表示成信道估计值与信道误差的和的形式，即
Figure BSA00002320396500000311
其中带有上标^和～的符号分别代表对应信道的估计值和估计误差，信道估计误差服从均值为0方差为
Figure BSA00002320396500000312
的复高斯分布，uv∈{sd，srk，rkd}。
利用接收信号的表达式进行检测，根据定义可以给出在估计信道已知的情况下，***条件成对错误概率的表达式可以表示为
Figure BSA00002320396500000313
其中，Q(·)是高斯Q函数，
Figure BSA00002320396500000314
是***的有效信噪比，
Figure BSA00002320396500000315
为源经第k个中继到目的端的信噪比；且
Figure BSA00002320396500000316
为源到目的端信噪比，
Figure BSA00002320396500000317
Figure BSA00002320396500000318
|·|及||·||分别表示取绝对值操作和求向量的范数。
接下来依次计算并给出有效信噪比中变量χsd和
Figure BSA00002320396500000319
的矩生成函数，用Ψχ(·)表示变量χ的矩生成函数，结果为
Figure BSA00002320396500000320
其中
Figure BSA00002320396500000321
Figure BSA0000232039650000041
上式中，Wa，b(z)表示Whittaker函数，
Figure BSA0000232039650000042
且
Figure BSA0000232039650000043
对条件成对错误概率关于信道取平均，即可以利用基于矩生成函数的方法计算给出***平均成对错误概率的表达式：
Figure BSA0000232039650000044
其中：NP代表切比雪夫多项式的阶数，以及φκ的表达式为φκ＝cos((2κ-1)π/(2NP))。
进一步地，利用平均成对错误概率得到***误比特率的近似表达式：
Figure BSA0000232039650000045
现考虑一个基于多中继转发的协作空间调制***，将源节点到目的节点之间的距离归一化为1，多个中继紧密地排布位于源和目的端之间，即dsd＝1，且
Figure BSA0000232039650000046
路径损耗指数α＝3，源端发射功率
Figure BSA0000232039650000047
每个中继的发送功率
Figure BSA0000232039650000048
将信道误差统一设置为ε2，误差方差模型为
Figure BSA0000232039650000049
其中τ表示导频序列的长度。用于画理论曲线的切比雪夫多项式系数Np＝5。
当调制方式为4QAM，发送天线NS＝2，目的端接收天线ND＝4，中继数量NR＝2，信道估计误差的方差分别为
Figure BSA00002320396500000410
和0时，***的误比特率性能如图3所示，从仿真结果中可以观察到，仿真结果和用理论公式画出的曲线几乎重合，证明了分析结果的正确性。还可以得到，信道估计误差方差越大，说明信道估计越不准确，***的平均误比特率性能也就越差。图4给出了基于多中继转发的协作空间调制***在不同中继数目时的误比特率性能，信道估计误差为
Figure BSA0000232039650000051
调制阶数M＝4，源端天线和目的端天线的数量分别为2和4，中继数量NR＝1，2或4。从仿真结果可以看到，增加中继数目可以带来误比特性能的提升还可以提高***的分集增益。图5给出了了中继协作空间调制***在不同调制阶数下的误比特率性能，图中，信道估计误差设置为
Figure BSA0000232039650000052
发送天线的数目为NS＝2，中继数量NR＝2，接收天线ND＝4，调制阶数取值分别为M＝4，8，16。仿真结果表明，调制阶数增加时会使***误比特率上升。图6研究了不同天线数目对***性能的影响。图中信道估计误差方差取值为
Figure BSA0000232039650000053
调制阶数M＝8，中继数量为NR＝4，发送天线数量NS＝2或4，接收端天线设置为ND＝2或4。可以观察到，增加发送天线的数目会使误比特率上升但是不影响***分集度，增加接收天线的数目会使误比特率降低且会使***分集增益得到提升。图中的仿真值和理论值都较为吻合，说明提出误比特率分析方法针对基于多中继转发的协作空间调制***是行之有效的，且根据此方法计算给出的误比特率近似表达式也是准确的。
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 (1)

1.一种基于多中继转发的协作空间调制***性能分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)建立基于多中继转发的协作空间调制***模型并给出***信号传输的原理；该模型中，有一个源节点、一个目的节点和NR个单天线中继，源节点和目的节点处配置的天线数目分别为NS和ND源节点会利用空间调制技术向目的节点发送信号，信号会分别通过源到目的间的直达链路以及通过多中继转发的链路到达目的节点，根据传输原理可以得到在目的节点接收到信号ysd和
Figure FSA0000232039640000019
ysd是从源端经过直达链路直接发送至目的节点的信号，
Figure FSA00002320396400000110
将源节点发送的信号经过第k(k＝1，2，...，NR)个中继放大转发后目的节点收到的信号；
(2)考虑到信道状态不完全的情况，将接收信号ysd和
Figure FSA00002320396400000111
中的实际信道记为估计信道与信道误差的和的形式；
(3)利用目的节点处的接收信号ysd和
Figure FSA00002320396400000112
进行检测，检测时会将估计信道看作实际信道，可以得到在估计信道已知的情况下，将发送信号xi，m错判成xj，q时的条件成对错误概率，记为
Figure FSA0000232039640000011
其中
Figure FSA0000232039640000012
表示从源节点到目的节点信道的估计值、从第k个中继到目的节点之间信道的估计值，以及从源节点到第k个中继之间信道的估计值；
(4)通过条件成对错误概率的表达式可以给出***有效信噪比为
Figure FSA0000232039640000013
为源经第k个中继到目的端的信噪比，χsd为源到目的端信噪比；再分别求解χsd和
Figure FSA0000232039640000014
的矩生成函数
Figure FSA0000232039640000015
和
Figure FSA0000232039640000016
(5)利用所得的矩生成函数，可以给出***平均成对错误概率PEP(xi，m→xj，q)计算表达式
Figure FSA0000232039640000017
其中：NP代表切比雪夫多项式的阶数，以及φκ的表达式为φκ＝cos((2κ-1)π/(2NP))；
(6)根据平均成对错误概率，再利用一致界公式即可得到***误比特率的近似技术表达式
Figure FSA0000232039640000018
式中N(xi，m→xj，q)表示将符号xi，m错判成xj，q时错误的比特数，M表示调制阶数。
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