高速移动环境下的自适应调制传输方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种高速移动环境下的自适应调制传输方法。该方法包括：在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机；发射机根据平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，求解优化方程得到最优信噪比门限值，基于门限值划分信噪比衰落区域子区间，并确定子区间对应的自适应功率分配方案；发射机根据子区间选择最优调制传输策略并按照子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送下一数据帧。本发明专利技术实施例能够改善系统频谱效率，保证系统达到最优的平均吞吐量，解决了当发射机无法获得精确信道信息条件下，自适应调制编码传输性能显著下降的问题。

Adaptive modulation transmission method in high speed mobile environment

An embodiment of the invention provides an adaptive modulation transmission method in a high-speed mobile environment. The method includes: the establishment of mobile communication system in discrete time fast time-varying channel model to obtain the average signal-to-noise ratio, through the feedback link to the transmitter than transmission transmitter according to the change of average signal-to-noise; the average signal-to-noise ratio of maximum efficiency of the system makes the average spectrum and satisfy the optimization equation constraints, solving the optimization equation to get the optimal signal-to-noise than the threshold value, the threshold value division SNR fading sub interval based on adaptive power allocation scheme and determine the interval corresponding to the transmitter; according to the sub range selection of optimum modulation transmission strategy and according to the corresponding sub region between the power adjusting transmit power allocation scheme after sending a data frame. The embodiment of the invention can improve the spectrum efficiency of the system, ensure the optimal throughput of the system, and solve the problem that the transmission performance of the adaptive modulation and coding is significantly reduced when the transmitter can not get the exact channel information.

【技术实现步骤摘要】
高速移动环境下的自适应调制传输方法
本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种高速移动环境下的自适应调制传输方法。
技术介绍
自适应调制编码技术是一种提高通信系统频谱效率的有效手段，可以有效的改善无线信道衰落对移动通信系统吞吐量的影响。自适应调制编码技术要求无线发射机能够获得准确的CSI(channelstateinformation，信道状态信息)，发射机从而能够根据CSI来合理的调整传输功率、调制方式等传输参数，达到最大化平均吞吐量的目的。现有技术中的一种高速移动环境下的自适应调制传输方法：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。上述现有技术中的一种高速移动环境下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系统)，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，那么移动通信系统的频谱效率和有效吞吐量将受到显著的影响。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种高速移动环境下的自适应调制传输方法，以适用于高速移动环境下无线发射机无法获得准确CSI时进行自适应调制传输。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。本专利技术实施例提供了一种高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，包括：在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机；所述发射机根据所述平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于所述门限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应功率分配方案；所述发射机根据所述子区间选择最优调制传输策略并按照所述子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送下一数据帧。优选地，所述的在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，包括：所述离散时间移动通信系统的工作过程：信号经所述发射机进行调制和功率控制后，通过衰落信道传输到接收机，所述接收机中的信道估计器进行信道估计、解调和解码后，用平均信噪比表示估计的信道状态信息，通过反馈链路将平均信噪比传送回发射机。优选地，所述的在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，还包括：建立所述快速时变信道模型得到平均信噪比：所述接收机持续对信道进行估计并用信噪比表征信道状态信息，所述接收机所接收信号的每一传输帧的周期为Tf，每一所述传输帧都由N个周期为Ts的符号组成，存在等式：Tf＝NTs；所述接收机侧的信道估计器将估计到的信道增益和所述平均信噪比反馈到所述发射机用于自适应调制传输，其中反馈时延为τTs，所述发射机根据接收到的平均信噪比的变化在每一个传输帧内采用一种不同的调制传输方式；设每一所述传输帧周期内的第一个符号的索引为i＝0，设所述发射机到所述接收机之间的多径信道是平坦、快时变信道，所述多径信道的每一径信道参数满足瑞利分布，所述每一径信道参数的实部和虚部服从均值为0、方差为σh2相互独立的复高斯过程：h[i]～N(0,σh2)，其中，i＝0，1，...，N-1表示符号索引；在一帧内h[i]与的关系表示如下：其中，h[i]为第i个符号经过无线信道后，信号幅度增益，为所述接收机的完美信道估计，ρ[i]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；定义为平均传输功率，所述接收机的噪声是均值为0，方差为σN2的复高斯白噪声，将信道进行归一化处理，得E[|h|2]＝1，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：接收机侧的信道估计器通过反馈链路向发射机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，存在随机变量：对于复高斯衰落信道，随机变量服从独立同指数分布，可以简化为的概率密度函数为：分配的功率表示为的函数，接收机接收到的信噪比可得：由此可得：优选地，所述的通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机，包括：所述发射机通过反馈链路获取部分不精确的CSI和所述接收机估计的平均信噪比。优选地，所述的发射机根据所述平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，包括：建立使得系统平均频谱效率最大化，同时满足平均发射功率约束和业务传输的BER要求的优化方程：设所述离散时间移动通信系统采用多进制正交幅度调制方案对信号进行调制解调，共有K+1个调制策略，调制星座数Mk＝22k，k＝0,1,2,...,K；其中，k为调制阶数，M0＝1表示没有数据传输，第k阶调制策略对应的数据速率为：bk＝log2Mk＝2kbit/symbol，每种调制策略对应的传输速率按升序排列，分别为：{b0,...,bk,...,bK}；对于一个时间离散的自适应调制传输系统，频谱效率可以用平均传输速率表示为：其中，为估计的信噪比，该式表明，最大化频谱效率需要通过调节数据的传输速率和传输功率；传输功率需要满足平均功率约束：其中，此外，各信号还要满足误码率约束，加性高斯白噪声信道下，当Mk≥4时，接收机信噪比为γ[i]与调制策略为Mk的条件误码率为：其中，c1＝0.2，c2＝1.5，ρ[i]为瞬时相关系数，ρ[i]＝J0(2πfDTS(i+π))，其中，fD＝fcv/c表示最大多普勒频移，v为接收机移动速度，c为光速。通过确定调制策略Mk以及发射功率的值来满足业务的BER需求；给定ρ[i]，可得关于BER的条件误码率函数为：鲁棒性传输策略：考虑BER约束最差情况，要求某一帧中最后一个符号满足BER的约束要求，即用常数ρ[N]代替ρ[i]，i＝0,1,...,N-1；用最差的信道增益|h[N]|2代替|h[i]|2，在最差情况下的平均误码率约束为：其中，ε为保证业务可靠传输时平均误码率要求的阈值；综上，构建使得系统平均频谱效率最大化，同时满足平均发射功率约束和业务传输的平均误码率要求的所述优化方程，如下：所述优化方程要求：使式(8a)的值最大，同时满足条件式(8b)和式(8c)。优选地，所述的求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于所述门限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应功率分配方案，包括：将信噪比衰落区域划分成K+1个与调制策略对应的子区间，在每个信噪比衰落子区间中，设计鲁棒性自适应功率分配方案；划分信噪比衰落区域子区间：所述离散时间移动通信系统采用多进制正交幅度调制方案对信号进行调制解调，共有K+1个调制策略：{M0,...,Mk,...,MK}，每种策略相应的信噪比衰落区域子区间为：{[γ0,γ1),…,[γk,γk+1),…,(γK,γK+1)}，调制策略切换门限对应为：{γ0,…,γk,…,γK}；设计鲁棒性自适应功率分配方案如下：将式(8c)等价得：其中，定义一个常参数为并定义为：并且由于式(8c)与式(9)左侧的表达式等价，所以由式(8c)的约束变形可得：通过朗博W函数，求得的终本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，包括：在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机；所述发射机根据所述平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于所述门限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应功率分配方案；所述发射机根据所述子区间选择最优调制传输策略并按照所述子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送下一数据帧。

【技术特征摘要】
1.一种高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，包括：在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机；所述发射机根据所述平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于所述门限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应功率分配方案；所述发射机根据所述子区间选择最优调制传输策略并按照所述子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送下一数据帧。2.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，包括：所述离散时间移动通信系统的工作过程：信号经所述发射机进行调制和功率控制后，通过衰落信道传输到接收机，所述接收机中的信道估计器进行信道估计、解调和解码后，用平均信噪比表示估计的信道状态信息，通过反馈链路将平均信噪比传送回发射机。3.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，还包括：建立所述快速时变信道模型得到平均信噪比：所述接收机持续对信道进行估计并用信噪比表征信道状态信息，所述接收机所接收信号的每一传输帧的周期为Tf，每一所述传输帧都由N个周期为Ts的符号组成，存在等式：Tf＝NTs；所述接收机侧的信道估计器将估计到的信道增益和所述平均信噪比反馈到所述发射机用于自适应调制传输，其中反馈时延为τTs，所述发射机根据接收到的平均信噪比的变化在每一个传输帧内采用一种不同的调制传输方式；设每一所述传输帧周期内的第一个符号的索引为i＝0，设所述发射机到所述接收机之间的多径信道是平坦、快时变信道，所述多径信道的每一径信道参数满足瑞利分布，所述每一径信道参数的实部和虚部服从均值为0、方差为σh2相互独立的复高斯过程：h[i]～N(0,σh2)，其中，i＝0，1，...，N-1表示符号索引；在一帧内h[i]与的关系表示如下：其中，h[i]为第i个符号经过无线信道后，信号幅度增益，为所述接收机的完美信道估计，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；定义为平均传输功率，所述接收机的噪声是均值为0，方差为σN2的复高斯白噪声，将信道进行归一化处理，得E[|h|2]＝1，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：接收机侧的信道估计器通过反馈链路向发射机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，存在随机变量：对于复高斯衰落信道，随机变量服从独立同指数分布，可以简化为的概率密度函数为：分配的功率表示为的函数，接收机接收到的信噪比可得：由此可得：4.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机，包括：所述发射机通过反馈链路获取部分不精确的CSI和所述接收机估计的平均信噪比。5.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的发射机根据所述平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，包括：建立使得系统平均频谱效率最大化，同时满足平均发射功率约束和业务传输的BER要求的优化方程：设所述离散时间移动通信系统采用多进制正交幅度调制方案对信号进行调制解调，共有K+1个调制策略，调制星座数Mk＝22k，k＝0,1,2,...,K；其中，k为调制阶数，M0＝1表示没有数据传输，第k阶调制策略对应的数据速率为：bk＝log2Mk＝2kbit/symbol，每种调制策略对应的传输速率按升序排列，分别为：{b0,...,bk,...,bK}；对于一个时间离散的自适应调制传输系统，频谱效率可以用平均传输速率表示为：其中，为估计的信噪比，该式表明，最大化频谱效率需要通过调节数据的传输速率和传输功率；传输功率需要满足平均功率约束：其中，此外，各信号还要满足误码率约束，加性高斯白噪声信道下，当Mk≥4时，接收机信噪比为γ[i]与调制策略为Mk的条件误码率为：其中，c1＝0.2，c2＝1.5，ρ[i]为瞬时相关系数，ρ[...

【专利技术属性】
技术研发人员：林思雨，高乾，冯楠，郭晓兵，朱刚，吴宇，李元轩，高媛，
申请(专利权)人：中国铁路总公司，北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11