一种基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法组成比例

本发明专利技术提供了一种基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法。针对协作空间调制系统，利用有效信噪比的概率密度函数和矩生成函数，给出了系统误比特率的理论表达式和渐进近似表达式。根据渐进近似表达式，以最小化误比特率为优化目标，提出了次优功率分配方案。经仿真验证，本发明专利技术所提出的功率分配方法相比于等功率分配方案，可有效降低系统误比特率，提高系统性能。

A power allocation method in wireless relay cooperative network based on spatial modulation

The invention provides a power allocation method in a wireless relay cooperative network based on spatial modulation. For cooperative space modulation system, the theoretical expression and asymptotic approximation expression of BER are given by using the probability density function and the moment generating function of the effective signal-to-noise ratio. According to the asymptotic approximation expression, a suboptimal power allocation scheme is proposed to minimize bit error rate. The simulation results show that the proposed power allocation method can effectively reduce the bit error rate and improve the system performance compared with the equal power allocation scheme.

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法
：本专利技术属于移动通信领域，涉及移动通信系统的资源分配方法，尤其是涉及一种基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法。
技术介绍
：协作通信作为近几年无线通信领域的研究热点之一，利用无线通信网络中其他用户的天线作为中继节点协作信号的传输，解决了传统的多输入多输出(MIMO,Multi-InputMulti-output)系统中移动终端由于体积和功率限制无法放置多天线的问题，在提高频谱利用率的同时，有效地较低了基站所带来的大量成本。根据中继节点对接收信号的处理方式的不同，可以分为不同的协作协议。放大转发(AF,Amplify-and-Forward)协作协议相比于其他协议较为简单易于实现，因此被广泛应用于协作系统中。其基本思想是中继节点直接将接收到的信号放大之后再转发至目的。空间调制(SM，SpatialModulation)技术通过每一时隙只激活一根天线发送符号，可以实现单链路收发设计，有效克服信道间干扰以及同步问题；同时利用发射天线序号与传输信息比特的一一映射，是天线序号“隐形”地传输信息，速率高，容量大。将SM技术与协作通信相结合，一方面可以体现出SM技术的优势，有效避免了协作通信系统中的弊端，另一方面还能利用协作中继节点帮助源节点传输信息，体现协作通信的优势。在协作通信系统中，源节点和中继节点所分配的功率大小会对系统性能产生一定的影响，因此根据中继位置以及路径损耗采用合理的功率分配方案可以有效提高系统性能。文献1(J.Luo,R.S.Blum,LJCimini,L.J.Greenstein.Decode-and-forwardcooperativediversitywithpowerallocationinwirelessnetworks[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2007,6(3):793-799.)提出了一种次优功率分配方法，通过功率控制实现协作DF系统中断概率的最小化。文献2(C.L.WangandJ.Y.Chen.PowerallocationandrelayselectionforAFcooperativerelaysystemswithimperfectchannelestimation.IEEETransactionsonVehicularTechnology,2016,65(9):7809-7813.)针对不完全信道状态信息下的AF多中继协作系统，通过最大化容量，提出了一种最优闭式功率分配方案。文献3(MiaowenWen,XiangCheng,H.VincentPoorandBingliJiao.UseofSSKmodulationintwo-wayamplify-and-forwardrelaying.IEEETransactionsonVehicularTechnology,2014,63(4):1498-1504)是将空移键控(SSK,SpaceShiftKeying)技术引入双中继协作系统中，给出了令误比特率最小化的功率分配系数。以上文献都是基于协作通信系统或者协作空移键控系统进行的功率分配方案研究，而目前大部分协作空间调制系统都采用的是等功率分配。因此，为提升系统性能，研究协作空间调制系统的自适应功率分配是非常必要的。
技术实现思路
：为提升协作空间调制系统的性能，本专利技术基于误比特率理论表达式，提出了一种基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法。本专利技术所采用的技术方案有：一种基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法，包括如下步骤：(1)首先给出协作空间调制系统的物理模型，该系统由含Nt根发送天线的源节点，含单根天线的中继节点以及含Nr根接收天线的目的节点构成，基于空间调制的基本思想，源节点在每一时隙只激活一根天线发送经调制后的信号，每一时隙传输的比特数为log2(NtM)，其中log2Nt比特用于确定被激活的发送天线序号，log2M比特用于M-QAM的星座符号调制；(2)该协作系统的信息传输过程分为两个阶段，在阶段一，源节点通过被激活的发送天线将调制后的星座符号发往中继节点和目的节点，在阶段二，中继节点将在阶段一接收到的信号放大并转发至目的节点；(3)假设目的节点可获得完全信道状态信息，基于接收到的源节点发送的信号以及中继节点发送的信号，目的节点采用最大似然检测算法同时解调出被激活的发送天线序号和星座调制符号；(4)根据瑞利衰落信道下源到中继、源到目的以及中继到目的链路有效信噪比的概率密度函数(PDF)和累计分布函数(CDF)，得到矩生成函数(MGF)，由此得到系统误比特率Pe为Pe≈Pa+Pd-PaPd其中Pa为假设星座符号检测正确时发送天线序号的检测错误概率，Pd为假设发送天线序号检测正确时星座符号的检测错误概率；(5)利用CDF在高信噪比下的近似表达式，得到MGF的近似表达式，进而得到Pe的渐进近似表达式；(6)利用步骤(5)得到的Pe近似表达式关于源节点的功率分配系数r1求导，根据此导数得到使得Pe近似值最小的功率分配系数。进一步地，当Nr＝1时，根据Pe的近似表达式关于源节点的功率分配系数r1的导数，利用梯度下降法得到使得Pe近似值最小的次优功率分配系数；当Nr≥2时，令Pe的近似表达式关于源节点的功率分配系数r1的导数为0，求解该方程得到次优功率分配系数的闭式解。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供了协作空间调制系统的性能分析方案，给出了误比特率理论表达式，并根据理论表达式得到次优功率分配方案。该分配方案相比于等功率分配方案能有效提高系统性能,且计算复杂度低。附图说明：图1为本专利技术基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法步骤图。图2为本专利技术实施例中协作空间调制系统原理框图。图3为本专利技术实施例的协作空间调制系统在不同调制方式下的Pd。图4为本专利技术实施例的协作空间调制系统在不同调制方式下的Pa。图5为本专利技术实施例的协作空间调制系统在不同调制方式下的Pe。图6为本专利技术实施例的功率分配方案和等功率分配方案在Nr＝1时的Pe对比图。图7为本专利技术实施例的功率分配方案和等功率分配方案在Nr＝2时的Pe对比图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。本专利技术基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法，包括如下步骤：(1)首先给出协作空间调制系统的物理模型，该系统由含Nt根发送天线的源节点，含单根天线的中继节点以及含Nr根接收天线的目的节点构成，基于空间调制的基本思想，源节点在每一时隙只激活一根天线发送经调制后的信号，每一时隙传输的比特数为log2(NtM)，其中log2Nt比特用于确定被激活的发送天线序号，log2M比特用于M-QAM的星座符号调制；(2)该协作系统的信息传输过程分为两个阶段，在阶段一，源节点通过被激活的发送天线将调制后的星座符号发往中继节点和目的节点，在阶段二，中继节点将在阶段一接收到的信号放大并转发至目的节点；(3)假设目的节点可获得完全信道状态信息，基于接收到的源节点发送的信号以及中继节点发送的信号，目的节点采用最大似然检测算法同时解调出被激活的发送天线序号和星座调制符号；(4)根据瑞利衰落信道下源到中继、源到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)首先给出协作空间调制系统的物理模型，该系统由含Nt根发送天线的源节点，含单根天线的中继节点以及含Nr根接收天线的目的节点构成，基于空间调制的基本思想，源节点在每一时隙只激活一根天线发送经调制后的信号，每一时隙传输的比特数为log2(NtM)，其中log2Nt比特用于确定被激活的发送天线序号，log2M比特用于M‑QAM的星座符号调制；(2)该协作系统的信息传输过程分为两个阶段，在阶段一，源节点通过被激活的发送天线将调制后的星座符号发往中继节点和目的节点，在阶段二，中继节点将在阶段一接收到的信号放大并转发至目的节点；(3)假设目的节点可获得完全信道状态信息，基于接收到的源节点发送的信号以及中继节点发送的信号，目的节点采用最大似然检测算法同时解调出被激活的发送天线序号和星座调制符号；(4)根据瑞利衰落信道下源到中继、源到目的以及中继到目的链路有效信噪比的概率密度函数(PDF)和累计分布函数(CDF)，得到矩生成函数(MGF)，由此得到系统误比特率Pe为Pe≈Pa+Pd‑PaPd其中Pa为假设星座符号检测正确时发送天线序号的检测错误概率，Pd为假设发送天线序号检测正确时星座符号的检测错误概率；(5)利用CDF在高信噪比下的近似表达式，得到MGF的近似表达式，进而得到Pe的渐进近似表达式；(6)利用步骤(5)得到的Pe近似表达式关于源节点的功率分配系数r1求导，根据此导数得到使得Pe近似值最小的功率分配系数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于空间调制的无线中继协作网络中功率分配方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)首先给出协作空间调制系统的物理模型，该系统由含Nt根发送天线的源节点，含单根天线的中继节点以及含Nr根接收天线的目的节点构成，基于空间调制的基本思想，源节点在每一时隙只激活一根天线发送经调制后的信号，每一时隙传输的比特数为log2(NtM)，其中log2Nt比特用于确定被激活的发送天线序号，log2M比特用于M-QAM的星座符号调制；(2)该协作系统的信息传输过程分为两个阶段，在阶段一，源节点通过被激活的发送天线将调制后的星座符号发往中继节点和目的节点，在阶段二，中继节点将在阶段一接收到的信号放大并转发至目的节点；(3)假设目的节点可获得完全信道状态信息，基于接收到的源节点发送的信号以及中继节点发送的信号，目的节点采用最大似然检测算法同时解调出被激活的发送天线序号和星座调制符号；(4)根据瑞利衰落信道下源到中继、源到...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘青，虞湘宾，王丞，胡亚平，储君雅，李赫，黎宁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32