一种基于不完全信道信息的协作空间调制系统中功率分配方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于不完全信道信息下协作空间调制系统的功率分配方法。针对协作空间调制系统，考虑接收端的不完全信道估计，利用信道估计值对天线序号和星座符号进行联合解调，并基于该解调算法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，以最小化近似误比特率为优化目标，利用梯度下降法和卡尔丹公式给出次优功率分配方法。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法，可以有效降低系统误比特率，提高系统性能。

A power allocation method in cooperative space modulation system based on incomplete channel information

【技术实现步骤摘要】
一种基于不完全信道信息的协作空间调制系统中功率分配方法
：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。在研究系统性能时，为便于分析一般会假设接收端可获得完全信道状态信息(CSI，Channel-state-information)。但在实际通信过程中，接收端根据信道估计值对接收信号进行检测，由于信道的不稳定性以及不完全估计，信道估计值与实际值之间会产生一定偏差，从而接收机对信号检测的准确度会有所下降。因此，在系统进行分析时考虑信道估计误差所带来的影响具有实际意义。文献1(R.Mesleh，S.S.Ikki.AnalysisofCooperativeCommunicationspatialmodulationwithimperfectchannelestimation[C].AnnualInternationalSymposiumonPersonal，IndoorandMobileRadioCommunications，2013：2023-2027.)和文献2(A.Afana，T.M.N.Ngatched，O.A.Dobre，S.Ikki.CooperativeDFcognitiveradionetworkswithspatialmodulationwithchannelestimationerrors[C].IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference，2017：1-5.)假设中继和目的可获得不完全CSI，推导了基于译码转发(DF，Decode-and-forward)SM系统和DF-SM认知无线电系统的误比特率表达式和渐进近似表达式，分析了不同信道估计误差下的误比特率性能。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3(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4(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考虑的是等功率分配和完全CSI。因此，为提升不完全CSI下的协作空间调制系统性能，研究基于该系统的自适应功率分配方案是非常必要的。
技术实现思路
：考虑接收端的信道估计存在估计误差，本专利技术通过最小化平均误比特率，提出了一种基于不完全CSI下协作空间调制系统的功率分配方法。本专利技术所采用的技术方案有：一种基于不完全CSI下协作空间调制系统的功率分配方法，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。(2)中继节点考虑放大转发协作协议，则该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)考虑到实际中信道估计信息很难完全获得，即接收端会存在估计误差，把信道系数真实值h和估计值建模为其中e为信道估计误差。根据接收到的源节点和中继节点发送的信号以及信道系数估计值，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)由最大似然解调算法，得到源到中继、源到目的以及中继到目的链路有效信噪比。并根据有效信噪比在瑞利信道下的概率密度函数，得到矩生成函数，由此得到系统误比特率Pe；(5)利用贝塞尔函数的近似表达式，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，基于不同链路的估计误差方差为平均信噪比的递减函数，当接收天线数(Nr)等于一时，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，利用卡尔丹公式求解一元三次方程得到次优功率分配系数。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供了不完全CSI下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为本专利技术基于不完全CSI下协作空间调制系统的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平均误比特率图4为本专利技术实施例的协作空间调制系统在不同估计误差下的平均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于不完全信道信息下协作空间调制系统的功率分配方法，其特征在于：包括如下步骤：/n(1)首先给出协作空间调制系统的物理模型，该系统由含N

【技术特征摘要】
1.一种基于不完全信道信息下协作空间调制系统的功率分配方法，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；
(2)中继节点考虑放大转发协作协议，则该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)根据接收到的源节点和中继节点发送的信号以及信道系数估计值，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)由最大似然解调算法，计算源到中继、源到目的以及中继到目的链路有效信噪比。...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞湘宾，潘青，胡亚平，李赫，汪曦，李棋亦舒，朱秋明，
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