本发明专利技术涉及无线分布式多天线系统(DAS)中自适应调制(AM)方法设计及性能评估。在目标误比特率(BER)约束条件下通过最大化系统频谱效率，分别设计离散和连续速率两种AM方案。针对离散率AM，提出了一种基于精确BER的自适应切换门限，较之基于近似门限的现有AM可获得高的频谱效率。考虑到DAS实际情况，设计了包含路径损耗、阴影衰落和瑞利衰落的信道模型。基于此，给出了连续率AM频谱效率以及离散率AM频谱效率和平均BER的计算表达式，为系统性能评估提供了有效方法。Matlab仿真平台表明，所设计的AM方法均能满足目标BER要求，连续率AM要好于离散率AM方法。而且由于改进门限的提出，离散率AM与现有AM方法相比，实现了高的频谱效率。另外，所提供的频谱效率和平均BER计算与仿真取得较好的一致，故可实现对系统性能有效评估。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信领域，涉及无线通信的自适应调制方案设计，更具体的说涉及分布式MIMO系统中连续速率和离散速率自适应调制方法设计。
技术介绍
目前，无线通信技术已广泛地应用于社会生活各方面，而各种无线通信数据业务对容量需求呈现爆炸性的增长，尤其是互联网的无线接入和多媒体应用对信息吞吐量需求的增长，已经超过已有技术所支持的数据速率，一种使得数据速率得以有效增长的重要技术就是在系统发送端和接收端安置多副天线，即多输入多输出(MM0，Multiple Input andMultiple Output)技术。研究表明，使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源,在不增加系统带宽和天线总发射功率的情况下，可以有效地对抗无线信道衰落的影响，大大地提高系统的频谱利用率和信道容量，已经成为第三代合作伙伴计划(3GPP，3rd Generation Partnership Project) LTE 的关键技术之一。而且，随着频谱资源的日益紧张和用户需求的持续增长，传统蜂窝系统出现了切换频繁、干扰增加、成本提高等问题，已经无法满足未来无线通信的系统的发展要求。近年来，分布式天线系统作为一种新兴技术引起了学术界的广泛关注。分布式天线系统不论在提高系统容量，降低发射功率还是在减少切换次数、降低中断概率等方面都显示出传统蜂窝系统不可比拟的优势，被认为是传统蜂窝系统的理想替代方案，已成为未来无线通信极具发展前景的方向之一。目前，已有研究表明与集中式MMO相比，它具有更高的容量、小区平均覆盖率及抗衰落能力。自适应传输技术可以根据无线通信环境和服务质量(QoS)的要求，动态地改变发送端的各种参数来提高系统资源利用率，以获得较高的系统吞吐量和容量，已被广泛应用于无线通信系统中作为提高传输系统频谱的一种强有力技术。基于此，本专利将给出无线分布式多天线系统中自适应调制(AM)算法设计，以自适应匹配无线信道的变化，有效提高系统吞吐量和数据传输率。自适应传输技术在单载波单天线系统(SIS0)中已得到了比较完善的研究。A. J. Goldsmith等人对SISO系统中基于不同的传输方案(包括可变速率、可变功率、平均误比特率(BER)约束、瞬时BER约束)的自适应传输进行性能分析，给出了平均BER和平均频谱效率(ASE)的闭式表达式。A. Maaref将SISO自适应调制技术推广到空时编码的MMO系统中，并进行了恒定功率下离散速率自适应调制方案的性能分析。X. Yu研究了 MMO系统基于不完全信道状态信息(CSI)的自适应调制方案，给出了该系统平均BER和ASE的精确表达式。然而，上述自适应调制方案均是针对集中式SIS0/MM0系统进行设计，而对分布式天线系统(DAS)进行自适应调制设计却很少。不像集中式MIMO系统仅存在快衰落，DAS由于发送天线分布在小区的不同区域，发送端到移动端将经历不同的大尺度慢衰落，使得分布式MIMO系统自适应调制方案的设计具有一定的难度。因此，本专利技术将针对无线DAS系统，研究其自适应调制方案及其相应的算法设计——即在固定功率和瞬时误BER约束条件下，通过最大化系统频谱效率(SE)，设计出连续速率和离散速率两种自适应调制方法，其中离散速率AM方案的自适应转换门限值将根据目标BER获得。考虑到现有的门限值是基于近似BER获得，以致相应的AM方案不能准确地反映实际的调制情况，带来系统SE受限。为此，设计了一种基于精确BER的自适应切换门限和相应的AM方法，较之基于通常近似门限的AM可获得高的频谱效率。针对DAS实际情况，设计了包含路径损耗、阴影衰落和瑞利衰落的信道模型，并基于该模型，给出了连续率AM频谱效率以及离散率AM频谱效率和平均BER的计算公式，为系统性能测试提供了有效的评估方法。利用Matlab仿真平台进行AM方法性能测试，其结果表明，所设计的AM方法均能满足目标BER要求，其中连续率AM由于无需率的限值，其SE要明显高于离散率AM方法。而且所提基于改进门限的AM方法与现有AM方法相比，也可实现较高的频谱效率。此夕卜，所给的频谱效率和平均BER计算也与仿真取得较好的一致，从而为DAS系统性能评估提供了有效的方法。以下将通过具体实施例结合附图对本专利技术的目的及特性进行详细描述，这些具体实施例是说明性的，不具有限制性。
技术实现思路
本专利技术是针对分布式天线系统，进行了其自适应调制算法设计，包括连续和离散速率两种自适应调制方案。目的是在固定功率和目标误比特率的约束条件下，利用所设计的AM方法可获得系统SE的极大提高。本专利技术提出的DAS自适应调制方案设计采用了以下步骤(I)给出了 DAS模型和信道模型。分布式天线系统模型如附图I所示。附图I给出了分布式天线系统的物理模型，小区单元建模为一个半径为D的圆形区域，各远程天线(RA)任意地摆放在小区的不同位置，记为RAiQ = 1，2，....，N)，通过特定传输通道(光纤)连接到一个中央处理单元(MCU).不失一般性，假设每个移动终端(MT)均有L个天线。若RAi选择用来发射信号，那么移动接收端的接收信号的表达式可以表示为y'W)，·.·.···W=厄K_·.··’表达式 I、V> hi其中，Yi(J)为移动接收端第j根接收天线的接收信号，Es为发送信号的功率，复合信道矩阵Iii中的元素h/·1')为RAi和移动接收端第j根接收天线之间的信道系数；x为从RAi发送的信号并且能量归一化为I。噪声矩阵z中的每一个元素服从均值为O方差为Ntl的复高斯分布。由于分布式天线系统的结构特性，h,00在本专利技术中用以下模型表示h卜 =K汐疋瓦織式2式中，K，代表了 RAi和移动端第j根接收天线之间的小尺度快衰落，即幅度K 为瑞利衰落，从而I KiwI2服从指数分布。Li和Si分别表示RAi和移动端之间的路径损耗和阴影衰落，其中路径损耗可以由下式表示/ , \β>L1 =—表达式 3K其中，β i表示路径损耗指数，d0为参考距离，Cli为RAi和MT之间的距离。由表达式I和表达式2可以得到系统接收端有效信噪(SNR)比为r, =Xrf7) =ω,Σ\h\j)I 表达式 4 7=1J ^ E PSi 其中，(y)表示第j根接收天线的瞬时输出信噪比(SNR)，Ω,/ /7V0由已有的文献，结合表达式4，可求得接收端有效信噪比服从对数瑞利正态分布，其概率密度函数(HF)可表示为剛人,ω=綠4爷)Tfc4(1°lg、V°-呼表达式5 (F其中，σ ^in dB)是IOlgSi的标准差< 色，A =IOlg 。考虑到该式存在 InlOV No J积分，故无法直接用来进行系统的性能评估。为此可利用一个对数正态分布来近似代替上述的瑞利对数正态分布，具体如下,/a 、2 、 IOlg/-,fy (γ) = —exp----表达式 67 \]2πσιγ2σ, VJ式中，；i,是近似分布的均值，可表示为 , =//,+IOlgL+ f|>⑷-In(I)]，其中Ψ ( ·)为欧拉psi函数；而近似分布的方差为 ,2 =σ,2 +^2((2,1)，其中ζ ( ·)为Reimannzeta函数.(2) DAS中连续速率自适应调制方案设计对于多进制正交振幅调制(M-QAM)，其本文档来自技高网...
【技术保护点】
分布式多天线系统(DAS)中自适应调制(AM)方法设计，其特征在于包括步骤如下：(1)建立分布式多天线系统模型和信道模型。(2)利用高斯信道下M？QAM的精确误比特率(BER)公式和近似BER公式，给出自适应调制的次优转换门限值和近似门限值。(3)基于次优门限值，给出DAS离散率自适应调制方法设计；并由近似BER公式获得分布式多天线系统连续率自适应调制方法的设计；(4)结合分布式多天线系统的信道特性、M？QAM的BER公式以及获得的门限值，给出DAS离散率AM频谱效率(SE)和平均BER表达式，为系统性能评估提供计算方法。
【技术特征摘要】
1.分布式多天线系统(DAS)中自适应调制(AM)方法设计，其特征在于包括步骤如下 (1)建立分布式多天线系统模型和信道模型。(2)利用高斯信道下M-QAM的精确误比特率(BER)公式和近似BER公式，给出自适应调制的次优转换门限值和近似门限值。(3)基于次优门限值，给出DAS离散率自适应调制方法设计；并由近似BER公式获得分布式多天线系统连续率自适应调制方法的设计； (4)结合分布式多天线系统的信道特性、M-QAM的BER公式以及获得的门限值，给出DAS离散率AM频谱效率(SE)和平均BER表达式，为系统性能评估提供计算方法。2.根据权利要求I所述的分布式多天线系统自适应调制算法设计方案，其特征在于所 述步骤(I)包括 (Ia)DAS中由于各分布式天线距离接收端的距离不同，所以必须考虑各个远程天线到接收天线所经历的不同的大尺度慢衰落，这里把该信道建模为一个包括阴影衰落、路径损耗和瑞利快衰落的信道。(Ib)根据步骤(Ia)所述的无线分布式多天线通信系统，求出系统有效接收信噪比Y和其概率密度函数(HF)。3.根据权利要求I和2所述的DAS自适应调制算法设计方案，其特征在于所述步骤(2)包括 (2a)根据目标BER和M-QAM近似公式设计出分布式多天线系统连续速率自适应调制方案。并利用步骤(Ib)有效接收信噪比的HF，借助于Guass-Hernite数值积分，可得...
【专利技术属性】
技术研发人员：虞湘宾，刘晓帅，陈小敏，殷馨，谭文婷，刘岩，许莙翊，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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